夏天果,丁志敏,何銀坤,史永哲,文國華
(中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司 新疆 庫爾勒 841000)
塔中I 號(hào)氣田屬于高含硫油氣田,塔中某井分離器口取樣H2S 質(zhì)量濃度達(dá)到607 000 mg/m3。近年來,塔中I 號(hào)油氣田在勘探開發(fā)過程中曾發(fā)生多起H2S 應(yīng)力腐蝕引起的斷鉆具事故(見表1),在造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)也對油田安全生產(chǎn)帶來了極大的挑戰(zhàn)。本文通過對該區(qū)H2S 分布情況分析,結(jié)合H2S 應(yīng)力腐蝕機(jī)理和腐蝕特征,提出了防止H2S 應(yīng)力腐蝕措施,對高含硫氣井開發(fā)具有一定參考意義。
表1 近年來4 次H2S 應(yīng)力腐蝕致鉆具斷裂事故
從表1 可以看出,近年來發(fā)生的4 起鉆具H2S 應(yīng)力腐蝕斷裂都是發(fā)生在節(jié)流壓井過程中,斷裂位置在400~2 200 m。鉆具H2S 應(yīng)力腐蝕斷裂常發(fā)生在溢流壓井過程中,具有突發(fā)性,事故發(fā)生對溢流壓井處理帶來了新的挑戰(zhàn),同時(shí)增大了井控風(fēng)險(xiǎn)。
濕H2S 環(huán)境在HG20581-2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》中定義為:(1)環(huán)境溫度T≤(60 +2P)℃(P 為環(huán)境壓力,MPa);(2)H2S 分壓大于0.35 kPa;(3)介質(zhì)環(huán)境中含有液相水或者處于水的露點(diǎn)溫度以下;(4)pH 值小于7 或有氰化氫(HCN)存在。美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)NACE MR0157-2009《Petroleum and natural gas industries Materials for use in H2S containing Environments in oil and gas production》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“含水且在天然氣濕氣相、凝析油、原油系統(tǒng)中H2S 分壓等于或超過0.000 3 MPa,且系統(tǒng)總壓力大于0.4 MPa 即為濕H2S 環(huán)境”。
在濕H2S 環(huán)境下鉆具發(fā)生腐蝕斷裂主要有電化學(xué)腐蝕、氫致開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂3 種。
(1)電化學(xué)腐蝕
在濕環(huán)境下,H2S 與環(huán)境中水會(huì)發(fā)生電離作用,產(chǎn)生H+,HS-和S2-三種不同的產(chǎn)物。電離反應(yīng)為:
同時(shí)在鉆具表面發(fā)生原電池反應(yīng),陽極反應(yīng)為:
陰極反應(yīng)為:
H2S 溶解產(chǎn)生的HS-和S2-能降低H+之間的親和力,加速水合氫離子放電,抑制形成H2分子逸出,從而導(dǎo)致這種體積小、穿透力強(qiáng)的H+在鉆具表面的聚集。這些氫原子進(jìn)入鋼材內(nèi)部,部分H+固溶于晶格之中,增加了鋼材的脆性,部分H+在鋼材中二相粒子或微裂紋尖端處聚集引起氫致開裂(HIC)。
(2)氫致開裂
