含硫化氫油氣井完井工藝技術現狀與發(fā)展趨勢

1、    含硫化氫油氣井完井工藝技術現狀與發(fā)展趨勢    張 星 李兆敏 徐林靜 張志宏摘要:系統(tǒng)總結了國內外防硫化氫完井工藝技術,在此基礎上提出防硫化氫設計原則,完善完井工藝設計。根據儲層及流體物性,結合力學、化學及油藏開發(fā)動態(tài),優(yōu)化防硫化氫的完井設計,并進行技術經濟評價,確定最優(yōu)的防硫化氫完井工藝,控制油套管腐蝕,減少油氣井作業(yè),為含硫化氫的油氣田開發(fā)提供科學理論指導,從而降低油氣層損害,提高經濟效益。關鍵詞:油氣井;完井工藝;硫化氫;防腐設計;技術經濟評價中圖分類號:te982文獻標識碼:a前 言h2s腐蝕問題是當今世界石油工業(yè)共有的一大難題,不僅是

2、開發(fā)油氣田的需要,而且也是健康安全環(huán)保的需要1-4。完井是銜接鉆井和采油工程而又相對獨立的工程,是從鉆開油氣層開始,到下套管、注水泥固井、射孔、下生產管柱、排液,直至投產的一項系統(tǒng)工程,在油田開發(fā)中硫化氫防腐貫穿到每一個環(huán)節(jié)。目前國內外對co2腐蝕研究較多,但實際生產中,h2s與co2多種腐蝕介質共存,尤其是深井與超深井的出現,迫切需要對含硫化氫油氣井完井工藝進行研究,優(yōu)化完井工藝,提高油氣井的產能,減少作業(yè)。1 國內外防硫化氫完井工藝現狀國內外在解決含硫化氫油氣井完井設計時,首先考慮生產安全和油套管腐蝕。影響含硫化氫油氣田腐蝕的因素較多,因而防硫化氫完井措施也多種多樣,主要有選擇耐腐蝕材質、

3、涂層防腐、電化學方法防腐和緩蝕劑保護技術。1.1 選擇耐腐蝕材質井下管柱、井下工具以及井口裝置,是油井生產的關鍵設備,若出現腐蝕破壞會危害油井安全生產,不同腐蝕介質對不同材質的腐蝕程度存在很大差異,為了延長設備的使用壽命,保證生產和作業(yè)安全,節(jié)約成本,需要合理選擇材質。其選擇程序如下:根據地層流體的特性,分析設備的工作環(huán)境和腐蝕環(huán)境,預測可能發(fā)生的腐蝕類型和嚴重程度以及各腐蝕的相互關系,確定不同時期最主要和最嚴重的腐蝕類型。對于含硫化氫的油氣井,主要是防止氫脆和硫化物應力腐蝕破裂;對選定的材質進行評價試驗;進行技術和經濟綜合分析,確定最佳材質。目前含硫化氫油氣田大量采用碳素鋼和低合金鋼5-9,

4、這樣比較經濟合理,不同成分低合金鋼抗硫性能不同,國際上公認的準則(hrc)值應低于22,而高合金鋼則不受此限制,其硬度可以超過22。強度和硬度愈高,對硫化物應力腐蝕破裂(ssc)愈敏感。井口裝置、井下工具及完井工具配套設備的材質選用抗硫材質,如使用35crmo、13cr、aisi4140(18-22cr)等或合金鋼;油套管可選用防硫或既抗h2s又抗co2腐蝕的管材或內襯油管,在管柱結構上,為保證井口安全、減緩套管、油管的腐蝕,一般多采用了封隔器完井。井下油管柱包括入井工具的連接,絲扣宜采用金屬對金屬密封扣,如fox 、3sb等氣密封性較好的特殊密封扣,以保證氣密封性;根據安全開采期投資收益的高

