鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)氮?dú)庾枞芄苤g壽命預(yù)測(cè)*

萬(wàn)里平 王柏輝 謝萌 胡成 文云飛

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫(kù)分公司)

0 引 言

鹽穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)(以下稱(chēng)“鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)”)是將天然氣儲(chǔ)存在人工融鹽后形成的腔體中的一種地下設(shè)施，其靈活、高效的調(diào)配能力使之得到廣泛使用[1-6]。之前，國(guó)內(nèi)外多以柴油作為阻溶劑，但其成本高、對(duì)環(huán)境污染大，為解決此問(wèn)題，現(xiàn)采用氮?dú)獯娌裼?，作為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔過(guò)程中的阻溶劑[7-11]。在氮?dú)庾枞苓^(guò)程中，引起管柱腐蝕的因素有多方面：①井筒溫度變化[12-13]；②井筒壓力變化[14]；③管柱材質(zhì)不同[15]；④含氧量。被腐蝕后的管柱壁厚將減薄，其承載能力將減小，甚至?xí)l(fā)生管柱斷脫失效、油套管柱擠毀的風(fēng)險(xiǎn)[16-18]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)氧腐蝕的研究已有一定進(jìn)展。厲嘉濱等[18]研究了不同工況下高溫高壓蒸汽對(duì)熱采井管柱的腐蝕，得到控制高溫腐蝕最主要的辦法即是控制含水和氧含量。李曉東[19]研究了注空氣過(guò)程中井下管柱氧腐蝕規(guī)律及防護(hù)，結(jié)果顯示，氧分壓越高，N80油套管柱的腐蝕速率增加越明顯。所以，含氧量是導(dǎo)致井下管柱發(fā)生腐蝕的重要因素。

上述研究均未考慮鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)氮?dú)庾髯枞軇l件下的管柱腐蝕磨損與服役情況，且目前關(guān)于此方面的研究也不多見(jiàn)。鑒于此，筆者選用N80鋼作為試驗(yàn)試樣，針對(duì)不同氮?dú)饧兌葪l件下管柱腐蝕情況進(jìn)行模擬研究，明確N80鋼材的腐蝕規(guī)律，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)井下管柱進(jìn)行服役年限評(píng)估，為后期氮?dú)庾枞芄ぷ鏖_(kāi)展提供數(shù)據(jù)支撐，保障鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)材質(zhì)選行業(yè)常用的N80鋼[20]，從管體材料上取樣，用直讀光譜儀和紅外碳硫分析儀確定樣品的化學(xué)組成及相對(duì)含量，結(jié)果見(jiàn)表1。將金屬試片加工成40 mm×10 mm×3 mm的長(zhǎng)方體，在試片上方鉆一個(gè)直徑為3 mm的小圓孔，用于試片的安裝。試片的安裝采用螺栓連接，固定于釜體旋轉(zhuǎn)桿上部和下部，其中上部為氣相腐蝕，下部為液相腐蝕。

表1 N80油套管柱化學(xué)組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

腐蝕介質(zhì)：模擬地層水+不同純度的氮?dú)?。配? L地層水需要添加的化學(xué)試劑為：297 g NaCl+9.05 g Na2SO4+0.69 g CaCl2+0.02 g MgCl2，配制的地層水礦化度為306 760 mg/L。

清洗液配方：六亞甲基四胺10 g+鹽酸100 mL+加去離子水至1 L。

主要試驗(yàn)設(shè)備為GSH-1/10型強(qiáng)磁力攪拌高溫高壓反應(yīng)釜、JD210-4P型電子天平、YB5002B型電子游標(biāo)卡尺、氧氣瓶、氮?dú)馄恳约?66A型數(shù)顯電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 試驗(yàn)方法

主要試驗(yàn)步驟如下：

(1)分別用180#、320#、600#和1000#金相砂紙將試片逐級(jí)打磨至鏡面，用游標(biāo)卡尺測(cè)量試片的尺寸，測(cè)量3次，取平均值，記錄數(shù)據(jù)。

(2)用浸潤(rùn)無(wú)水乙醇的棉球擦拭試片，吹干后放入干燥器中干燥，用電子天平(精度0.000 1 g)稱(chēng)量至恒重，記錄數(shù)據(jù)。

