高溫高壓高酸性油氣井用尾管頂部封隔器關鍵技術研究

尹慧博，張 瑞，陳武君，李 夯，馬蘭榮

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

世界上大約有三分之一的油氣田中含酸性腐蝕介質，如巴拿馬、加拿大阿爾伯達和伊朗雅達油田等都含有不同程度的H2S氣體[1_2]。我國川東北和塔里木地區(qū)的油氣井也富含H2S和CO2等酸性腐蝕介質[3_4]。其中，川東北地區(qū)尤為突出，元壩氣田的H2S分壓達到了3.4 MPa，CO2分壓接近5.0 MPa，地層溫度超過150 ℃，如此高酸性的環(huán)境會對油管、套管和井下工具造成嚴重的腐蝕破壞[5]。

國內外相繼研制出了適用于不同腐蝕介質環(huán)境的油管和套管，如抗硫套管110SS、抗CO2腐蝕的13Cr不銹鋼套管，以及高防腐的鎳基合金G3油管等[6]。井下工具(主要為完井測試工具)方面，多采用鎳基合金718或鎳基合金925制造生產封隔器等[7_9]；固井工具方面，國內研究較少，只有中國石化石油工程技術研究院針對川東北地區(qū)開發(fā)的需要研制了特種耐腐蝕尾管固井工具，但該工具只能應用于H2S或CO2其中一種介質含量較多的環(huán)境，對于H2S、CO2和Cl-等腐蝕介質含量均較高的高酸性油氣井則并不適用[10]。在這種腐蝕介質種類多且含量均較高的油氣井中，固井工具特別是尾管頂部封隔器的耐溫、耐壓和耐腐蝕性能不足，可能會導致環(huán)空帶壓等問題，繼而影響油氣井的正常生產和井筒壽命。為此，筆者研究了尾管頂部封隔器耐溫、耐壓、耐腐蝕關鍵技術，選擇了合適的金屬、橡膠材料，并系統(tǒng)評價了其相關性能，現(xiàn)場試驗證明其具有良好的性能。

1 技術需求及解決思路

尾管頂部封隔器主要由低合金碳鋼、銅合金等金屬材料和丁腈、氫化丁腈等橡膠材料加工制造而成。在高溫高壓高酸性環(huán)境中，金屬材料很容易發(fā)生均勻腐蝕和點蝕、應力腐蝕開裂、硫化物應力腐蝕、電偶致氫致開裂等破壞[11_12]，橡膠材料則會出現(xiàn)體積膨脹、老化等形式失效[13_14]。這些都會嚴重影響尾管頂部封隔器的整體強度、坐封的可靠性和密封的長效性。因此，有必要分析尾管頂部封隔器的結構和工作原理，并在此基礎上研究高溫高壓高酸性油氣井對該封隔器的特殊需求，從而找出有效的解決辦法。

1.1 尾管頂部封隔器結構及工作原理

尾管頂部封隔器主要由本體、防突機構、膠筒、卡簧套、防退卡簧和啟動剪釘?shù)炔考M成(見圖1)。

圖1 尾管頂部封隔器結構示意Fig.1 Schematic diagram of liner top packer1.鎖緊套；2.啟動剪釘；3.防退卡簧；4.卡簧套；5.膠筒；6.防突機構；7.本體

尾管頂部封隔器的工作原理是在尾管固井施工結束后，機械下壓鎖緊套，剪斷啟動剪釘，脹封膠筒，從而封隔套管環(huán)空，防止發(fā)生環(huán)空氣竄。防突機構隨膠筒一起脹封，提高膠筒的承壓能力；防退卡簧保證坐封的膠筒不會回退失效。

