碳酸鹽巖油田套管鋼95、110s腐蝕行為研究

碳酸鹽巖油田套管鋼95、110s腐蝕行為研究

套內(nèi)腐敗是一個非常突出的問題。目前針對碳酸鹽巖油氣田套管壽命的研究較少。本文通過進(jìn)行高溫高壓腐蝕試驗?zāi)M某碳酸鹽巖油田某口油井的腐蝕環(huán)境,得出套管材料的均勻腐蝕速率。1腐蝕行為及速率采用FR-300II型電子天平稱重;采用Fcz-25/250型磁力驅(qū)動反應(yīng)釜進(jìn)行模擬碳酸鹽巖地層的高溫高壓腐蝕試驗;采用JSM-6390A掃描電鏡對腐蝕形貌特征進(jìn)行觀察;采用OXFORDISIS電子能譜儀和X-PerPro型X射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物成分及組成進(jìn)行分析。均勻腐蝕速率測試樣的尺寸為50mm×10mm×3mm,采用失重法計算腐蝕速率。表1為某碳酸鹽巖油田某口井的腐蝕環(huán)境。2試驗結(jié)果2.1腐蝕率表2為模擬碳酸鹽巖腐蝕環(huán)境試驗條件下均勻腐蝕速率?？梢?T95和110S的均勻腐蝕速率均為V150℃>V100℃>V60℃。2.2腐蝕產(chǎn)物的xrd分析表3為T95和110S分別在60、100、150℃下生成的腐蝕產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果?？梢?H2S和Fe反應(yīng)生成的腐蝕產(chǎn)物主要有Fe7S8、Fe1-xS、FeS2和FeS,生成何種腐蝕產(chǎn)物取決于pH值、H2S的濃度等參數(shù)。3腐蝕效應(yīng)的影響由表2知,T95和110S的均勻腐蝕速率均為V150℃>V100℃>V60℃。從圖1可看出,在不同溫度下,材料表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜的致密程度不同,在60℃時形成的腐蝕產(chǎn)物膜晶粒細(xì)小、比較均勻、空隙率小、致密性好。在100、150℃時,材料表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜晶粒粗大,腐蝕產(chǎn)物膜的膜下腐蝕效應(yīng)稍大于膜的覆蓋效應(yīng)。當(dāng)生成的腐蝕產(chǎn)物不致密時,沉積在試樣表面的腐蝕產(chǎn)物可與未沉積腐蝕產(chǎn)物的試樣表面構(gòu)成電位差形成電偶腐蝕,反而促進(jìn)了金屬腐蝕。所以,在100、150℃時,T95和110S材料的均勻腐蝕速率增大。由XRD的分析結(jié)果知:在3個溫度下材料表面形成的腐蝕產(chǎn)物均為Fe的硫化物,沒有CO2腐蝕的腐蝕產(chǎn)物FeCO3,此結(jié)果符合CO2/H2S=1.57<20,腐蝕主要由H2S控制。在H2S、CO2共存的腐蝕環(huán)境中,CO2的腐蝕的反應(yīng)方程式為:Fe+H2CO3→FeCO3+H2;腐蝕的反應(yīng)方程式為:Fe+H2S→FeS+H2。H2S和Fe反應(yīng)時生成的FeS晶格缺陷較小,可阻止鐵的陽離子的擴(kuò)散,因而當(dāng)FeS與金屬表面之間致密且良好地結(jié)合時,FeS對腐蝕應(yīng)有一定的防護(hù)作用。碳酸鹽腐蝕產(chǎn)物疏松,不易沉積到基體表面,致使FeS腐蝕產(chǎn)物在基體表面優(yōu)先成膜,這種膜的形成更使碳酸鹽腐蝕產(chǎn)物無法沉積到基體表面。4t95套管力學(xué)性能本文以技術(shù)套管為例,假設(shè)不發(fā)生外腐蝕,因此我們假設(shè)內(nèi)腐蝕單向進(jìn)行。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和《關(guān)于“套管柱三軸抗拉強(qiáng)度公式”的討論》中對三軸抗拉強(qiáng)度公式的修正可知套管在井下受到的三軸應(yīng)力如下所示。三軸抗擠強(qiáng)度值:式中:Pca為三軸抗擠強(qiáng)度;P∞為抗擠強(qiáng)度;σa為軸向應(yīng)力;Pi為管內(nèi)液柱壓力;Yp為管材屈服強(qiáng)度。三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度:式中:Pba為三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度;PbO為抗內(nèi)壓強(qiáng)度;ri為套管內(nèi)半徑;rO為套管外半徑;PO為管外液柱壓力;三軸抗拉強(qiáng)度:60、100、150℃的腐蝕速率分別代表井的上部、中部和底部的腐蝕情況。