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酸性油氣田開發(fā)中管柱選材思路的創(chuàng)新論文
酸性油氣田開發(fā)中,管柱的腐蝕情況受井下溫度、壓力、地層水礦化度、H2S分壓、CO2分壓等多種因素影響,通常選用耐腐蝕的抗硫管材,而抗硫管材價(jià)格貴,換油管成本高,影響酸性氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外在生產(chǎn)中,基于對(duì)氣田經(jīng)濟(jì)效益的預(yù)測(cè),根據(jù)相關(guān)的防腐選材標(biāo)準(zhǔn),模擬井下的腐蝕環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn),優(yōu)選管柱材質(zhì),達(dá)到降低成本,安全生產(chǎn)的目標(biāo)。
一、防腐管材選擇標(biāo)準(zhǔn)
高含硫氣井油管材質(zhì)選擇,通常根據(jù)美國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)制定的NACE MR-01-75標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選材。NACE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法TM0177-964標(biāo)準(zhǔn)化了四種靜載荷硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)方法(金屬在H2S環(huán)境下抗應(yīng)力開裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn))。四種試驗(yàn)方法包括:方法A—NACE標(biāo)準(zhǔn)(軸向)拉伸試驗(yàn);方法B—NACE標(biāo)準(zhǔn)(三點(diǎn))彎梁試驗(yàn);方法C—NACE標(biāo)準(zhǔn)C形環(huán)試驗(yàn);方法D—NACE標(biāo)準(zhǔn)雙懸臂梁試驗(yàn)。
《危險(xiǎn)酸性油氣井完井和作業(yè)的工業(yè)推薦作法(COMPLETING AND SERVICING CRITICAL SOUR WELLS INDUSTRY RECOMMENDED PRACTICE)》,以下簡(jiǎn)稱《IRP2006》),是由加拿大鉆完井協(xié)會(huì)、加拿大油氣井防噴修井委員會(huì)、加拿大石油協(xié)會(huì),加拿大石油服務(wù)協(xié)會(huì)等相關(guān)機(jī)構(gòu)推薦,目的是通過(guò)提供酸性氣井的完井與作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)危險(xiǎn)酸性井的安全完井、作業(yè)。
IRP2006》要求任何溫度下的酸性環(huán)境,不同鋼級(jí)管材必須進(jìn)行試驗(yàn),包括J55(無(wú)縫型或者電阻焊接);K55套管(作為油管使用,無(wú)縫型或者電阻焊接);L80 1型(無(wú)縫型或者電阻焊接);C90 1型(無(wú)縫型);T95 1型(無(wú)縫型)。如果選用這幾種管材在酸氣環(huán)境下使用,必須進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn):拉伸試驗(yàn)淬硬性試驗(yàn)(L801型;硬度試驗(yàn)(J55/K55-22.0 HRC,L801型-23.0HRC C901型-25.4HRCT951型-25.4 HRC);晶粒尺寸試驗(yàn)(L801型);液壓試驗(yàn)(額定最小屈服強(qiáng)度的情況下承壓達(dá)到69MPa); 硫化物應(yīng)力開裂(SSC)試驗(yàn);氫致開裂試驗(yàn)(J55和K55 ) 。硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)方法參考NACE標(biāo)準(zhǔn)。危險(xiǎn)酸性井的井下維修和完井工具推薦用材質(zhì)如表1所示。
2.防腐管材選擇思路實(shí)例——蘇門答臘中南部Lematang區(qū)塊Singa氣田
蘇門答臘中南部Lematang區(qū)塊預(yù)計(jì)總儲(chǔ)量9.3×104億立方米,預(yù)期生產(chǎn)壽命10年。以前的作業(yè)人員采用22Cr管柱材料和含13Cr材料做配件對(duì)最初的兩口井完井。然而,材料老化問(wèn)題造成了許多作業(yè)難題。第二口井2003年完井,采用22Cr管材完井,包括封隔器和安全閥。經(jīng)過(guò)1年的生產(chǎn),環(huán)空壓力開始增加,完井設(shè)備的密封性失效。