1.2 尾管頂部封隔器的性能需求

在高溫高壓高酸性環(huán)境中工作，常規(guī)尾管頂部封隔器的各部件都面臨失效風險：封隔器本體需要承受下部管串的載荷，在尾管下入過程中可能發(fā)生應力腐蝕斷裂，同時其長期留在井內，長時間的腐蝕可能導致管串強度降低或井筒密封失效；膠筒在高含H2S環(huán)境中會出現(xiàn)老化或性能下降等情況，導致膠筒密封失效，從而出現(xiàn)環(huán)空帶壓等問題；防突機構和剪釘?shù)炔馁|與其他部件不同，存在電偶腐蝕風險，可能導致部件的腐蝕速率急劇增大，從而影響封隔器的可靠性。

尾管頂部封隔器各部件的常用材質在高溫高壓高酸性腐蝕環(huán)境中的失效形式和原因，以及高溫高壓高酸性油氣井對尾管頂部封隔器主要部件的性能需求如表1所示。

表1高溫高壓高酸性環(huán)境對尾管頂部封隔器主要部件的性能需求

Table1PerformancerequirementsonthemaincomponentsoflinertoppackerunderHT/HPandhighacidicenvironment

部件常用材質失效形式失效原因性能需求本體 低碳合金鋼 腐蝕、斷裂 均勻腐蝕、點蝕、 應力腐蝕 抗拉、長期密封防突機構 銅合金 腐蝕失效 均勻腐蝕、電偶腐蝕高延展性膠筒 丁腈/氫化丁腈 老化、密封失效 H2S腐蝕、老化 高壓、長期密封剪釘 銅合金 腐蝕、剪切不準 電偶腐蝕剪切準確防退卡簧 低合金鋼 腐蝕失效 均勻腐蝕、電偶腐蝕 高鎖緊力、防退

由表1可知，對于高溫高壓高酸性油氣井而言，尾管頂部封隔器的本體材料不但需要具有足夠的強度，還需要在高酸性環(huán)境中具有良好的耐均勻腐蝕、點蝕及應力腐蝕開裂的性能；膠筒的橡膠材料需要具有良好的耐溫和耐H2S/CO2腐蝕性能；而防突機構和剪釘?shù)冉饘俨牧喜坏枰獫M足部件本身的性能要求，還需要預防與本體等其他部件間發(fā)生電偶腐蝕。

1.3 關鍵問題及解決思路

上述分析可知，導致常規(guī)尾管頂部封隔器在高溫高壓高酸性油氣井中失效的根源是所用金屬和橡膠材料發(fā)生腐蝕。因此，關鍵是解決腐蝕問題。解決思路是：在不改變尾管頂部封隔器結構的基礎上，選擇出合適的耐溫、耐壓和耐腐蝕材料，并將其作為尾管頂部封隔器的主要或輔助加工材料。

2 金屬材料的選擇與性能評價

根據(jù)文獻[15]給出的選材原則，以及國內外完井測試工具的選材經驗，選擇沉淀硬化鎳基合金718作為高溫高壓高酸性油氣井用尾管頂部封隔器本體的材料。該金屬材料的熱處理狀態(tài)為固溶退火+時效態(tài)，屈服強度為945 MPa，抗拉強度為1 225 MPa，滿足封隔器本體對材料力學性能的要求。雖然文獻[15]給出了鎳基合金718保守的使用邊界條件，即在150 ℃下H2S分壓不大于2.8 MPa，然而國內外部分油氣井的H2S分壓已超過該邊界。為了提高尾管頂部封隔器等工具的現(xiàn)場適應性，選擇在150 ℃、H2S分壓3.5 MPa、CO2分壓3.5 MPa和Cl-質量濃度150 g/L的高酸性腐蝕環(huán)境中評價鎳基合金718的耐均勻腐蝕、點蝕、應力腐蝕開裂等性能。同時，進行鎳基合金與其他常用金屬材料間的電偶腐蝕風險評價，優(yōu)化防突機構等其他部件的選材，從而提高封隔器的整體耐腐蝕性能。

