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長慶油田低合金耐蝕管材耐蝕性評價及現(xiàn)場應用

2023-02-09 16:37:29 作者：郭鋼，劉廣勝，等來源：腐蝕與防護分享至：

長慶油田現(xiàn)有8000余口侏羅系油井，針對典型侏羅系井下高壓物性測試發(fā)現(xiàn)，CO2含量為2%～6%時，換算成井底CO2分壓為0.15～0.25 MPa，屬于中高腐蝕程度。井筒動液面以下套管普遍存在嚴重內(nèi)腐蝕，自下而上兩段的主要特征有：射孔段以上100～200 m范圍發(fā)生嚴重內(nèi)腐蝕；抽油泵到動液面之間，因混合產(chǎn)出液在花管擾動和泵抽汲等作用下，氣液分離和介質(zhì)交換加劇，游離態(tài)的CO2造成套管腐蝕速率增大。

目前，套管主要防腐蝕措施為環(huán)氧涂層犧牲陽極技術，有效抑制了套管外腐蝕。近年來，侏羅系油井的套損與穩(wěn)產(chǎn)的矛盾逐步凸顯，新增套損井以侏羅系為主（占比83.8%）。油井內(nèi)套管防腐蝕主要采用環(huán)氧酚醛涂層內(nèi)防腐蝕技術，利用改性環(huán)氧酚醛噴涂熱固化涂層隔絕腐蝕性介質(zhì)。單一內(nèi)涂層防腐蝕無法滿足現(xiàn)場需要，需進一步改進防腐蝕措施，研究試驗新型耐蝕管材，并結(jié)合其他防腐蝕等措施，降低套管局部腐蝕速率，控制油田套損率。

本工作介紹了長慶油田低合金耐蝕管材的優(yōu)選及其室內(nèi)高溫高壓性能的評價效果，并在油田現(xiàn)場實現(xiàn)了礦場試驗，以期為重點腐蝕區(qū)內(nèi)防腐蝕技術推廣提供參考，為長慶油田全生命周期防腐蝕提供一條經(jīng)濟可行的技術路徑。

1 低合金耐蝕管材研究

針對環(huán)江、鎮(zhèn)北油井套管嚴重的內(nèi)腐蝕問題，從材料方面提升防腐蝕性能。

1 13Cr不銹鋼

行業(yè)共識Cr加量符合冶金“n/8”定律，Cr質(zhì)量分數(shù)大于12.5%，鋼的電位正移（-400~550 mV），且鋼表面可形成致密的Cr2O3膜層，其耐蝕性發(fā)生質(zhì)變，但成本較高。

2 低Cr鋼

在碳鋼中添加質(zhì)量分數(shù)為1%~5% Cr和微量的Ni、稀土等合金元素，以提升其耐蝕性。

3 3Cr鋼和5Cr鋼

3Cr鋼和5Cr鋼的電化學曲線相似，如圖1所示，表面富集Cr(OH)3膜層；5Cr鋼的耐蝕性較3Cr鋼更好。對某鋼廠生產(chǎn)的13Cr鋼開展了前期評價，結(jié)果表明該材料在侏羅系井中的抗局部腐蝕性能有限，如圖1所示。

圖1 不同管材在侏羅系井中的極化曲線

限制13Cr鋼在長慶油田中應用的主要問題有：5Cr鋼成本較N80鋼提高了60%；而9Cr鋼、13Cr鋼成本較N80鋼更是提高了3~4倍；13Cr鋼在含H2S、酸化措施液等環(huán)境中應用時，需在低溫、高應力段控制硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）風險。

科學院所和鋼管公司的近期論證，研究認識一致，認為5Cr低合金耐蝕管材是有效降低局部腐蝕（50%）且經(jīng)濟的選材方案，如圖2所示。

(a) 國內(nèi)

(b) 國外

圖2 國內(nèi)及國外不同管材的耐蝕性評價

根據(jù)長慶油田室內(nèi)優(yōu)選評價結(jié)果，制得了5Cr低合金耐蝕鋼，其主要化學成分為：0.106%C，0.28%Si，0.412%Mn，0.011%P，0.002%S，5.08%Cr，0.518%Mo，0.059%V，0.015%Al，0.0018%Ce。

