高腐蝕氣井管柱防腐
 

       文/楊全安·中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院
 

         高腐蝕氣井含有C0₂和/或H₂S腐蝕介質(zhì)，加上高礦化度地層水,腐蝕環(huán)境復(fù)雜。如何實(shí)現(xiàn)管柱經(jīng)濟(jì)有效的防腐,是目前面臨的難題。
 

       天然氣作為一種清潔、高效、優(yōu)質(zhì)能源,在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位越來越重要,2010年國內(nèi)天然氣產(chǎn)量達(dá)到944.8億方，但仍不能完全滿足了國內(nèi)對(duì)天然氣能源的需求,預(yù)測顯示2030～2040年,全球天然氣消耗量將超過石油,成為世界第一大能源。
 

       我國目前發(fā)現(xiàn)的氣田大多為低滲、低產(chǎn)氣田,如長慶靖邊氣田、四川磨溪?dú)馓锖图珠L嶺氣田,單井產(chǎn)量在2×10⁴m³/d左右,受天然氣成烴機(jī)理和沉積構(gòu)造環(huán)境影響,這類氣井均不同程度地含有C0₂和/或H₂S腐蝕介質(zhì),加上高礦化度地層水,腐蝕環(huán)境復(fù)雜。
 

研究意義
 

       隨著生產(chǎn)時(shí)間的延長,我國已開發(fā)和正在開發(fā)的低產(chǎn)、高腐蝕氣井日益增多,以長慶靖邊氣田為例,該氣田位于我國天然氣能源供應(yīng)的中樞位置,是中石油的調(diào)峰氣田和應(yīng)急氣田,于1997年規(guī)模開發(fā),年生產(chǎn)能力55×10⁸m³/a,承擔(dān)著向北京、西安、銀川、呼和浩特等全國10多個(gè)大中城市的供氣任務(wù)。
 

       前期研究發(fā)現(xiàn),部分高腐蝕氣井正常生產(chǎn)時(shí)間遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用壽命,管柱在3～5年即發(fā)生腐蝕穿孔,見圖1,管柱腐蝕會(huì)影響氣井的正常生產(chǎn),帶來高昂的修井費(fèi)用和嚴(yán)重的安全隱患,并且修井后管柱還會(huì)發(fā)生二次腐蝕,導(dǎo)致再次修井,由于單井產(chǎn)量低,這類氣井均面臨著如何實(shí)現(xiàn)管柱經(jīng)濟(jì)有效防腐的難題。
 

技術(shù)現(xiàn)狀
 

       從管材選擇來說,對(duì)于含H₂S的氣井通常采用抗硫管材,對(duì)于含C0₂的高產(chǎn)氣井,如塔里木克拉2^#氣井,可以采用13Cr或超級(jí)13Cr不銹鋼,而對(duì)于同時(shí)含C0₂+H₂S的氣井,需選用雙相不銹鋼甚至鎳基合金,但耐蝕管材價(jià)格高昂,對(duì)于低產(chǎn)氣井不適合。
 

　　圖1高腐蝕氣井油管腐蝕形貌
 

       完井工具配合環(huán)空保護(hù)液方法是國內(nèi)外高產(chǎn)氣井采用較多的防腐措施之一,但此類工具主要為國外產(chǎn)品,價(jià)格高昂,而國內(nèi)產(chǎn)品性能不穩(wěn)定,有效期不能穩(wěn)定,同時(shí)靖邊氣田高腐蝕井均為產(chǎn)水氣井,面臨著生產(chǎn)后期的排水采氣和積液復(fù)產(chǎn)的問題,復(fù)雜的井下管柱不利于后期的生產(chǎn)及復(fù)產(chǎn)。
 

       針對(duì)普通碳鋼不耐腐蝕,麗耐蝕合金管材價(jià)格高的難題,國內(nèi)外油氣田試驗(yàn)玻璃鋼非金屬耐蝕管材,但其剛度較低,在外力作用下,變形較大,不耐沖擊,且靖邊氣田采取冬季注醇生產(chǎn)工藝,易造成玻璃鋼老化失效,也不能采用。
 

       通過加注緩蝕劑來減緩腐蝕是國內(nèi)外最常用的防腐措施之—,也是靖邊氣田主要的防腐措施,但對(duì)于靖邊產(chǎn)水氣井管柱腐蝕速率大于1mm/a的嚴(yán)重局部腐蝕,緩蝕劑的防腐效果并不理想。
 

       針對(duì)這一現(xiàn)狀,長慶油田油氣工藝研究院經(jīng)過5年的研究和試驗(yàn),成功開發(fā)了內(nèi)涂層+外雙金屬復(fù)合噴涂技術(shù),并在國內(nèi)首次應(yīng)用,解決了高腐蝕氣井的經(jīng)濟(jì)性防腐難題,推動(dòng)了行業(yè)科技進(jìn)步,突破了含C0₂+H₂S+Cl^-環(huán)境中必須選擇耐蝕合金的行業(yè)禁錮認(rèn)識(shí),屬重大技術(shù)突破。

應(yīng)用領(lǐng)域
 

       該項(xiàng)目屬于表面處理和防腐技術(shù)領(lǐng)域,表面工程是材料科學(xué)的重要分支之一,通過表面處理可賦予材料表面優(yōu)異的使用性能,如耐磨、耐蝕等性能,防腐蝕表面處理技術(shù)主要包括涂料涂裝技術(shù)、金屬表面轉(zhuǎn)化技術(shù)、電鍍、化學(xué)鍍以及熱噴涂技術(shù)等。
 

       項(xiàng)目研究的基本原則為選擇經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的防腐技術(shù),以較低的防腐成本提高管材的耐蝕性,保證氣井的正常生產(chǎn)。
 

       項(xiàng)目考慮到氣井管柱內(nèi)外腐蝕均存在的特點(diǎn),從材料表面處理工程入手,在腐蝕機(jī)理研究和腐蝕特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)上,確定內(nèi)外防腐措施,其中內(nèi)防腐采用成熟的高溫?zé)Y(jié)涂層,外防腐采用熱噴涂防腐技術(shù)。
 

       針對(duì)苛刻腐蝕環(huán)境中管柱的內(nèi)腐蝕,優(yōu)選環(huán)氧酚醛高溫?zé)Y(jié)型涂層,室內(nèi)開展涂層機(jī)械性能、抗老化性能、耐蝕性能評(píng)價(jià),現(xiàn)場完成了氣井實(shí)物腐蝕評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該涂層力學(xué)性能穩(wěn)定,耐CO₂、H₂S腐蝕性能優(yōu)異,滿足高腐蝕氣井內(nèi)防腐的要求。
 

       熱噴涂防腐技術(shù)研究主要有以下幾方面:
 

       (1)根據(jù)工藝技術(shù)的特點(diǎn)和適應(yīng)性,優(yōu)選噴涂技術(shù),確定了超音速電弧噴涂方式。
 

       (2)根據(jù)靖邊高腐蝕氣井以CO₂腐蝕為主的特點(diǎn),底層噴涂材料選為13Cr,為了避免出現(xiàn)局部損傷形成“大陰極小陽極”而加速腐蝕的情況,設(shè)計(jì)A1面層,形成組合防腐層,確保防腐效果。
 

       (3)開展室內(nèi)噴涂參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究,完成噴涂層的力學(xué)性能(結(jié)合強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度)、物理性能(孔隙率,電阻率等)和耐蝕性能(室內(nèi)高溫高壓、現(xiàn)場實(shí)井掛片試驗(yàn))等綜合研究,明確了噴涂參數(shù)與涂層性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系,得到了最佳的噴涂參數(shù)。

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