0 引 言

    因地下儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)壽命一般在 30 a 以上 ，且注入氣中含有體積分?jǐn)?shù) 2%的 CO 2 ，這就要求儲(chǔ)氣庫(kù)管柱具有較好的耐蝕性，尤其是生產(chǎn)套管和油管。筆者通過(guò)中國(guó)石油 6 座儲(chǔ)氣庫(kù)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在井深、運(yùn)行壓力及注采氣量差異不大且注入氣介質(zhì)相同的情況下，各儲(chǔ)氣庫(kù)套管和油管選用的材質(zhì)差異較大，既有普通碳鋼和抗硫材質(zhì)，又有超級(jí)13Cr 材質(zhì)，主要包括 L80、L80 13Cr、95S、P110、P110 Cr13M 及 P110 Cr13S 等材質(zhì)。

    通過(guò)詳細(xì)分析儲(chǔ)氣庫(kù)井下環(huán)境和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，主要是由于標(biāo)準(zhǔn)的不適用造成了儲(chǔ)氣庫(kù)選材差異。鑒于此，提出儲(chǔ)氣庫(kù)管柱選材應(yīng)考慮低含水工況和材質(zhì)匹配性，同時(shí)進(jìn)行了汽液兩相下高溫高壓腐蝕試驗(yàn)和電化學(xué)試驗(yàn)，獲得了儲(chǔ)氣庫(kù)套管和油管腐蝕選材技術(shù)要求。研究結(jié)果為我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)提供了技術(shù)依據(jù)。

    1 儲(chǔ)氣庫(kù)管柱使用環(huán)境

    調(diào)研國(guó)內(nèi)主要儲(chǔ)氣庫(kù)環(huán)境工況 （見(jiàn)表 1） 發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)氣藏地層水中氯離子的質(zhì)量濃度不超過(guò)10 000 mg/L，水型主要為 NaHCO 3 ，因注入氣中 CO 2 體積分?jǐn)?shù)在 1. 89%～2. 18%之間，CO2 分壓為 0. 50～0. 80 MPa，部分井的 CO 2 分壓高達(dá) 1. 16MPa。此外，儲(chǔ)氣庫(kù)注入的是經(jīng)處理后的干燥氣體，但在采出時(shí)因受氣藏地層水的影響，采出的氣體低含水。

    2 腐蝕選材標(biāo)準(zhǔn)

    油管和套管腐蝕選材的基本標(biāo)準(zhǔn)是 ISO 15156－3 和 GB/T 20972. 2 （ISO 15156－2，MOD） ，但是這些標(biāo)準(zhǔn)的選材著重于含 H 2 S 環(huán)境。依據(jù)腐蝕介質(zhì)的不同，石油管材專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)制定了針對(duì)性的選材標(biāo)準(zhǔn)，具體有 SY/T 6857. 1、Q/SY－TGＲC2、Q/SY－TGＲC3 及 Q/SY－TGＲC18 等標(biāo)準(zhǔn)，尤其是 Q/SY －TGＲC18 標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)含CO 2 環(huán)境選材。

    Q/SY－TGＲC18 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng) 0. 21 MPa＜CO 2分壓＜1. 00 MPa 時(shí)屬于嚴(yán)重腐蝕，應(yīng)選用碳鋼與加注緩蝕劑協(xié)同作用，或者直接選用普通 13Cr 鋼，如 L8013Cr 鋼等； 當(dāng) 1. 00 MPa ＜CO 2 分壓 ＜ 7. 00MPa 時(shí)屬于極嚴(yán)重腐蝕，應(yīng)選用改良型 13Cr 鋼（P110 Cr13M） 或超級(jí) 13Cr 鋼 （P110 Cr13S），或選用普通 13Cr 鋼與加注緩蝕劑協(xié)同作用。

    依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)廠家選材推薦方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，各儲(chǔ)氣庫(kù)確定了選用套管和油管的材質(zhì) （見(jiàn)表 1）。主要是因?yàn)楝F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或方法中CO 2 腐蝕條件均是 100%液體環(huán)境，在建立儲(chǔ)氣庫(kù)時(shí)均是依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)或方法進(jìn)行選擇，造成了注氣介質(zhì)相同而材質(zhì)各異的情況。也就是說(shuō)，對(duì)于枯竭式氣藏，在低含水率的情況下，這種選材方法是否合適還有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

    此外，對(duì)于生產(chǎn)套管上部使用碳鋼管 （如Q125HC），下 部 使 用 耐 蝕 合 金 鋼 管 （ 如 超 級(jí)13Cr），這種材質(zhì)組合在井下環(huán)境是否會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，仍需要用試驗(yàn)評(píng)價(jià)其匹配性。

    3 高溫高壓釜腐蝕試驗(yàn)

    提取表 1 中主要且通用的工況作為試驗(yàn)條件，進(jìn)行汽液兩相條件下動(dòng)態(tài)高溫高壓釜腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)條件： CO 2 分壓 0. 80 MPa，Cl － 質(zhì)量濃度 10 000mg/L，水型 NaHCO 3 ，試驗(yàn)溫度 90 ℃，流速 2m/s，試 驗(yàn) 周 期 168 h。試 驗(yàn) 結(jié) 果 見(jiàn) 表 2 和 表3 。

