高腐蚀气井管柱防腐
文/杨全安·中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院
高腐蚀气井含有C02和/或H2S腐蚀介质，加上高矿化度地层水,腐蚀环境复杂。如何实现管柱经济有效的防腐,是目前面临的难题。
天然气作为一种清洁、高效、优质能源,在我国能源结构中的地位越来越重要,2010年国内天然气产量达到944.8亿方，但仍不能完全满足了国内对天然气能源的需求,预测显示2030～2040年,全球天然气消耗量将超过石油,成为世界第一大能源。
我国目前发现的气田大多为低渗、低产气田,如长庆靖边气田、四川磨溪气田和吉林长岭气田,单井产量在2×104m3/d左右,受天然气成烃机理和沉积构造环境影响,这类气井均不同程度地含有C02和/或H2S腐蚀介质,加上高矿化度地层水,腐蚀环境复杂。
研究意义
随着生产时间的延长,我国已开发和正在开发的低产、高腐蚀气井日益增多,以长庆靖边气田为例,该气田位于我国天然气能源供应的中枢位置,是中石油的调峰气田和应急气田,于1997年规模开发,年生产能力55×108m3/a,承担着向北京、西安、银川、呼和浩特等全国10多个大中城市的供气任务。
前期研究发现,部分高腐蚀气井正常生产时间远低于设计使用寿命,管柱在3～5年即发生腐蚀穿孔,见图1,管柱腐蚀会影响气井的正常生产,带来高昂的修井费用和严重的安全隐患,并且修井后管柱还会发生二次腐蚀,导致再次修井,由于单井产量低,这类气井均面临着如何实现管柱经济有效防腐的难题。
技术现状
从管材选择来说,对于含H2S的气井通常采用抗硫管材,对于含C02的高产气井,如塔里木克拉2#气井,可以采用13Cr或超级13Cr不锈钢,而对于同时含C02+H2S的气井,需选用双相不锈钢甚至镍基合金,但耐蚀管材价格高昂,对于低产气井不适合。
图1高腐蚀气井油管腐蚀形貌
完井工具配合环空保护液方法是国内外高产气井采用较多的防腐措施之一,但此类工具主要为国外产品,价格高昂,而国内产品性能不稳定,有效期不能稳定,同时靖边气田高腐蚀井均为产水气井,面临着生产后期的排水采气和积液复产的问题,复杂的井下管柱不利于后期的生产及复产。
针对普通碳钢不耐腐蚀,丽耐蚀合金管材价格高的难题,国内外油气田试验玻璃钢非金属耐蚀管材,但其刚度较低,在外力作用下,变形较大,不耐冲击,且靖边气田采取冬季注醇生产工艺,易造成玻璃钢老化失效,也不能采用。
通过加注缓蚀剂来减缓腐蚀是国内外最常用的防腐措施之—,也是靖边气田主要的防腐措施,但对于靖边产水气井管柱腐蚀速率大于1mm/a的严重局部腐蚀,缓蚀剂的防腐效果并不理想。
针对这一现状,长庆油田油气工艺研究院经过5年的研究和试验,成功开发了内涂层+外双金属复合喷涂技术,并在国内首次应用,解决了高腐蚀气井的经济性防腐难题,推动了行业科技进步,突破了含C02+H2S+Cl-环境中必须选择耐蚀合金的行业禁锢认识,属重大技术突破。
应用领域
该项目属于表面处理和防腐技术领域,表面工程是材料科学的重要分支之一,通过表面处理可赋予材料表面优异的使用性能,如耐磨、耐蚀等性能,防腐蚀表面处理技术主要包括涂料涂装技术、金属表面转化技术、电镀、化学镀以及热喷涂技术等。
项目研究的基本原则为选择经济、实用的防腐技术,以较低的防腐成本提高管材的耐蚀性,保证气井的正常生产。
项目考虑到气井管柱内外腐蚀均存在的特点,从材料表面处理工程入手,在腐蚀机理研究和腐蚀特点的认识上,确定内外防腐措施,其中内防腐采用成熟的高温烧结涂层,外防腐采用热喷涂防腐技术。
针对苛刻腐蚀环境中管柱的内腐蚀,优选环氧酚醛高温烧结型涂层,室内开展涂层机械性能、抗老化性能、耐蚀性能评价,现场完成了气井实物腐蚀评价。试验结果表明,该涂层力学性能稳定,耐CO2、H2S腐蚀性能优异,满足高腐蚀气井内防腐的要求。
热喷涂防腐技术研究主要有以下几方面:
(1)根据工艺技术的特点和适应性,优选喷涂技术,确定了超音速电弧喷涂方式。
(2)根据靖边高腐蚀气井以CO2腐蚀为主的特点,底层喷涂材料选为13Cr,为了避免出现局部损伤形成“大阴极小阳极”而加速腐蚀的情况,设计A1面层,形成组合防腐层,确保防腐效果。
(3)开展室内喷涂参数优化试验研究,完成喷涂层的力学性能(结合强度、抗拉强度和剪切强度)、物理性能(孔隙率,电阻率等)和耐蚀性能(室内高温高压、现场实井挂片试验)等综合研究,明确了喷涂参数与涂层性能的对应关系,得到了最佳的喷涂参数。
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