2.1 均勻腐蝕及點蝕試驗

鎳基合金718作為封隔器本體的材料，其耐均勻腐蝕和點蝕的性能直接影響尾管頂部封隔器的使用壽命。采用掛片浸泡(浸泡720 h)試驗評價了該合金的均勻腐蝕和點蝕情況，結果如圖2所示。

由圖2(a)可知，鎳基合金718在高溫高酸性腐蝕環(huán)境中浸泡720 h后，部分區(qū)域仍具有一定的金屬光澤，未發(fā)現(xiàn)點蝕和裂紋。從圖2(b)可以看出，表面加工痕跡仍然存在，未出現(xiàn)明顯的腐蝕產物。采用失重法測得的均勻腐蝕速率僅為0.008 mm/a。分析認為，鎳基合金718的耐均勻腐蝕和點蝕性能良好，能滿足尾管頂部封隔器本體的使用要求。

圖2 鎳基合金718在腐蝕浸泡試驗后的宏觀和微觀形貌Fig.2 The macro and micro-morphologies of 718 nickel-based alloy after immersion test

2.2 應力腐蝕開裂試驗

尾管頂部封隔器本體在應用過程中需要承受拉伸載荷，因此鎳基合金718的應力腐蝕開裂的敏感性至關重要。根據(jù)文獻[16]的要求，采用C環(huán)應力(加載應力為90%的合金屈服強度)腐蝕試驗方法評價了其在高溫高酸性環(huán)境下浸泡720 h的抗應力腐蝕開裂性能，結果如圖3所示。

圖3 鎳基合金718在C環(huán)應力腐蝕試驗后的宏觀和微觀形貌Fig.3 The macro and micro-morphologies of 718 nickel-based alloy after C annulus stress corrosion test

由圖3(a)可知，鎳基合金718的C環(huán)應力腐蝕試樣在上述高酸性腐蝕環(huán)境中浸泡720 h后，合金表面失去了金屬光澤，但未出現(xiàn)點蝕和裂紋。從圖3(b)可以看出，表面加工痕跡仍然存在，且無明顯的腐蝕產物。采用失重法測得的均勻腐蝕速率也僅為0.015 mm/a。據(jù)此分析認為，鎳基合金718在高溫高酸性環(huán)境下的應力腐蝕敏感性較低，滿足使用要求。

2.3 電偶腐蝕風險試驗

為了實現(xiàn)尾管頂部封隔器的功能，不可能所有部件都采用鎳基合金，如防突機構的材料需要具有很好的延展性。但是，不同的材質接觸使用時，在高酸性環(huán)境中可能會產生嚴重的電偶腐蝕，從而使部件的腐蝕速率加快，最終導致其失效?，F(xiàn)有研究表明[17]，當2種金屬的電位差大于50 mV時，就可能出現(xiàn)電偶腐蝕。

圖4所示為4種井下工具常用材料在150 ℃、H2S分壓1.0 MPa、CO2分壓1.5 MPa和Cl-質量濃度200 g/L的高溫高壓高酸性環(huán)境中的開路電位(Eocp)。該試驗采用三電極體系，待測試樣為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，測量時間為600 s，測量儀器為CHI660C電化學工作站。

圖4 4種常用金屬材料在高溫高壓高含H2S/CO2環(huán)境下的開路電位Fig.4 The open-circuit potentials of four common metal materials under HT/HP and high H2S/CO2 corrosive environments

從圖4可以看出，鎳基合金718與銅合金C的開路電位差達到了160 mV，電偶腐蝕效應明顯。因此，應避免銅合金與鎳基合金接觸使用。

為進一步確認低合金鋼A、13Cr不銹鋼B與鎳基合金718電偶腐蝕的程度，分別在高溫高酸性腐蝕環(huán)境下進行了電偶腐蝕速率試驗，結果見表2。

表22種金屬材料與鎳基合金718偶接前后的腐蝕速率

Table2Corrosionratesoftwomaterialsaftercouplingwith718nickel-basedalloy

陽極材料均勻腐蝕速率/(mm·a-1)未偶接偶接后電偶腐蝕速率/(mm·a-1)電偶腐蝕系數(shù),% 低合金鋼A0.1680.2400.07242.85 13Cr不銹鋼B0.0030.0140.011366.70

