金壇鹽穴儲(chǔ)氣井生產(chǎn)套管的腐蝕行為及其防護(hù)措施

,,, (中國石化江蘇油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，揚(yáng)州 225009)

鹽巖的密封性、低滲透性和損傷自愈合性良好，使鹽穴儲(chǔ)氣井的安全性高，十分有利于天然氣儲(chǔ)備，已成為我國天然氣儲(chǔ)備的重點(diǎn)部署方向。近年來，中石油、中石化相繼在江蘇金壇地區(qū)投資建設(shè)一批鹽穴儲(chǔ)氣井。金壇儲(chǔ)氣井的深度為890～1 040 m，環(huán)境溫度為-8～39.7 ℃，預(yù)測(cè)井口溫度最高為40 ℃。這些鹽穴儲(chǔ)氣井的設(shè)計(jì)壽命通常都在30 a以上。鹽穴儲(chǔ)氣井的生產(chǎn)套管一般采用N80鋼,它們除受到夏注冬采時(shí)的交變應(yīng)力作用外，還長期處于鹽鹵等惡劣環(huán)境中。生產(chǎn)套管選用與防護(hù)直接關(guān)系到鹽穴儲(chǔ)氣井能否長期安全運(yùn)行。為了弄清生產(chǎn)套管在使用工況下的腐蝕行為，對(duì)N80鋼進(jìn)行了飽和NaCl溶液腐蝕實(shí)驗(yàn)室評(píng)測(cè)試驗(yàn)，希望為金壇地區(qū)鹽穴儲(chǔ)氣井科學(xué)合理選用套管和采取針對(duì)性防護(hù)措施提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為N80鋼，將其制成尺寸為40 mm×13 mm×2 mm的掛片試樣。然后，根據(jù)SY/T 5390-1991《鉆井液腐蝕性能檢測(cè)方法 鉆桿腐蝕環(huán)法》，采用常壓靜態(tài)腐蝕試驗(yàn)法對(duì)N80鋼進(jìn)行腐蝕浸泡試驗(yàn)。

根據(jù)金壇鹽穴儲(chǔ)氣井的地下溫度條件，確定腐蝕浸泡試驗(yàn)的溫度分別為40，50，60，70 ℃；腐蝕介質(zhì)采用飽和NaCl溶液；腐蝕時(shí)間分別為0.5，1，2，4，6個(gè)月。將腐蝕介質(zhì)置于500 mL玻璃廣口瓶中，然后將掛片懸掛全浸于腐蝕介質(zhì)中，再將玻璃廣口瓶放入控溫恒溫箱，每個(gè)試驗(yàn)條件測(cè)2個(gè)試樣。

通過試樣腐蝕前后的質(zhì)量差(失重法)計(jì)算腐蝕速率，觀察試樣的宏觀腐蝕形貌，并根據(jù)平均腐蝕速率和最大腐蝕速率預(yù)測(cè)套管鋼的剩余腐蝕壽命。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕速率

由圖1可見,隨著腐蝕時(shí)間的延長，N80鋼掛片的平均腐蝕速率的變化趨勢(shì)不盡相同。在40，70 ℃下，N80鋼的平均腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間的延長總體表現(xiàn)為減小的趨勢(shì);而在50，60 ℃下，N80鋼的平均腐蝕速率隨著腐蝕時(shí)間的延長總體表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)，但增幅很小;而在相同的腐蝕時(shí)間內(nèi)，除40 ℃下N80鋼掛片的平均腐蝕速率變化異常外，其他溫度下掛片的平均腐蝕速率均呈現(xiàn)隨溫度的升高而增大的趨勢(shì)。

圖1 不同溫度、時(shí)間條件下N80鋼在飽和NaCl溶液中的平均腐蝕速率Fig. 1 Average corrosion rates of N80 steel in saturated NaCl solution at different temperatures for different periods of time

由圖2可見，在飽和NaCl溶液中腐蝕后，N80鋼的腐蝕程度與腐蝕時(shí)間關(guān)系較大。

(a) 50 ℃×0.5月(b) 60 ℃×0.5月(c) 60 ℃×1月 (d) 50 ℃×2月

(e) 60 ℃×2月(f) 70 ℃×4月 (g) 40 ℃×6月 (h) 60 ℃×6月 (i) 70 ℃×6月 圖2 飽和NaCl溶液中的腐蝕掛片試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 2 Experimental images of corrosion coupons in saturated NaCl solution

2.2 腐蝕壽命

飽和NaCl溶液對(duì)N80鋼套管的腐蝕主要為全面腐蝕，但也存在局部腐蝕現(xiàn)象，見圖2。這可能與套管在制造過程中產(chǎn)生的組織缺陷和局部應(yīng)力集中等因素有關(guān)，同時(shí)飽和NaCl溶液中的Cl-具有較強(qiáng)的穿透能力和吸附能力[1-2]，Cl-首先穿透套管的薄弱點(diǎn)，致使套管局部產(chǎn)生腐蝕[3]。