電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的氫原子進(jìn)入鋼材之中,部分富集在管材的缺陷或應(yīng)力集中處,形成氫氣分子,即所謂的氫鼓包(HB)[1]。氫原子形成氫氣分子過程中體積擴(kuò)大很多倍,這些氫氣分子難以從管材中逸出,形成巨大的氫內(nèi)壓,造成局部金屬組織屈服和產(chǎn)生微裂紋[2]。氫鼓包引起的微裂紋相互連接變形成階梯狀裂紋,這個(gè)過程稱為氫致開裂(HIC)。氫致開裂裂紋是一種氫的陷阱增壓的作用,不需要外部應(yīng)力存在。研究發(fā)現(xiàn)表明,在濕H2S 環(huán)境下,鉆具的腐蝕開裂以氫致開裂為主。
(3)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂
濕H2S 環(huán)境下,固溶于晶格中的H+引起鋼材晶格變形,材料韌性降低,脆性增加,在外部張應(yīng)力和殘余應(yīng)力作用下發(fā)生開裂,這種開裂稱為硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)[3]。材料在濕H2S 環(huán)境和拉應(yīng)力作用下,位錯(cuò)滑移機(jī)制和位錯(cuò)增值機(jī)制發(fā)生相互作用,使位錯(cuò)中心結(jié)構(gòu)由三次對稱變?yōu)椴粚ΨQ分布,從而降低原子間結(jié)合力,表現(xiàn)為脆性斷裂[4]。研究表明,H2S 應(yīng)力腐蝕開裂通常發(fā)生在鉆具焊縫及其熱影響區(qū)等硬度較高的區(qū)域。
(1)宏觀形貌
從鉆具表面看,可以在鉆具表面發(fā)現(xiàn)附著一層黑色疏松產(chǎn)物,部分可見腐蝕坑(見圖1)。斷裂斷口宏觀來看,鉆具斷口基本可以分為平坦區(qū)和斜斷區(qū)。在平坦區(qū)比較整齊光亮,存在大量放射狀花紋,在光線照射下轉(zhuǎn)動(dòng)斷口,可見閃閃發(fā)亮的小晶面;斜斷區(qū)即所謂的剪切唇,為最后瞬斷區(qū),見圖2。圖3 是階梯形斷口形貌,可以發(fā)現(xiàn)未完全斷裂處,斷口呈現(xiàn)階梯狀,屬于典型的脆性斷裂斷口形貌。圖4 是鉆具縱向斷裂的宏觀形貌,可見發(fā)生脆性斷裂,斷口平整,鉆具在H2S 腐蝕和拉伸應(yīng)力共同作用下縱向大面積斷裂。
圖1 鉆具表面顏色及腐蝕坑
圖2 鉆具斷口形貌
圖3 階梯型斷口
圖4 鉆具縱向劈裂
(2)微觀形貌
文獻(xiàn)[5]通過對塔里木某井鉆鋌H2S 腐蝕斷裂案例斷口和裂紋金相分析,發(fā)現(xiàn)裂紋均起源于鉆鋌外表面,且與外表面垂直,裂紋起始端均較粗,尖端較細(xì),呈多枝狀沿晶擴(kuò)展,裂紋深度范圍為0.1~11.1 mm。鉆鋌斷口上摩擦損傷區(qū)域的裂紋起源于斷口表面。通過對斷口能譜分析發(fā)現(xiàn),在斷口裂紋處硫含量為管材基體的幾倍到幾百倍。
文獻(xiàn)[6]通過對塔中83 井鉆具斷口微觀分析,為沿晶、二次裂紋形貌,且在斷口上發(fā)現(xiàn)了原子分?jǐn)?shù)高達(dá)2.38%的S。
文獻(xiàn)[7]通過對16Mn 鋼在濕H2S 環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn),在斷口處觀察到河流狀花紋舌狀花樣和撕裂嶺,在局部可以見到解理扇。
(3)力學(xué)特征
從力學(xué)特性分析,鋼材在濕H2S 環(huán)境下應(yīng)力腐蝕斷裂,斷裂應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼材的屈服強(qiáng)度。厲從波等[8]通過對不同鋼材在不同濃度H2S 環(huán)境下的斷裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在低濃度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一個(gè)明顯的塑性屈服臺(tái)階,但是隨著H2S 濃度的增加,曲線塑性屈服平臺(tái)越來越小,當(dāng)濃度達(dá)到某一值后應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線上升后突然斷裂,完全沒有塑性變形。