2 低合金耐蝕管材性能評價

01 高溫高壓試驗

優(yōu)選三種5Cr低合金耐蝕鋼，完成高溫高壓試驗10組共79樣次。試驗條件：溫度50~70 ℃；Cl?質(zhì)量濃度30~70 g/L；pH為5.5~6.5；PCO2為0.1 MPa；總壓6 MPa。

高溫高壓試驗結(jié)果表明：各因素中溫度對5Cr低合金耐蝕鋼的腐蝕速率影響最大，相同腐蝕條件下，寶鋼和包鋼生產(chǎn)的5Cr低合金耐蝕鋼的腐蝕速率較N80鋼的腐蝕速率低50%以上，5Cr低合金耐蝕鋼的耐局部腐蝕能力明顯優(yōu)于普通碳鋼，如圖3和圖4所示。

圖3 四種耐蝕管材的腐蝕速率隨Cl-含量的變化

(a) N80鋼

(b) 5Cr

圖4 耐蝕管材掛片清洗后的表面微觀形貌

02 熱處理性能

5Cr低合金耐蝕鋼經(jīng)過熱處理后的力學性能良好，屈服強度Rt0.5為615 MPa，抗拉強度Rm為703 MPa，斷后伸長率A為27.5%，沖擊功（0℃）為312.6 J，洛氏硬度為18.0 HRC，布氏硬度為226 HBW。熱處理后的顯微組織如圖5所示，為回火索氏體。

圖5 熱處理后5Cr低合金耐蝕鋼的顯微組織

03 現(xiàn)場掛環(huán)試驗

2019年11月～2020年4月，在鎮(zhèn)北油田開展四口井下的腐蝕掛環(huán)現(xiàn)場評價試驗。掛環(huán)材料為J55鋼和5Cr低合金耐蝕鋼，掛環(huán)位置為泵下200 m、尾管。如下表所示：桐A井中的材料以均勻腐蝕為主，J55鋼的腐蝕速率是5Cr低合金耐蝕鋼的1.72～2.18倍；鎮(zhèn)B井中J55鋼及5Cr低合金耐蝕鋼的腐蝕均較輕微，腐蝕速率均小于0.076 mm/a，材料表面未見明顯腐蝕缺陷。

桐A井掛環(huán)試驗結(jié)果

如圖6~8所示：5Cr低合金耐蝕鋼表面覆蓋有致密的龜裂狀產(chǎn)物膜，其中Cr質(zhì)量分數(shù)達13.31%，是基體Cr含量的2.6倍，說明該材料表面已形成以Cr和Fe的化合物為主的產(chǎn)物膜層，對基體起保護作用；J55鋼表面產(chǎn)物主要為疏松的鐵的化合物，未發(fā)現(xiàn)斷面存在明顯局部腐蝕。

圖6 桐A井掛環(huán)試驗后J55鋼和5Cr低合金耐蝕鋼的表面微觀形貌

圖7 桐A井掛環(huán)試驗后J55鋼和5Cr低合金耐蝕鋼的斷面微觀形貌

(a) J55鋼

(b) 5Cr低合金耐蝕鋼

圖8 桐A井掛環(huán)試驗后5Cr低合金耐蝕鋼和J55鋼表面腐蝕產(chǎn)物的能譜圖

3 現(xiàn)場應用

2020年9-12月在環(huán)江、鎮(zhèn)北重點區(qū)域腐蝕井段開展了十口井實物油管入井試驗。如圖9~10所示：與N80鋼套管相比，低合金耐蝕管材局部腐蝕速率明顯降低（降低約42%），其預測壽命可達10年；N80鋼管體內(nèi)外表面均存在大量點蝕坑，個別試樣外表面存在疑似裂紋。三根油管管體腐蝕產(chǎn)物中均存在FeS，F(xiàn)eCO3，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e2O3，(MgCa)CO3，CrO等物質(zhì)。