5、低選擇適當的抗硫管材。根據油井腐蝕環(huán)境,確定合適的管材。對于深井10-13含有硫化氫、二氧化碳以及高礦化度的地層水等腐蝕介質,應根據流體物性按照相關標準選擇適當油管,管柱既要有一定的安全系數,又要滿足抗腐蝕要求,對于硫化氫在選材中主要考慮硫化物應力腐蝕開裂,選擇高強度抗硫合金,提高油管的抗硫化氫腐蝕性,既滿足抗拉強度,又滿足抗硫的需要。如日本住友sm系列、川崎ko系列、新日鐵nt系列和國產tp80110ss等油套管,可以較好地解決含硫酸性氣田的安全開發(fā)問題。1.2 涂層防腐合理使用涂層在油氣田的腐蝕控制中占重要的位置,涂層在金屬表面形成一層牢固的薄膜,使金屬與腐蝕介質和腐蝕環(huán)境隔離,從而達到防

6、腐的目的。此方法簡便易行,因此在油田防腐中廣泛應用。保護性涂層分為金屬涂層與非金屬涂層,大多數金屬涂層采用電鍍或熱鍍的方法實現,非金屬涂層絕大多數是隔離性涂層,其主要作用是把金屬材料與腐蝕介質隔開,非金屬涂層可分為無機涂層與有機涂層。為獲得良好的涂層防腐效果,一方面金屬表面在敷涂層之前應進行處理,達到一定要求;另外涂層材料應具有必要的物理、化學性能,在金屬表面應有較強的附著力;具有一定的機械強度,耐磨、耐撞擊、耐沖刷和具有一定疲勞強度;涂層對環(huán)境的溫度、濕度、酸堿度應有一定的耐受性,從而具有優(yōu)良的防腐性能。使用防腐涂層可以極大提高油管的抗腐蝕性,目前由于油氣井作業(yè)的復雜性,涂層使用還存在較大的

7、限制。1.3 電化學方法防腐電化學保護就是利用外部電流使金屬電位發(fā)生改變從而達到減緩或防止金屬腐蝕的一種方法。保護法包括陰極保護和陽極保護。陰極保護主要是對套管柱的保護,對于超深井,需要進一步的探討。陽極保護法是通過控制電壓,使陽極電位達到鈍化電位,最終達到保護金屬的目的,陽極保護作為防腐措施在油氣田應用較少。1.4 緩蝕劑保護技術緩蝕劑是用于腐蝕環(huán)境中抑制金屬腐蝕的添加劑,又稱腐蝕抑制劑。主要是防止電化學失重腐蝕,對氫脆和硫化物應力腐蝕破裂也有一定的減緩作用。使用緩蝕劑有以下明顯的優(yōu)點:基本上不改變腐蝕環(huán)境,就可獲得良好的防腐蝕效果;基本不增加設備投資,操作簡便,見效快;對于腐蝕環(huán)境的變化,

8、可以通過相應改變緩蝕劑的種類或濃度來保證防腐蝕效果;同一配方的緩蝕組分有時可以同時防止多種金屬在不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕破壞。用于含硫化氫酸性環(huán)境中的緩蝕劑,通常為含氮的有機緩蝕劑(成膜型緩蝕劑),有胺類、酰胺類等。實踐證明,合理添加緩蝕劑是防止含h2s酸性油氣對碳鋼和低合金鋼設備腐蝕的一種有效方法。緩蝕劑對應用條件的選擇性要求很高,針對性很強。不同介質或材料往往要求的緩蝕劑也不同,甚至同一種介質,當操作條件(如溫度、壓力、濃度、流速等)改變時,所采用的緩蝕劑可能也需要改變。目前緩蝕劑發(fā)展趨勢主要如下:(1) 由于緩蝕劑體系的復雜性,以往的研究集中在用電化學和表面分析探討緩蝕劑結構參數與緩蝕性能的

9、關系,而對用量子化學計算緩蝕劑與材料的相互作用研究甚少,將這3種方法結合,能建立更加完善的腐蝕控制機理模型。(2) 面向工程的神經網絡技術、模糊數學及灰色系統(tǒng)理論發(fā)展較快,已運用于腐蝕科學。用這些技術研究緩蝕劑,在預測緩蝕效率、模擬緩蝕現象和建立緩蝕模型方面有廣闊的前景。(3) 油氣井中設備的局部腐蝕(點蝕、應力腐蝕、氫致開裂等)也很嚴重,而對防止局部腐蝕的緩蝕劑研究相對較少。(4) 化學藥品用得越多,藥品間的適配越難。因此,應加強研究無毒無污染的高效、多功能緩蝕劑,而且應多利用煉油副產品作為原料,降低成本,節(jié)約資源。2 防硫化氫完井設計程序完井預期壽命受油藏生產特征、管柱材質、流體物性等因素