通??梢杂么嘈灾笖?shù)、斷裂時(shí)間、單位體積吸收能量和最大載荷等敏感性參數(shù)來衡量鋼材在鉆具發(fā)生H2S 應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感性程度。
式中:F(K)—敏感性指數(shù),%;
K0—無H2S 環(huán)境下材料斷裂參數(shù);
K—濕H2S 環(huán)境下材料斷裂參數(shù)。
通常認(rèn)為,當(dāng)脆性指數(shù)高于35%時(shí)則為全脆性斷裂。
(1)H2S 分壓
在濕H2S 環(huán)境下,H2S 分壓可以采用下面公式進(jìn)行計(jì)算:
式中:PH2S—H2S 分壓,MPa;
P—環(huán)境壓力,MPa;
CH2S—H2S 體積分?jǐn)?shù),μL/L。
表2 塔中4 例斷鉆具事故H2S 分壓
文獻(xiàn)[9]通過對4145 鉆鋌鋼在NACE 標(biāo)準(zhǔn)H2S 溶液中進(jìn)行SSRT 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著H2S 濃度的增加,斷口形貌表現(xiàn)為由韌性斷裂過渡至準(zhǔn)節(jié)理斷裂,最后向沿晶脆性斷裂轉(zhuǎn)化。在低H2S 濃度下,H2S 應(yīng)力腐蝕敏感性隨著濃度增加而增加,H2S 濃度達(dá)到某一個(gè)值時(shí)敏感性最強(qiáng),當(dāng)H2S 濃度超過該值后敏感性反而降低,見圖5。劉慶剛等[10]通過研究發(fā)現(xiàn),隨著鉆具在濕H2S 環(huán)境中時(shí)間越長,裂紋擴(kuò)大速率越大。
圖5 不同H2S 濃度與應(yīng)力腐蝕開裂關(guān)系
塔中近年發(fā)生的幾起H2S 致斷鉆具事故,主要發(fā)生在上部井段。井底鉆井液液柱壓力高,高含H2S 鉆井液主要溶解或者以小氣泡形式分散在鉆井液中,未形成連續(xù)相。當(dāng)鉆井液在上返過程中液柱壓力降低,天然氣溶解度降低,氣相體積增大,形成天然氣段塞,H2S 濃度也相應(yīng)升高,對鉆具H2S 應(yīng)力腐蝕加劇。
(2)溫度
溫度對鉆具應(yīng)力腐蝕斷裂影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面,一方面,溫度升高使H2S 氣體在水中的溶解度下降的同時(shí),又使腐蝕速度加快;另一方面,氫致開裂需要?dú)涞臄U(kuò)散,在應(yīng)變速度相同時(shí),溫度愈高,擴(kuò)散愈快,但升溫又降低了H2S 的溶解度。從這兩個(gè)方面,鉆具H2S 應(yīng)力腐蝕存在一個(gè)最強(qiáng)敏感溫度。
塔中發(fā)生的幾起H2S 致斷鉆具主要發(fā)生上部除了H2S 濃度增加外,溫度是另一個(gè)重要影響因素。塔中下奧陶系高含H2S 儲(chǔ)集層平均垂深在5 500~6 500 m,溫度一般在130~150 ℃,當(dāng)鉆井液在循環(huán)上返過程中溫度逐漸降低,出口溫度一般在50~70 ℃,上部井段鉆井液溫度正是H2S 應(yīng)力腐蝕開裂敏感溫度。
(3)pH 值
低合金鋼抵抗SSCC 除了H2S 分壓是個(gè)重要因素外,pH 值大小對其也有較大影響。pH 值下降,使得環(huán)境中H+濃度增加,應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感性增強(qiáng)。文獻(xiàn)[11]表明,濕H2S 環(huán)境下,鉆具應(yīng)力腐蝕存在如圖6 的關(guān)系。在圖6 中1 區(qū)域中強(qiáng)度小于P110 鋼級的材質(zhì)或者同類材質(zhì)發(fā)生SSCC 可能性很小,不需要對鋼材進(jìn)行嚴(yán)格限制;在3 區(qū)域中極易發(fā)生SSCC,無論從鋼材硬度、強(qiáng)度或者其它抗開裂性能都應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格限制;圖中2 區(qū)域?yàn)檫^渡區(qū)域。