(3)試驗(yàn)條件下，將試片分別懸掛在氣相和液相腐蝕介質(zhì)中，待腐蝕反應(yīng)5 d(120 h)后取出。

(4)用自來(lái)水沖洗后將其放入清洗液中浸泡3～5 min，再用自來(lái)水沖洗至試片表面光潔，用布條擦干試片。

(5)用浸潤(rùn)無(wú)水乙醇的棉球擦拭試片，吹干后放入干燥器中干燥，用電子天平稱(chēng)量至恒重，記錄數(shù)據(jù)。

(6)根據(jù)試片腐蝕前后質(zhì)量差計(jì)算出年腐蝕速率，計(jì)算式如下：

(1)

式中：va為年腐蝕速率，mm/a；C為換算因子，其值為8.76×104；Δm為試片腐蝕前后的質(zhì)量差，g；ρ為金屬試片的密度，g/cm3；A為金屬試片的表面積，cm2；Δt為腐蝕時(shí)間，h。

(7)每組試驗(yàn)同時(shí)測(cè)試氣相和液相腐蝕速率，且氣相和液相腐蝕試片均為3塊，取3個(gè)腐蝕速率的平均值作為各自的試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 腐蝕速率

液相環(huán)境中(總壓為14 MPa，溫度為40 ℃)，不同氮?dú)饧兌裙r下N80鋼試片的宏觀(guān)腐蝕形貌見(jiàn)圖1。從圖1可以看出：氮?dú)饧兌葹?9.9%、95.0%、90.0%和78.0%時(shí)，試片表面被一層棕紅色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，有部分基體裸露，且氮?dú)饧兌葹?8.0%時(shí)(模擬空氣注入)，試片表面凹凸不平，有明顯的點(diǎn)蝕坑；氮?dú)饧兌葹?9.9%時(shí)，試片表面失去光澤，較平整，無(wú)大面積棕紅色腐蝕產(chǎn)物附著。

圖1 液相環(huán)境不同氮?dú)饧兌认翹80鋼試片的宏觀(guān)腐蝕形貌

氣相環(huán)境中，不同工況下N80鋼試片的宏觀(guān)腐蝕形貌見(jiàn)圖2。由圖2可以看出：各工況下，N80鋼試片在氣相環(huán)境中均為輕度腐蝕；氮?dú)饧兌葹?8.0%時(shí)，試片表面有少許的紅色腐蝕產(chǎn)物；氮?dú)饧兌葹?5.0%和90.0%時(shí)，圓孔周?chē)休p微的點(diǎn)蝕痕跡，但試片表面仍有光澤；氮?dú)饧兌葹?9.9%時(shí)，試片幾乎沒(méi)有腐蝕痕跡。

圖2 氣相環(huán)境不同氮?dú)饧兌认翹80鋼試片的宏觀(guān)腐蝕形貌

不同工況下，液相、氣相環(huán)境中N80鋼試片腐蝕速率的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 氮?dú)饧兌扰cN80鋼試片的液相/氣相腐蝕速率關(guān)系

由圖3可知：試驗(yàn)條件下，試片在氣相環(huán)境中的均勻腐蝕速率均小于液相環(huán)境中的均勻腐蝕速率，且均小于油田腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a；隨著氮?dú)饧兌鹊纳?，氮?dú)庵醒鹾恐饾u降低，氣相腐蝕速率逐漸較小，在氮?dú)饧兌葹?8.0%時(shí)達(dá)到最大值0.017 6 mm/a，故氮?dú)饧兌葘?duì)氣相腐蝕速率影響不大；隨著氮?dú)饧兌鹊纳?，液相腐蝕速率逐漸降低，氮?dú)饧兌仍?8.0%～95.0%范圍內(nèi)，試片的液相腐蝕嚴(yán)重，氮?dú)饧兌葹?9.9%時(shí)其腐蝕速率低于0.076 mm/a。

