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，加上高礦化度地層水,腐蝕環境復雜。如何實現管柱經濟有效的防腐,是目前面臨的難題。
 

       天然氣作為一種清潔、高效、優質能源,在我國能源結構中的地位越來越重要,2010年國內天然氣產量達到944.8億方，但仍不能完全滿足了國內對天然氣能源的需求,預測顯示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。
 

       我國目前發現的氣田大多為低滲、低產氣田,如長慶靖邊氣田、四川磨溪氣田和吉林長嶺氣田,單井產量在2×10⁴m³/d左右,受天然氣成烴機理和沉積構造環境影響,這類氣井均不同程度地含有C0₂和/或H₂S腐蝕介質,加上高礦化度地層水,腐蝕環境復雜。
 

研究意義
 

       隨著生產時間的延長,我國已開發和正在開發的低產、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的中樞位置,是中石油的調峰氣田和應急氣田,于1997年規模開發,年生產能力55×10⁸m³/a,承擔著向北京、西安、銀川、呼和浩特等全國10多個大中城市的供氣任務。
 

       前期研究發現,部分高腐蝕氣井正常生產時間遠低于設計使用壽命,管柱在3～5年即發生腐蝕穿孔,見圖1,管柱腐蝕會影響氣井的正常生產,帶來高昂的修井費用和嚴重的安全隱患,并且修井后管柱還會發生二次腐蝕,導致再次修井,由于單井產量低,這類氣井均面臨著如何實現管柱經濟有效防腐的難題。
 

技術現狀
 

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

　　圖1高腐蝕氣井油管腐蝕形貌
 

       完井工具配合環空保護液方法是國內外高產氣井采用較多的防腐措施之一,但此類工具主要為國外產品,價格高昂,而國內產品性能不穩定,有效期不能穩定,同時靖邊氣田高腐蝕井均為產水氣井,面臨著生產后期的排水采氣和積液復產的問題,復雜的井下管柱不利于后期的生產及復產。
 

       針對普通碳鋼不耐腐蝕,麗耐蝕合金管材價格高的難題,國內外油氣田試驗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,但對于靖邊產水氣井管柱腐蝕速率大于1mm/a的嚴重局部腐蝕,緩蝕劑的防腐效果并不理想。
 

       針對這一現狀,長慶油田油氣工藝研究院經過5年的研究和試驗,成功開發了內涂層+外雙金屬復合噴涂技術,并在國內首次應用,解決了高腐蝕氣井的經濟性防腐難題,推動了行業科技進步,突破了含C0₂+H₂S+Cl^-環境中必須選擇耐蝕合金的行業禁錮認識,屬重大技術突破。

應用領域
 

       該項目屬于表面處理和防腐技術領域,表面工程是材料科學的重要分支之一,通過表面處理可賦予材料表面優異的使用性能,如耐磨、耐蝕等性能,防腐蝕表面處理技術主要包括涂料涂裝技術、金屬表面轉化技術、電鍍、化學鍍以及熱噴涂技術等。
 

       項目研究的基本原則為選擇經濟、實用的防腐技術,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。
 

       項目考慮到氣井管柱內外腐蝕均存在的特點,從材料表面處理工程入手,在腐蝕機理研究和腐蝕特點的認識上,確定內外防腐措施,其中內防腐采用成熟的高溫燒結涂層,外防腐采用熱噴涂防腐技術。
 

       針對苛刻腐蝕環境中管柱的內腐蝕,優選環氧酚醛高溫燒結型涂層,室內開展涂層機械性能、抗老化性能、耐蝕性能評價,現場完成了氣井實物腐蝕評價。試驗結果表明,該涂層力學性能穩定,耐CO₂、H₂S腐蝕性能優異,滿足高腐蝕氣井內防腐的要求。
 

       熱噴涂防腐技術研究主要有以下幾方面:
 

       (1)根據工藝技術的特點和適應性,優選噴涂技術,確定了超音速電弧噴涂方式。
 

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

       (3)開展室內噴涂參數優化試驗研究,完成噴涂層的力學性能(結合強度、抗拉強度和剪切強度)、物理性能(孔隙率,電阻率等)和耐蝕性能(室內高溫高壓、現場實井掛片試驗)等綜合研究,明確了噴涂參數與涂層性能的對應關系,得到了最佳的噴涂參數。

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