注：試驗條件為150 ℃、H2S分壓1.0 MPa、CO2分壓1.5 MPa、Cl-質量濃度為200 g/L的溶液。

從表2可以看出，低合金鋼與鎳基合金偶接后的腐蝕速率為0.240 mm/a，而電偶腐蝕速率僅為0.072 mm/a；13Cr不銹鋼的電偶腐蝕系數(shù)雖然較高(即電偶腐蝕效應明顯)，但偶接后的絕對腐蝕速率僅為0.014 mm/a，基本不會影響部件的性能。因此，從成本和性能兩方面考慮，尾管頂部封隔器的防退機構可以選用13Cr不銹鋼代替銅合金，而剪釘、卡簧套和鎖緊套等一次性功能部件可采用低合金鋼。

3 橡膠材料的的選擇與性能評價

在高溫且含H2S、CO2環(huán)境中，橡膠材料的腐蝕主要表現(xiàn)為H2S分子與橡膠分子反應導致高分子鏈斷裂；而CO2分子由于具有較高的溶解能力，能使橡膠溶脹，使H2S分子更容易進入橡膠內部；溫度則主要影響分子的活度，加快以上反應的速度。因此，首先選擇了耐溫性能更好的四丙氟橡膠，同時采用DCP/OVPOSS多點交聯(lián)技術，增加橡膠分子的交聯(lián)點，提高其耐H2S腐蝕性能；并且，在基體中引入了改性的多壁碳納米管，提高對CO2分子的阻隔性能，最終得到了耐H2S/CO2腐蝕的橡膠材料。然后，通過高溫拉伸試驗、耐H2S/CO2腐蝕試驗和膠筒密封性試驗系統(tǒng)評價了該橡膠材料的性能。

3.1 高溫拉伸試驗

分別在室溫，70，100，120，150和177 ℃溫度下對研制的橡膠材料進行了拉伸試驗，得到了不同溫度下的拉伸強度和伸長率，如圖5所示。

從圖5可以看出：隨著溫度升高，該橡膠材料的拉伸強度不斷下降，溫度升至150 ℃時拉伸強度為4 MPa左右，斷裂伸長率為150%；溫度為177 ℃時橡膠的拉伸強度和伸長率進一步降低，但降低幅度明顯趨緩。為進一步驗證用其加工的膠筒的耐溫性能，在150 ℃的導熱油環(huán)境中坐封該封隔器膠筒，憋壓至50 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓降小于0.5 MPa。由此可知，該材料在高溫下的性能能夠滿足尾管頂部封隔器對橡膠材料的要求。

圖5 橡膠材料的高溫拉伸試驗結果Fig.5 Results of tension test of rubber material under high temperature

3.2 耐H2S/CO2腐蝕試驗

將研制的橡膠材料放置在150 ℃、H2S分壓3.5 MPa、CO2分壓3.0 MPa、總壓6.9 MPa環(huán)境中放置7 d，測定其腐蝕前后的性能，結果見表3。

表3 橡膠材料耐H2S/CO2腐蝕試驗結果Table 3 Results of H2S/CO2 corrosion test of rubber material

注：試驗條件為150 ℃、H2S分壓3.5 MPa、CO2分壓3.0 MPa、總壓6.9 MPa、CH4的水溶液。

從表3可以看出，該橡膠材料在高溫高酸性腐蝕環(huán)境中力學性能保持較好，拉伸強度和硬度的保持率(腐蝕后的參數(shù)值除以腐蝕前的參數(shù)值所得結果)均在90%以上；斷裂伸長率僅增加了4%，說明其分子鏈斷裂的量很少。由此可知，該橡膠材料具有良好的耐H2S/CO2腐蝕的性能。