2.2 腐蝕產(chǎn)物及形貌分析

對(duì)液相腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行SEM形貌分析以及X射線(xiàn)熒光光譜(XRF)、X射線(xiàn)衍射(XRD)表征分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4a和圖4b可以看出，試片表面有大量致密的片狀腐蝕產(chǎn)物堆積。由圖4c和圖4d可知，腐蝕產(chǎn)物中氧元素含量較多，其主要為鐵的氧化物以及少量的鈣鹽。同時(shí)氧氣的分壓為0.7 MPa(氮?dú)饧兌?5.0%，總壓14 MPa)，認(rèn)為該體系腐蝕產(chǎn)物主要是Fe2O3和FeOOH[16]。

圖4 液相環(huán)境95%氮?dú)饧兌认翹80鋼腐蝕產(chǎn)物微觀(guān)分析圖

3 井下管柱安全服役壽命評(píng)估

腐蝕嚴(yán)重影響管柱的承載能力。減小管柱的壁厚，降低其強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度降低至安全值以下時(shí)，發(fā)生管柱斷脫失效及擠毀的風(fēng)險(xiǎn)增加，管柱的安全服役壽命縮短。因此，以模擬工況下的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)井下管柱數(shù)據(jù)，進(jìn)行安全服役壽命評(píng)估。以國(guó)內(nèi)某井為例，其管柱信息如下：外管外徑177.8 mm，標(biāo)稱(chēng)壁厚9.19 mm；內(nèi)管外徑144.3 mm，標(biāo)稱(chēng)壁厚6.88 mm；均為N80鋼，屈服強(qiáng)度552 MPa，內(nèi)壁外側(cè)鹵水密度1.3 g/cm3，內(nèi)管內(nèi)側(cè)清水密度1.0 g/cm3，井深1 100 m，井口最大工作壓力7 MPa。

3.1 剩余強(qiáng)度計(jì)算方法

前述試驗(yàn)中，試片沒(méi)有明顯的局部腐蝕現(xiàn)象，因此采用均勻腐蝕速率數(shù)據(jù)進(jìn)行腐蝕壽命預(yù)測(cè)。參考API 5C3—2018《油套管柱、油管、鉆桿和管線(xiàn)性能的計(jì)算和公式公告》。

3.1.1 剩余抗拉強(qiáng)度

API 5C3標(biāo)準(zhǔn)給出油套管柱在均勻腐蝕的情況下，依據(jù)均勻腐蝕速率計(jì)算其剩余抗拉強(qiáng)度的方法。服役壽命t后的軸向拉力T為：

(2)

管柱應(yīng)滿(mǎn)足的服役條件是材料的屈服強(qiáng)度大于軸向應(yīng)力，即：

(3)

所以管柱的剩余抗拉強(qiáng)度為：

(4)

式中：T為管柱軸向抗拉強(qiáng)度，kN；t為管柱服役壽命，a；v為管柱腐蝕速率，mm/a；σ為管柱服役壽命t后軸向應(yīng)力，MPa；S為管柱服役壽命t后橫截面積，cm2；R為原始管柱外徑，mm；r0為原始管柱內(nèi)徑，mm；σy為油套管柱屈服強(qiáng)度，MPa。

在整個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)造腔周期內(nèi)，由于重力作用，管柱給自身施加一定的軸向拉力。計(jì)算公式為：

T=ρ1g(L-z)

(5)

式中：ρ1為油管線(xiàn)密度，kg/m；L為油管長(zhǎng)度，m；z為計(jì)算點(diǎn)深度，m。

3.1.2 剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度

根據(jù)API 5C3標(biāo)準(zhǔn)在均勻腐蝕的情況下，通過(guò)均勻腐蝕速率計(jì)算油套管柱剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度。腐蝕時(shí)間t后的油套管柱軸向應(yīng)力為：

(6)

當(dāng)油套管柱的軸向應(yīng)力大于其屈服強(qiáng)度σy時(shí)，油套管柱將失效，故油套管柱抗內(nèi)壓強(qiáng)度為：

(7)

式中：δ為服役壽命t后油套管柱名義壁厚，mm；pi為油套管柱受到的內(nèi)壓力，MPa；pbo為油套管柱的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa。

3.1.3 剩余抗擠強(qiáng)度

根據(jù)API 5C3標(biāo)準(zhǔn)，在均勻腐蝕的情況下計(jì)算油套管柱剩余抗擠強(qiáng)度，假設(shè)油套管柱受到的外擠力為po，則其受到的外擠應(yīng)力為：

(8)