Singa氣田每口井目標(biāo)產(chǎn)氣85×104m3,生產(chǎn)周期為10年。因此,Singa氣田需要耐腐蝕合金(CRA)材料,這種材料必需符合條件并在經(jīng)濟(jì)可行的方式下保持密封10年。然而,對(duì)于Singa氣井的設(shè)計(jì),22Cr材料的經(jīng)濟(jì)預(yù)算已超支,必須合理地選材,降低資金和成本,且完井設(shè)備必須持久耐用。除了已經(jīng)使用的22Cr管柱,備選的管柱材質(zhì)還包括13Cr-HP2型和15Cr-UHP。
早期的腐蝕測(cè)試表明在24.1mPa下,22Cr的腐蝕率為0.11mpy,而13Cr腐蝕率為26.37mpy。這說(shuō)明22Cr的性能優(yōu)于13Cr,但它的成本比13Cr要高兩到三倍。因此,項(xiàng)目組更注重于去確定一種腐蝕率比13Cr好且成本比22Cr低的材料。同時(shí),要注重材料的屈服強(qiáng)度。Singa氣田的壓力高(井底壓力72.4mPa),根據(jù)化學(xué)成分和屈服強(qiáng)度,在Singa氣田腐蝕性環(huán)境下,對(duì)13Cr-HP2和15Cr-UHP進(jìn)行了測(cè)試。針對(duì)井筒下部開展了CO2通用腐蝕試驗(yàn)。測(cè)試中用到的參數(shù)為井底壓力72.4MPa,CO2分壓為23.2MPa,測(cè)試溫度208℃,在高壓釜內(nèi)進(jìn)行為期兩周的測(cè)試。確定了CO2作用產(chǎn)生的腐蝕速率。
對(duì)于SSC測(cè)試,運(yùn)用NACE測(cè)試方法C中100%的屈服強(qiáng)度對(duì)樣本進(jìn)行測(cè)試�？紤]到井筒上部油管,所以以測(cè)試溫度為環(huán)境溫度。隨著溫度的升高,SSC影響可能會(huì)減小并被氫脆替代。H2S分壓采用7.24kPa,為了穩(wěn)定pH值,注入CO2,使溶液PH值穩(wěn)定在3(CO2 6.0MPa)。測(cè)試期為1個(gè)月或連續(xù)測(cè)試的720小時(shí)。此次測(cè)試用于確定當(dāng)向C形環(huán)狀樣品施加應(yīng)力時(shí),是否會(huì)發(fā)生由SSC導(dǎo)致的開裂。
根據(jù)腐蝕試驗(yàn),15Cr-UHP的平均腐蝕速率為6.5mpy,在Singa氣田10多年的生產(chǎn)中為人們所接受。對(duì)于Singa氣田的環(huán)境,含100ppm的H2S,兩種材料都符合要求。 13Cr-HP2材質(zhì)表現(xiàn)出明顯的腐蝕,腐蝕速率為25.5 mpy。15Cr沒(méi)有點(diǎn)蝕,平均腐蝕速率為6.5 mpy。基于這個(gè)CO2測(cè)試結(jié)果,15Cr-UHP2對(duì)于Singa氣田是可以接受的。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩種材質(zhì)在SSC測(cè)試中可以接受。沒(méi)有出現(xiàn)由于H2S形成的明顯開裂。試驗(yàn)方法C表明,15Cr-UHP和13Cr-HP2樣品均沒(méi)有應(yīng)力腐蝕開裂。表明這兩種材料可以承受含有100ppmH2S的Singa氣田環(huán)境。站在成本的立場(chǎng)來(lái)看,15Cr -UHP比22Cr經(jīng)濟(jì)很多。
二、結(jié)論
酸性油氣田開發(fā)過(guò)程中,選用的管柱材質(zhì)要求在目標(biāo)產(chǎn)量下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期密封,在井的生產(chǎn)期內(nèi)必須有效地運(yùn)作。首先制定開發(fā)方案,合理預(yù)測(cè)生產(chǎn)目標(biāo)。再根據(jù)流體性質(zhì)、含量及井下環(huán)境,按照選材標(biāo)準(zhǔn)模擬井下實(shí)際環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示的管材性能,優(yōu)選管柱材質(zhì)。采用該思路選材,能夠盡可能的減小開發(fā)成本,進(jìn)一步提高油氣田開發(fā)效益。
參考文獻(xiàn)
[1] Material and Completion Equipment Selection for HPHT Sour Gas Field,SPE 136163.
[2] 徐興權(quán),姜建平,趙勝蘭. 建南酸性氣藏完井生產(chǎn)技術(shù)探討,科技創(chuàng)業(yè),2010.6:152-154.
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