3.3 膠筒密封性試驗

為進一步驗證采用所研制橡膠材料制備的尾管頂部封隔器膠筒在高溫高壓高酸性腐蝕環(huán)境中的氣密封性能，采用如圖6所示的試驗裝置進行了膠筒密封性試驗。將制備好的封隔器膠筒(外徑142.0 mm)放入高溫高壓反應釜內(內徑157.0 mm)，機械下壓坐封套，使封隔器膠筒坐封于反應釜內壁；加熱至150 ℃后，通入H2S、CO2和CH4氣體(H2S分壓3.5 MPa，CO2分壓3.5 MPa，總壓50.0 MPa)，并密封保壓96 h。試驗發(fā)現(xiàn)，氣體滲漏量低于400 mg/m3，且試驗后的膠筒未出現(xiàn)明顯的破壞，表面沒有明顯的起泡。由此可知，所研制橡膠材料制備的尾管頂部封隔器膠筒具有良好的氣密封性能。

圖6 封隔器膠筒氣密封試驗裝置示意Fig.6 Airtight test device schematic diagram of packer element

4 現(xiàn)場試驗

元壩氣田地層富含H2S和CO2等酸性腐蝕氣體，其中H2S含量約為5.1%，CO2含量高達7.5%，地層壓力在66～69 MPa，前期約60%以上的氣井在投產后出現(xiàn)了環(huán)空帶壓等問題。因此，利用上述金屬和橡膠材料加工而成的尾管頂部封隔器選擇在該氣田元壩10_3井進行現(xiàn)場試驗。

元壩10_3井井深6 803.00 m，井底溫度達到146.6 ℃，鉆井液密度高達1.90 kg/L。尾管頂部封隔器下深達到5 850.00 m，該處H2S分壓約為2.5 MPa，CO2分壓約為3.5 MPa，井溫約為120 ℃。尾管頂部封隔器入井40 h后完成固井作業(yè)，隨后順利脹封封隔器，現(xiàn)場試壓12.0 MPa，無壓降，說明該封隔器具有良好的坐封性能和密封性能。該井投產后未出現(xiàn)明顯的環(huán)空帶壓現(xiàn)象，說明該尾管頂部封隔器具有良好的耐溫、耐壓、耐腐蝕性能，能夠滿足高溫高壓高酸性油氣井的需求。

5 結 論

1) 對高溫高壓高酸性油氣井用尾管頂部封隔器進行了需求分析，根據(jù)需求研究了耐溫、耐壓、耐腐蝕關鍵技術，選擇并評價了用以加工制造酸性高溫高壓高環(huán)境用尾管頂部封隔器的金屬和橡膠材料。

2) 鎳基合金718在150 ℃、H2S分壓3.5 MPa、CO2分壓3.5 MPa和Cl-質量濃度150 g/L環(huán)境中具有良好的抗均勻腐蝕、點蝕和應力腐蝕開裂性能，可作為尾管頂部封隔器的主要金屬材料；13Cr不銹鋼和低合金鋼與鎳基合金的電偶腐蝕速率較小，可以作為工具的輔助材料。

3) 改性后的四丙氟橡膠材料在150 ℃、H2S分壓3.5 MPa、CO2分壓3.0 MPa環(huán)境下腐蝕96 h后的力學性能保持率均在90%以上，用其加工的封隔器膠筒在高酸性腐蝕環(huán)境下具有良好的氣密封性能。

4) 利用所研究的關鍵技術加工制造的尾管頂部封隔器，在高溫高壓高酸性油氣井進行了現(xiàn)場試驗，證明其性能可靠，表明其選材合理，也說明該關鍵技術是解決高溫高壓高酸性油氣井環(huán)空帶壓等問題的有效手段。