式中：δo為油管管柱原始壁厚，mm；σ′為油套管柱受到的外擠應(yīng)力，MPa。

均勻腐蝕情況下，依據(jù)均勻腐蝕速率計(jì)算。油套管柱服役壽命t后其壁厚為δ=δo-vt。當(dāng)油套管柱外擠應(yīng)力大于或等于材料屈服強(qiáng)度時(shí)，其抗擠強(qiáng)度為：

(9)

式中：pco為油套管柱抗擠強(qiáng)度，MPa。

3.2 管柱腐蝕壽命預(yù)測(cè)

3.2.1 考慮剩余抗拉安全系數(shù)的壽命評(píng)估

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)溫度和壓力相同，氮?dú)饧兌炔煌瑫r(shí)，N80鋼試片的腐蝕速率不同。當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌仍龃?，氧濃度逐漸降低時(shí)，試片的腐蝕速率逐漸減小。通過(guò)對(duì)管柱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出不同工況下的剩余抗拉強(qiáng)度及安全系數(shù)，并得出考慮剩余抗拉安全系數(shù)與服役壽命之間的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。

圖5 內(nèi)管抗拉安全系數(shù)隨服役壽命的變化關(guān)系

由圖5可知：抗拉安全系數(shù)隨著服役壽命的延長(zhǎng)而降低；注氮?dú)饧兌仍礁撸瑒t管柱抗拉安全系數(shù)隨服役壽命的延長(zhǎng)而降低，下降趨勢(shì)越緩慢，油套管柱的安全服役壽命越長(zhǎng)。

3.2.2 考慮剩余抗內(nèi)壓安全系數(shù)的壽命評(píng)估

依據(jù)水的注入方式及水在鹽穴腔體內(nèi)流動(dòng)方向的不同，又可將造腔過(guò)程分為正循環(huán)造腔和反循環(huán)造腔，見(jiàn)圖6。正循環(huán)造腔是指從中心管注入淡水，水由腔體底部向上流動(dòng)，鹵水經(jīng)中間管排出腔體；反循環(huán)造腔是指從中間管注入淡水，水由腔體頂部向下流動(dòng)，鹵水經(jīng)中心管排出腔體。

圖6 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)氮?dú)庾枞茉烨徽?、反循環(huán)圖

正循環(huán)造腔時(shí)，內(nèi)管只考慮抗內(nèi)壓強(qiáng)度，外管也受到內(nèi)壓強(qiáng)度作用，通過(guò)對(duì)管柱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出不同工況下的剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度及安全系數(shù)，并分別得出抗內(nèi)壓安全系數(shù)與服役壽命之間的關(guān)系，結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，內(nèi)管和外管的抗內(nèi)壓安全系數(shù)均隨服役壽命的延長(zhǎng)而降低；注氮?dú)饧兌仍礁撸湎陆第厔?shì)越緩慢。

圖7 正循環(huán)內(nèi)管抗內(nèi)壓安全系數(shù)隨服役壽命的變化關(guān)系

圖8 正循環(huán)外管抗內(nèi)壓安全系數(shù)隨服役壽命的變化關(guān)系

反循環(huán)造腔時(shí)，外管因與油套管柱固井，不考慮其抗擠強(qiáng)度，只考慮外管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知：外管抗內(nèi)壓安全系數(shù)隨著服役壽命的延長(zhǎng)而降低；提高注入氮?dú)獾募兌?，外管抗?nèi)壓安全系數(shù)隨服役壽命的延長(zhǎng)而下降的趨勢(shì)減緩。

圖9 反循環(huán)外管抗內(nèi)壓安全系數(shù)隨服役壽命的變化關(guān)系

3.2.3 考慮剩余抗擠安全系數(shù)的壽命評(píng)估

反循環(huán)造腔時(shí)，內(nèi)管只考慮抗擠強(qiáng)度，并計(jì)算出不同工況下，內(nèi)管的剩余抗擠強(qiáng)度及安全系數(shù)，得出抗擠安全系數(shù)與服役年限之間的關(guān)系，如圖10所示。由圖10可知：反循環(huán)工況下內(nèi)管的抗擠安全系數(shù)數(shù)隨服役壽命的延長(zhǎng)而降低；注氮?dú)饧兌仍黾雍?，其下降趨?shì)減緩。