金壇儲(chǔ)氣井運(yùn)行工作壓力為16 MPa，最大深度為1 000 m，生產(chǎn)套管直徑為244.5 mm，壁厚為11.99 mm。根據(jù)API Bul 5C2-1999規(guī)范中的規(guī)定，φ244.5 mm N80鋼套管腐蝕后的剩余壁厚不能小于10.03 mm，故將N80鋼套管壁厚由11.99 mm被腐蝕至10.03 mm所需時(shí)間作為該套管的腐蝕壽命。使用Landmark公司的StressCheck R5000套管三軸壓力設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核，N80鋼套管抗拉安全系數(shù)4.27，抗擠安全系數(shù)1.46，抗內(nèi)壓安全系數(shù)2.25，三軸應(yīng)力系數(shù)為2.80，校核后強(qiáng)度仍能滿足強(qiáng)度安全要求。根據(jù)不同溫度下N80鋼套管的平均腐蝕速率與最大腐蝕速率計(jì)算其腐蝕壽命，結(jié)果見表1。由表1可見，在不同溫度的飽和NaCl溶液中，按平均腐蝕速率和最大腐蝕速率計(jì)算的N80鋼套管的腐蝕壽命都在50 a以上，均滿足鹽穴儲(chǔ)氣井設(shè)計(jì)壽命30 a以上的要求。

2.3 鹽穴儲(chǔ)氣井生產(chǎn)套管選用與防護(hù)建議

由N80鋼套管在飽和NaCl溶液中的平均腐蝕速率和最大腐蝕速率計(jì)算的腐蝕壽命均滿足鹽穴儲(chǔ)氣井設(shè)計(jì)壽命30 a以上的要求，可見飽和NaCl溶液對(duì)N80鋼套管腐蝕壽命的影響很小，可忽略不計(jì)，但飽和NaCl溶液中的Cl-具有較強(qiáng)的穿透能力和吸附能力，易引起N80鋼的局部腐蝕或坑蝕現(xiàn)象[4]，導(dǎo)致套管壽命縮短。建議在鹽穴儲(chǔ)氣井生產(chǎn)套管設(shè)計(jì)時(shí)選用耐蝕性更好的材料，如L80或N80低鉻(3Cr)氣密封套管，并對(duì)生產(chǎn)套管采取腐蝕防護(hù)措施。

表1 掛片腐蝕試驗(yàn)平均腐蝕速率和最大腐蝕速率計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Average corrosion rates and maximum corrosion rates of hanging plate corrosion tests

對(duì)于儲(chǔ)氣井生產(chǎn)套管保護(hù)分內(nèi)、外壁防蝕兩個(gè)方面。

目前，對(duì)于儲(chǔ)氣井套管外壁的防蝕尚無統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。多數(shù)人認(rèn)為固井段有混凝土的緊密包覆，已起到隔絕空氣的作用，可抵御化學(xué)腐蝕的侵襲，生產(chǎn)套管管外水泥漿返到地面，可以不必采取任何防蝕措施。

由于鹽穴儲(chǔ)氣井需要經(jīng)歷建腔時(shí)采鹵和建腔后儲(chǔ)氣注采兩個(gè)階段，因此對(duì)于套管內(nèi)壁防護(hù)需考慮兩個(gè)完全不同的工況。在建腔時(shí)采鹵階段，由于高含量Cl-、SO42-的存在，套管內(nèi)壁極易發(fā)生腐蝕，所以建腔時(shí)采鹵階段套管內(nèi)壁保護(hù)是儲(chǔ)氣井套管保護(hù)的重中之重。建議此階段采用油墊法采鹵，如圖3所示，在生產(chǎn)套管與造腔外管間注入柴油，這樣除了可以保護(hù)生產(chǎn)套管內(nèi)壁防止高含量Cl-、SO42-腐蝕，同時(shí)也可抑制上溶速率，控制溶腔形態(tài)，一舉兩得。在建腔后儲(chǔ)氣注采階級(jí)，套管內(nèi)壁防護(hù)主要與天然氣質(zhì)量有關(guān)。通過長期試驗(yàn)得出以下結(jié)論:濕天然氣中，當(dāng)H2S質(zhì)量濃度不高于6 mg/m3時(shí)，天然氣對(duì)金屬材料無腐蝕作用；當(dāng)H2S質(zhì)量濃度小于20 mg/m3時(shí)，天然氣對(duì)鋼材無明顯腐蝕或這種腐蝕程度在工程可接受范圍內(nèi)。注入儲(chǔ)氣井的天然氣都經(jīng)過脫水除硫處理，因此儲(chǔ)氣注采階段套管內(nèi)壁一般無需進(jìn)行防腐蝕處理。如要進(jìn)行保護(hù)，可采用封隔器+環(huán)空保護(hù)液技術(shù)，如圖4所示，即在注采管柱下使用管外封隔器，在生產(chǎn)套管與注采管柱外注入環(huán)空保護(hù)液對(duì)生產(chǎn)套管實(shí)施保護(hù)。

圖3 油墊法采鹵示意圖Fig. 3 Schematic diagram of oil cushion method

圖4 封隔器+環(huán)空保護(hù)液技術(shù)Fig. 4 Packer+annulus protection fluid technology

3 結(jié)論

(1) 飽和NaCl溶液對(duì)N80鋼套管的腐蝕主要以全面腐蝕為主，對(duì)其腐蝕壽命的影響很小，但飽和NaCl溶液中的Cl-具有較強(qiáng)的穿透能力和吸附能力，易引起N80鋼的局部腐蝕或坑蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致套管壽命縮短。

(2) 為防止局部腐蝕或坑蝕的產(chǎn)生，建議生產(chǎn)套管設(shè)計(jì)時(shí)選用耐蝕性更好的材料，并對(duì)生產(chǎn)套管采取腐蝕防護(hù)措施。對(duì)于儲(chǔ)氣井生產(chǎn)套管保護(hù)，重點(diǎn)在于建腔時(shí)采鹵階段套管內(nèi)壁保護(hù)，可采用油墊法采鹵，通過隔絕鹽鹵與生產(chǎn)套管的接觸來減輕套管腐蝕。

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