徐深氣田含二氧化碳深層氣井防腐技術

摘 要

摘要：松遼盆地徐深氣田所產(chǎn)天然氣普遍含有CO2，氣井具有井深、溫度高、不同井區(qū)CO2含量變化較大等特點，導致氣井CO2腐蝕情況較為復雜，氣井腐蝕非常嚴重。為此，分析了徐深氣田CO2腐
摘要：松遼盆地徐深氣田所產(chǎn)天然氣普遍含有CO2，氣井具有井深、溫度高、不同井區(qū)CO2含量變化較大等特點，導致氣井CO2腐蝕情況較為復雜，氣井腐蝕非常嚴重。為此，分析了徐深氣田CO2腐蝕環(huán)境特點和因素，評價了各種防腐技術在深層氣井中的適用性，開展了4種管材、4種緩蝕劑的優(yōu)選評價，完成了完井管柱設計以及工藝優(yōu)化，確實了合理產(chǎn)能的范圍，為不同類型含CO2深層氣井防腐方案的制訂提供了技術支撐。對類似含CO2腐蝕氣井開發(fā)提供了借鑒。
關鍵詞：松遼盆地；徐深氣田；深層氣井CO2腐蝕；耐蝕合金；緩蝕劑；工藝管柱；防腐
    松遼盆地徐深氣田產(chǎn)出天然氣中普遍含有CO2，其中升平開發(fā)區(qū)CO2體積分數(shù)為2.38%～5.40%，興城開發(fā)區(qū)CO2體積分數(shù)為0.19%～24.55%，已完鉆的幾十口獲工業(yè)氣流的深層氣井中，CO2分壓在嚴重腐蝕界限(0.2MPa)以上的有20口井，占總井數(shù)的40%，油、套管在生產(chǎn)過程中受到嚴重腐蝕損壞，最為典型的是升深2井，通過觀察氣井現(xiàn)場取出的報廢油管，發(fā)現(xiàn)部分油管蝕坑已穿過管壁，連為一體，呈現(xiàn)不規(guī)則的溝槽狀，從腐蝕形貌分析，屬于典型的CO2腐蝕。因此，CO2腐蝕成為制約徐深氣田開發(fā)的主要問題之一。
1 氣井CO2腐蝕環(huán)境特點
1.1 氣井井深，地層溫度高、壓力高，有利于CO2腐蝕的發(fā)生
    徐深氣田氣井較深，最深深度近4500m；地層溫度高，溫度梯度為4.0℃/100m左右，實測最高溫度為169℃。這種井況條件下，有利于CO2腐蝕的發(fā)生，其原因是：①溫度是CO2腐蝕的一個重要影響因素，尤其在60～100℃的中溫區(qū)，由于腐蝕產(chǎn)物膜FeCO3是粗松的結(jié)晶體，因而會出現(xiàn)嚴重的局部腐蝕。而徐深氣田氣井溫度為67～136℃(勘探井最高達到169℃)，包含了嚴重腐蝕的溫度區(qū)域。②由于井深，地層壓力較高，生產(chǎn)井井口壓力多在20MPa以上，即使CO2體積分數(shù)只有1%，其CO2分壓也大于嚴重腐蝕界限的0.2MPa。③目前生產(chǎn)井的產(chǎn)出水多為凝析水，不含凝析油等有助于防腐的成分且產(chǎn)水量不大，在管壁上易形成坑蝕等局部腐蝕。
1.2 不同井區(qū)CO2體積分數(shù)變化較大，單井CO2體積分數(shù)呈動態(tài)變化
    通過統(tǒng)計徐深氣田天然氣中CO2含量，發(fā)現(xiàn)火山巖儲層天然氣中的C02含量在不同井區(qū)變化較大，如徐深1井區(qū)C02體積分數(shù)為0.33%～3.92%，徐深8井區(qū)CO2體積分數(shù)為14.60%～24.55%。與此同時，隨著開發(fā)時間的延長，個別井CO2含量變化逐年增加，例如，對升深2井CO2含量取樣分析，發(fā)現(xiàn)CO2體積分數(shù)從0.6%升到5.5%，導致CO2分壓增高到1.3MPa。
2 CO2防腐工藝研究
    目前，在C02腐蝕環(huán)境下，國內(nèi)外應用較成功的防腐技術主要有5類(見表1)。不同防腐技術的防腐效果、成本、作業(yè)的難易程度和相關風險都有所不同[1～6]。通過對各種防腐技術在徐深氣田深層氣井的適用性分析，發(fā)現(xiàn)13Cr管材和緩蝕劑防腐技術可滿足徐深氣田的防腐需要，因此將上述兩種方案作為備選技術方案，開展了管材優(yōu)選和緩蝕劑優(yōu)選室內(nèi)研究，并選擇了與之配套的完井管柱及合理的產(chǎn)能制度。
表1 防腐技術在徐深氣田深層氣井的適用性分析表
防腐技術
優(yōu)點
缺點
適用性分析
耐蝕合金鋼管材
簡化了緩蝕劑的繁雜添加工藝
基本不需要腐蝕監(jiān)測
在整個生產(chǎn)過程中很可靠且穩(wěn)定
一次性投入很大
與碳鋼管連接時存在電偶腐蝕現(xiàn)象
適合在苛刻的腐蝕環(huán)境下使用
緩蝕劑
可以用于油套管靜態(tài)環(huán)境和油管內(nèi)腐蝕環(huán)境
向腐蝕介質(zhì)中添加少量的緩蝕劑就能使金屬腐蝕速率顯著降低
初期投資少
防止套管外腐蝕效果不好
工藝較復雜，對生產(chǎn)影響較大
適合在腐蝕不苛刻，且產(chǎn)能較低的氣井使用
涂層
具有良好的耐腐蝕性
成本較高。接頭處保護不完善。不耐磕碰
由于不耐磕碰，涂層脫落處腐蝕加速，不宜使用
滲氮技術
管道內(nèi)外表面形成一層厚的十幾微米的氮化層和擴散層
對腐蝕介質(zhì)的侵蝕有很好的防護作用
滲氮層韌性較差，不合適在大應力條件下使用
在H2S環(huán)境中可能會產(chǎn)生微裂紋
由于深層氣井管柱處于大應力環(huán)境，其產(chǎn)生的裂紋處易加速腐蝕，不宜使用
雙層復合管(玻璃鋼內(nèi)襯等)
具有優(yōu)異的耐腐蝕性
有溫度使用范圍
需特殊的接頭連接
玻璃鋼不適應深層氣井的高溫條件，不宜使用
2.1 實驗條件的確定
    根據(jù)徐深氣田4口氣井(徐深1-1、徐深1、徐深5、徐深6井)的水質(zhì)特征，配制了實驗溶液。通過實驗發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，CO2腐蝕速度增加，當達到80℃時，腐蝕速度達最大值；超過80℃后，可能形成的腐蝕產(chǎn)物更加致密，從而導致腐蝕速度逐漸減小；到160℃后，腐蝕速度更小(見圖1)。根據(jù)上述實驗結(jié)果，制定了徐深氣田徐家圍子區(qū)塊腐蝕環(huán)境參數(shù)實驗條件：溫度80℃，CO2分壓2.0MPa。實驗采用了美國Cortest公司生產(chǎn)的動態(tài)高壓釜，流速2.5m/s，經(jīng)過24h、48h和96h動態(tài)實驗，利用失重法計算試片腐蝕速率。
 