圖10 反循環(huán)內(nèi)管抗擠安全系數(shù)隨服役壽命的變化關(guān)系

3.2.4 不同工況下內(nèi)、外管腐蝕壽命對(duì)比

不同工況下，考慮抗拉、抗內(nèi)壓和抗擠安全系數(shù)的內(nèi)管服役壽命如圖11所示。

圖11 不同工況下內(nèi)管服役壽命

綜合考慮內(nèi)管抗拉安全系數(shù)、抗內(nèi)壓安全系數(shù)和抗擠安全系數(shù)的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果：①當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌葹?8.0%時(shí)，內(nèi)管在3種工況下的服役壽命均不足5 a，隨著注氮?dú)饧兌鹊脑龃?，服役壽命均逐漸延長(zhǎng)；②考慮抗擠安全系數(shù)的預(yù)測(cè)壽命略短于考慮抗拉安全系數(shù)的預(yù)測(cè)壽命和考慮抗內(nèi)壓安全系數(shù)的預(yù)測(cè)壽命，內(nèi)管此時(shí)可能會(huì)先發(fā)生破裂；③當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌仍龃蟮?9.9%時(shí)，3種工況下內(nèi)管的安全服役壽命均超過(guò)28 a(僅考慮均勻腐蝕)。

不同工況下考慮抗內(nèi)壓安全系數(shù)，外管正、反循環(huán)服役壽命如圖12所示。

圖12 不同工況下外管服役壽命

綜合考慮基于正循環(huán)和反循環(huán)的抗內(nèi)壓安全系數(shù)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果：①當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌葹?8.0%時(shí)，外管在正循環(huán)和反循環(huán)作業(yè)時(shí)的服役壽命均不足7 a，隨著注氮?dú)饧兌鹊脑龃螅蹓勖饾u延長(zhǎng)；②反循環(huán)時(shí)外管的預(yù)測(cè)壽命略短于正循環(huán)時(shí)的預(yù)測(cè)壽命，反循環(huán)時(shí)外管可能會(huì)先發(fā)生破裂；③當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌仍龃蟮?9.9%時(shí)，正、反循環(huán)作業(yè)下外管的安全服役壽命均超過(guò)30 a(僅考慮均勻腐蝕)。

4 結(jié)論與建議

(1)在總壓為14 MPa，溫度為40 ℃工況時(shí)，不同氮?dú)饧兌葪l件下，隨著氮?dú)饧兌鹊脑黾?，液相腐蝕速率逐漸降低，氮?dú)饧兌仍?8.0%～95.0%范圍內(nèi)時(shí)，N80鋼的液相腐蝕嚴(yán)重，應(yīng)注意管材的防腐；液氮環(huán)境中(氮?dú)饧兌葹?9.9%)，N80鋼的液相腐蝕速率低于0.076 mm/a，可不考慮管材的腐蝕影響；試驗(yàn)條件下，N80鋼在氣相環(huán)境中的均勻腐蝕速率均小于液相環(huán)境中的均勻腐蝕速率，且均小于油田腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。其腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3和FeOOH。

(2)外管的安全服役年限較內(nèi)管長(zhǎng)，在78.0%氮?dú)饧兌裙r下，內(nèi)管考慮抗拉、抗內(nèi)壓和抗擠安全系數(shù)的服役壽命均不足5 a，外管考慮抗內(nèi)壓安全系數(shù)的服役壽命在6.5 a以上；隨著氮?dú)饧兌鹊脑黾樱瑑?nèi)管和外管在不同工況下的服役壽命均逐漸延長(zhǎng)。

(3)在現(xiàn)場(chǎng)氮?dú)庾枞茉烨贿^(guò)程中，99.9%、95.0%、90.0%和78.0%的氮?dú)饧兌染蓾M(mǎn)足3 a造腔周期的管柱強(qiáng)度；5 a造腔周期下，當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌葹?8.0%時(shí)，其抗拉、抗內(nèi)壓及抗擠安全系數(shù)均小于其閾值1.6、1.2、1.2，管柱易發(fā)生安全隱患。故建議選用90.0%的氮?dú)饧兌茸鳛? a造腔周期的氮?dú)饧兌认孪蕖?/p>