10、14-18影響。國外通常最大完井設計壽命約為10 a,由于開采的復雜性,完井設計時應當考慮到后期開發(fā)問題,應選擇適當的材料減少由于腐蝕而導致的修井,降低經濟損失?，F場實際表明,硫化氫對油田生產破壞較大的是油井管柱硫化物應力開裂,必須采取防硫化氫應力腐蝕開裂措施。依據環(huán)境的惡劣程度,將特殊的設計方法與抗硫化氫腐蝕的保護措施相結合。其設計程序如下:(1) 確定油氣井生產環(huán)境,進行流體物性分析。根據nace及國家相關標準進行硫化氫防腐設計?？紤]硫化氫應力開裂影響因素較多,較為重要的因素有材料的性能、硫化氫分壓、ph值等,結合開發(fā)過程中油氣水物性變化以及二氧化碳的影響,確定完井壽命,考慮經濟效益進行合

11、理選材以及油套管螺紋結構。(2) 根據油井產能,按照最優(yōu)化原則,進行節(jié)點分析,確定最優(yōu)的油管直徑及生產工作制度,降低減少沖蝕對管柱的危害。(3) 根據防腐及油氣井生產需要,考慮腐蝕等因素對管柱強度的影響,確定完井管柱與井下工具組合,進行管柱強度設計,設計最優(yōu)組合管柱。(4) 對特殊的含硫油氣井采取特殊工藝,如同心管柱、熱循環(huán)管柱解決特殊情況;同時配套相應的防腐工藝,油套管采取涂層或內襯技術,隔絕腐蝕介質與油套管的接觸,保護油套管。通過綜合油藏開發(fā)方案與開采工藝措施,設計相應的完井工藝,進行技術經濟評價,確定最優(yōu)防硫化氫完井工藝方案。3 認識與建議建立完善的監(jiān)測系統(tǒng),準確地確定硫化氫含量是完井設

12、計的基礎;需研究在高溫高壓條件下進行在線監(jiān)測的儀器及相應的軟件分析系統(tǒng)。加強水、氣共存的高溫、高壓、高流速腐蝕環(huán)境中腐蝕機理的基礎研究。隨著開采技術的發(fā)展,油氣井越來越深,這種超深井井底的溫度和壓力很高,從理論上講有些物質已達到超臨界狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)的物質的很多性質發(fā)生了變化,因此其腐蝕行為不同于常態(tài),加強特殊狀態(tài)下腐蝕研究對油藏開發(fā)具有重要意義。應用系統(tǒng)論工程原理加強防硫化氫完井工藝的系統(tǒng)研究,油藏類型多,流體復雜,因此需要采取多種綜合的防硫化氫完井措施,從材料的選擇、涂層保護、電化學防護、完井工藝、采油工藝、開發(fā)方案設計等配套措施進行綜合防護;加強硫化氫的天然氣地質研究,為完井設計提供

13、前期的理論指導,對開發(fā)過程中硫化氫及時監(jiān)測動態(tài)變化,對可能發(fā)生的腐蝕危害進行預測與評估,結合油藏開發(fā)進行技術經濟評價,優(yōu)工藝設計;加強硫化氫腐蝕機理研究,實現多學科的交叉協(xié)作(包括物理學、化學、材料學、流體力學、固體力學、油藏工程等),為硫化氫完井工藝設計提供理論指導。總之,含硫化氫油氣井的完井工藝是一個系統(tǒng)工程,從鉆開油氣層到完井生產,硫化氫貫穿開發(fā)的全過程,在開發(fā)含硫化氫的油氣田中借助先進的監(jiān)測設備,從定性觀察到定量測量,系統(tǒng)全面地研究硫化氫腐蝕介質下油氣井管柱腐蝕規(guī)律,建立硫化氫腐蝕介質下的腐蝕數學模型,進行數值模擬,研究管柱在溫度場、流場等耦合條件下的腐蝕規(guī)律,預測硫化氫可能發(fā)生的危害

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