    分析表 2 和表 3 可知，13Cr 材質(zhì)可較好地適用于 CO 2 汽/液相腐蝕環(huán)境，材料 L80 13Cr 的腐蝕速率與 P110 Cr13M 的腐蝕速率相當(dāng)，均大于材料P110 Cr13S 的腐蝕速率。其他材質(zhì)均能較好地適應(yīng) CO 2 汽相腐蝕環(huán)境，其腐蝕速率均小于 SY/T5329 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的腐蝕速率 （0. 076 mm/a）。

    結(jié)合表 2 和表 3 的試驗(yàn)結(jié)果，考慮儲(chǔ)氣庫(kù)井下環(huán)境和注采氣含水情況，為保證儲(chǔ)氣庫(kù)管柱選材安全、經(jīng)濟(jì)且合理，生產(chǎn)套管和油管的腐蝕選材應(yīng)分別對(duì)待，即按照下述技術(shù)要求選材：

    （1） 生產(chǎn)套管應(yīng)按照 100%液體工況環(huán)境 （現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)） 進(jìn)行液相下動(dòng)態(tài)高溫高壓釜腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)選材；

    （2） 油管應(yīng)按照低含水工況環(huán)境進(jìn)行汽相下動(dòng)態(tài)高溫高壓釜腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)選材。

    4 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

    對(duì)國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)使用的不同鋼級(jí)和材質(zhì) （L80、95S、 P110、 Q125、 11Cr、 L80 13Cr、 P110Cr13M、P110 Cr13S） 的套管及工具等隨機(jī)抽樣，并在 Cl － 質(zhì)量濃度為 10 000 mg/L、常溫、NaHCO 3水型的地層水環(huán)境介質(zhì)中測(cè)定自腐蝕電位，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖 1 所示。

    試驗(yàn)穩(wěn)定后，材質(zhì) Cr13S、L80 13Cr、11Cr、Cr13M、P110、95S、L80 及 Q125 的腐蝕電位分別穩(wěn)定在 －143、－220、－212、－370、－658、－734、－734 及 －736 mV。分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管材的腐蝕電位主要分布在 2 個(gè)區(qū)域，11Cr 和 13Cr 等耐蝕合金管材主要位于高電位區(qū)域，L80 及 P110 等低合金碳鋼管材主要位于低電位區(qū)域，如圖 2 所示。

    為尋找不同材質(zhì)間合適的匹配關(guān)系，選取低電位材質(zhì) P110 鋼級(jí)作為陽(yáng)極，選取高電位材質(zhì) L8013Cr 鋼級(jí)作為陰極，組成電偶對(duì)，在上述地層水介質(zhì)中進(jìn)行電偶電流測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖 3。

    根據(jù)電化學(xué)腐蝕速率計(jì)算方法，依據(jù)圖 3曲線可計(jì)算獲得相應(yīng)的腐蝕速率。為避免材質(zhì)間產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，陽(yáng)極/陰極的面積比必須大于 3，以保證腐蝕速率小于 0. 076 mm/a。

    通過(guò)對(duì) 2 種不同電位區(qū)域的材質(zhì)組成的電偶對(duì)在地層水和環(huán)空保護(hù)液環(huán)境中進(jìn)行多次電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) 2 種材質(zhì)電位差超過(guò) 200 mV 時(shí)需要注意電化學(xué)腐蝕，在材質(zhì)匹配上要求在同一空間內(nèi)，低電位與高電位材質(zhì)的面積比至少要大于 1 ∶ 1，在地層水環(huán)境中面積比要求在 3 ∶ 1 以上，這樣才可能保證腐蝕速率小于 0. 076 mm/a （SY/T 5329標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）。

    因此，在進(jìn)行管柱選材時(shí)，應(yīng)盡可能依據(jù)圖 2在同一電位區(qū)域內(nèi)選擇，若要跨區(qū)域，則需要保證合適的陰極/陽(yáng)極面積比。

    5 結(jié) 論

    （1） 現(xiàn)有腐蝕選材標(biāo)準(zhǔn)或方法均在 100%液體環(huán)境下確定，不完全適用于地下儲(chǔ)氣庫(kù)環(huán)境工況。地下儲(chǔ)氣庫(kù)管柱腐蝕選材應(yīng)考慮低含水工況和不同構(gòu)件材質(zhì)匹配性。

    （2） 室內(nèi)高溫高壓釜 CO 2 腐蝕試驗(yàn)表明： 生產(chǎn)套管和油管的腐蝕選材要求不同，生產(chǎn)套管應(yīng)按100%液體環(huán)境選材，油管應(yīng)按低含水工況選材。

    （3） 通過(guò)系列管材電化學(xué)試驗(yàn)，形成了考慮自腐蝕電位差的管材匹配選用圖版，改變了井下管材任意匹配使用的做法，提出了選用要求，即在同一電位區(qū)域內(nèi)選材，若要跨電位區(qū)域且電位差超過(guò)200 mV，需要保證合適的陰極/陽(yáng)極面積比。

    （4） 低含水工況下高溫高壓釜腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià) +電化學(xué)腐蝕材質(zhì)匹配評(píng)價(jià)組成的生產(chǎn)套管和油管腐蝕選材方法，以及最終獲得的腐蝕選材技術(shù)要求和管材匹配選用圖版，將作為儲(chǔ)氣庫(kù)井管柱選材依據(jù)。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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