圖6 pH 值與H2S 分壓和管材選擇關(guān)系
(4)鉆具材質(zhì)
鉆具材質(zhì)對H2S 應(yīng)力腐蝕開裂敏感性表現(xiàn)在鉆具的屈服強(qiáng)度、硬度和材質(zhì)中部分化學(xué)元素的含量。NACE MR0157 建議低合金鋼在濕H2S環(huán)境使用時(shí),硬度應(yīng)小于HRC22。當(dāng)硬度超過HRC22 時(shí),合金鋼H2S 應(yīng)力腐蝕較敏感。目前塔里木油田常用鉆桿鋼級為S135、鉆鋌鋼為4145,都屬于高強(qiáng)度鉆具,屈服強(qiáng)度分別達(dá)到了930.8 MPa 和815 MPa,硬度分別達(dá)到HRC34 和HRC32,該值遠(yuǎn)大于上述要求。
影響腐蝕斷裂的主要化學(xué)元素包括Mn、S 和P 等。Mn 使鉆具接頭在焊接過程中產(chǎn)生強(qiáng)度高韌性低的馬氏體、貝氏體顯微金相組織;S 元素則與鋼形成MnS 及FeS 等非金屬夾雜物,導(dǎo)致局部組織疏松;P 對氫原子重新組合過程起抑制作用,使金屬增氫效果增加,從而也就會(huì)降低管材濕H2S 介質(zhì)中的穩(wěn)定性[12]。因此在API Spec 5D《Specifi cation for Drill Pipe》和SY/T 6288-2007《鉆桿和鉆鋌選用做法》以及塔里木油田鉆具訂貨標(biāo)準(zhǔn)中特別對S 及P 這兩種有害化學(xué)元素進(jìn)行了嚴(yán)格限制。
表3 不同標(biāo)準(zhǔn)中對鉆具材質(zhì)中有害元素的規(guī)定
通過對塔中近年幾口井H2S 應(yīng)力腐蝕斷鉆具事故分析,大量調(diào)研在濕H2S 環(huán)境下鋼材的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)制、影響因素等,為避免類似事故的再次發(fā)生,節(jié)約鉆井成本和控制井控風(fēng)險(xiǎn),可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防。
(1)加強(qiáng)對鉆具材質(zhì)中有害元素的控制,采用合理的熱處理方式,降低有害元素、金相組合和殘余應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。
(2)在高含硫目的層鉆進(jìn)過程中,要定期檢測泥漿中pH 值變化情況,當(dāng)pH 出現(xiàn)了降低,說明有H2S 進(jìn)入井筒中,應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充提高pH 值并加入除硫劑;特別是在發(fā)現(xiàn)H2S 后,更應(yīng)加密對泥漿中pH 的監(jiān)測工作,根據(jù)pH 變化情況及時(shí)補(bǔ)充除硫劑。
(3)加強(qiáng)對鉆具的管理工作,在進(jìn)入高含H2S目的層前對鉆具進(jìn)行探傷,保證入井鉆具無微裂紋存在;對于處理過H2S 溢出復(fù)雜情況的鉆具應(yīng)及時(shí)停用,更換新的鉆具,對發(fā)現(xiàn)裂紋的應(yīng)該進(jìn)行報(bào)廢。
(4)選擇的合適的壓井方式,在地面發(fā)現(xiàn)H2S后應(yīng)采用壓回法將侵入井筒中的H2S 壓回地層,以防止鉆具發(fā)生H2S 應(yīng)力腐蝕斷裂后井控風(fēng)險(xiǎn)的增大。
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