2.2 抗CO2腐蝕的管材優(yōu)選
    采用配制的實驗溶液和制定的實驗條件，對N80、J55、P110、13Cr 4種材質(zhì)進行耐蝕性評價，實驗結(jié)果見圖2、3，可得出如下管材防腐性能結(jié)論：
    1) 在苛刻的實驗條件下，碳鋼(N80、J55、P110)的腐蝕速度很大。N80試片表面有腐蝕，腐蝕比較均勻，而J55、P110試片表面嚴重腐蝕，有明顯蝕坑。
    2) 通過實驗后試件分析，13Cr含有Cr元素，耐蝕性較碳鋼材質(zhì)好，實驗后試片光亮，沒用點蝕現(xiàn)象發(fā)生。
3) 從4種材質(zhì)的初步評價結(jié)果來看，耐蝕性順序為：13Cr＞N80＞P110＞J55，優(yōu)選推薦采用13Cr管材。
 
2.3 緩蝕劑的優(yōu)選
    在同樣實驗條件下進行緩蝕劑優(yōu)選實驗。分別選取了4家科研單位研制的4種緩蝕劑，為了改善性能，首先對4種緩蝕劑進行復配改性，形成4種新型緩蝕劑，代號分別為1、2、3、4。然后分別對4種緩蝕劑進行緩蝕效率評價，結(jié)果見表2。實驗時緩蝕劑濃度為100mg/L，時間為24h，實驗溫度為80℃，實驗所用管材均為現(xiàn)場用普通N80管材。
表2 緩蝕劑優(yōu)選評價結(jié)果表
緩蝕劑編號
實驗溫度：80℃
經(jīng)170℃老化處理后
腐蝕速度(mm/s)
緩蝕率(%)
腐蝕速度(mm/s)
緩蝕率(%)
1
0.384
91.7
緩蝕劑分層，有惡臭，未進行實驗
2
0.524
88.7
0.429
90.7
3
0.107
97.7
0.0671
98.6
4
0.176
96.2
0.0843
98.2
空白
 
 
緩蝕速度為4.621mm/a
 
分析實驗結(jié)果，認為3、4號緩蝕劑表現(xiàn)出很好的緩蝕性能，其緩蝕率達96%以上。為滿足徐深氣田井底高溫條件，對緩蝕劑進行耐溫老化實驗(溫度170℃，時間為24h)，實驗結(jié)果表明：除1號緩蝕劑外，其他幾種外觀均未明顯變化；經(jīng)過170℃老化處理，緩蝕劑的緩蝕率有所上升，原因可能是加熱后溶劑揮發(fā)后，緩蝕劑中的有效濃度提高所致。
    對比實驗照片可知，未加緩蝕劑的N80試片腐蝕后有明顯的溝槽腐蝕，這是CO2腐蝕的典型特征，而加入緩蝕劑后，試片表面光亮，基本看不出腐蝕。
2.4 完井工藝管柱優(yōu)選
    優(yōu)選出13Cr管材和緩蝕劑后，根據(jù)徐深氣田氣井的生產(chǎn)特點，對防腐完井管柱進行了優(yōu)選設計：
    1) 對于預期產(chǎn)氣量高、腐蝕條件苛刻、生產(chǎn)周期長的高溫高壓氣井，采用生產(chǎn)封隔器+不銹鋼油管插入的方式完井(圖4)，生產(chǎn)完井管柱組成：油管+坐落接頭+油管+生產(chǎn)封隔器+油管+滑套+伸縮短節(jié)+油管+油管掛+井口裝置。其管柱功能如下：在高壓、高溫生產(chǎn)條件下，保證管柱氣密封；可滿足生產(chǎn)過程中壓井、測試、泡排工藝的需要；保證多年不動管柱，氣井能長期安全生產(chǎn)；保護套管不受CO2氣體腐蝕。
   
    考慮CO2腐蝕影響因素，對井下工具的材質(zhì)及型號進行了優(yōu)選，鋼材選用P110級13Cr不銹鋼，膠筒采用Aflas材料，以滿足耐溫170℃，耐壓50MPa的生產(chǎn)要求。同時在管柱設計中針對不同材質(zhì)相接產(chǎn)生的電偶腐蝕問題，采取環(huán)空加入緩蝕劑，控制電偶腐蝕速率。
    2) 對預期產(chǎn)量較低、腐蝕條件不苛刻、預期使用年限較短的井，則綜合考慮成本，采用國外常用的毛細管注入緩蝕劑(圖5)或國內(nèi)的光油管注入緩蝕劑的方式進行防腐，地面采用泵注方法，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，確定緩蝕劑最佳加入濃度和加入周期等參數(shù)。
 
2.5 合理產(chǎn)能制訂
    在氣田開發(fā)初期，制訂合理產(chǎn)能，對生產(chǎn)過程中的防腐具有重要意義[7～9]。根據(jù)開發(fā)配產(chǎn)的需要，選擇油管尺寸，使管內(nèi)天然氣流速控制在合理范圍內(nèi)，既能避免對腐蝕產(chǎn)物膜產(chǎn)生沖蝕，保護管壁不受CO2進一步腐蝕，同時也能滿足排水采氣的需要，保證氣井正常生產(chǎn)。通過對徐深氣田徐深1井的產(chǎn)能初步預測分析，選擇不同尺寸油管，其沖蝕流量和卸載流量也不相同。以井底流壓20MPa為例，油管內(nèi)徑為50.9mm時，合理的產(chǎn)能范圍應確定在4.60×104～26.9×104m3/d之間；油管內(nèi)徑為62mm時，合理的產(chǎn)能范圍應確定在6.0×104～31.0×104m3/d之間。
3 結(jié)論與認識
    1) 徐深氣田氣井具有井深、溫度高、不同井區(qū)CO2含量變化較大等特點，氣井CO2腐蝕較為復雜，為CO2防腐工藝的制訂提出了新的要求。
    2) 針對徐深氣田的腐蝕環(huán)境，進行了4種管材、4種緩蝕劑評價優(yōu)選，并設計出了3種完井管柱，建立了合理的產(chǎn)能制度，形成了徐深氣田的防腐方案。
    3) 為考察防腐方案的使用效果，需加強腐蝕監(jiān)測技術的研究與應用。定期分析氣井流體組分變化，觀察CO2含量變化趨勢；將井口腐蝕監(jiān)測結(jié)果與井下腐蝕監(jiān)測結(jié)果相結(jié)合，為防腐方案的制訂提供準確參數(shù)。
參考文獻
[1] 金忠臣，楊川東，張守良，等.采氣工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.
[2] 張書平，趙文，張宏福，等.長慶氣田氣井腐蝕因素及防腐對策[J].天然氣工業(yè)，2002，22(6)：112-113.
[3] 楊濤，楊樺，王鳳江，等.含CO2氣井防腐工藝技術[J].天然氣工業(yè)，2007，27(11)：116-118.
[4] GAIR D J，MOULDS T P.Tubular currosion in the west sole gas field[J].SPE Production Engheerhg，1998，3(2)：147-152.
[5] 李章亞.油氣田腐蝕與防護技術手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999.
[6] 黃紅兵.近年來油氣井緩蝕劑發(fā)展的新技術[J].石油與天然氣化工，1998，27(4).
[7] 趙恩遠，何秀清，谷洪文，等.徐深氣田含CO2深層氣井修井方法[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2008，27(5)：97-100.
[8] 董尚富，林玉璽.CO2氣井相態(tài)監(jiān)測技術的應用與分析[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2008，27(1)：83-86.
[9] 紀寶君.氣井水合物防治技術與應用[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2004，23(3)：72-75.
 
(本文作者：艾興波 中國石油大慶油田有限責任公司開發(fā)部)