計算不同部位的腐蝕壽命時分別選用不同溫度下的腐蝕速率。第一段技術(shù)套管(4000~6600m)的三軸強(qiáng)度的計算,第一段套管選用的材料為T95。(1)三軸抗擠強(qiáng)度外擠壓力自下而上減小,所以在套管底部受到的外擠力最大,選取受力最大的點(diǎn)(套管底部h=6600m)計算三軸抗擠強(qiáng)度,其結(jié)果如下。因為(Dc/δ)pt≤Dc/δ≤(Dc/δ)te式中:(Dc/δ)yp為屈服擠毀與塑性擠毀交點(diǎn)的徑厚比;(Dc/δ)pt為塑性擠毀與過渡擠毀交點(diǎn)的徑厚比;(Dc/δ)te為過渡擠毀與彈性擠毀交點(diǎn)的徑厚比;Dc為套管外徑;δ為套管壁厚;Pce為有效外壓力;SC為規(guī)定的抗擠系數(shù);將上述結(jié)果代入式(1)得Pca=68.26MPa,SC=Pca/Pce=1.73>1,T95套管滿足抗擠強(qiáng)度要求,可安全使用。當(dāng)δ<6.53mm,SC<1時,110S套管不滿足抗擠強(qiáng)度安全使用要求,所以在套管安全使用條件下,可腐蝕的壁厚為:10.92-6.53=4.39mm,當(dāng)腐蝕速率V=1.55mm/a時,可安全使用年限:4.39/1.55=2.83年。(2)三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度自下而上減小,選取受到三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度最大的點(diǎn),即h=6600m進(jìn)行計算,其計算結(jié)果如下:式中:Pbh為計算點(diǎn)最大內(nèi)壓力;Pbe為有效內(nèi)壓力。將上述計算結(jié)果代入式(2)中得:Si=Pba/Pba=31.82>1.1,可安全使用。當(dāng)δ<1.46mm,Si<1.1時,T95套管不滿足抗內(nèi)壓強(qiáng)度安全使用要求,所以在套管安全使用的條件下,可腐蝕的壁厚為:10.92-1.46=9.46mm,當(dāng)腐蝕速率V=1.55mm/a時,可安全使用年限:9.46/1.55=6.10年。(3)三軸抗拉強(qiáng)度套管柱受軸向拉力一般為井口處最大,軸向拉力自下而上增加,即h=4000m時拉力最大,所以計算點(diǎn)選為h=4000m。套管頂部的有效拉力:Te=781.11kN;Pi=0.00981×(1-0.4)×1.15×4000=27.08MPa;PO=0.00981×1.3×4000=51.02MPa;TO=4248.35kN式中:Te為有效軸向力;HS為套管下深或套管鞋深度;h為計算點(diǎn)深度;qi為設(shè)計段以下第i段套管單位長度質(zhì)量;kf為浮力系數(shù);TO為抗拉強(qiáng)度?？估踩禂?shù)St=Ta/Te=5.03>1.6時,T95套管滿足安全使用要求,當(dāng)δ=1.00mm,St=2.07,T95套管依然能滿足抗拉強(qiáng)度安全使用要求。圖3為第一段套管服役時間(t)與抗擠、抗內(nèi)壓和抗拉系數(shù)的關(guān)系?？芍?隨著壁厚減薄,抗擠、抗內(nèi)壓和抗拉系數(shù)逐漸減薄,抗擠和抗內(nèi)壓系數(shù)分別在2.83年、6.10年小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值,套管不能安全服役?？估禂?shù)在壁厚為1mm時依然大于標(biāo)準(zhǔn)要求值。第二段技術(shù)套管(0~4000m)的三軸強(qiáng)度的計算,第二段套管選用的材料為110S。(4)三軸抗擠強(qiáng)度計算方法同(1),計算點(diǎn)為h=4000m?？砂踩褂媚晗?3.89/1.22=3.19年。(5)三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度計算方法同(2),計算點(diǎn)選取套管底部h=4000m?？砂踩褂媚晗?9.95/1.22=8.16年。(6)三軸抗拉強(qiáng)度計算方法同(3)套管頂部的內(nèi)外壓都為零,所以Ta=To=4919.16kN。可安全使用年限為:0.82/0.37=2.22年。綜上所述,根據(jù)抗擠系數(shù)、抗內(nèi)壓系數(shù)和抗拉系數(shù)計算出的套管壽命。第一段套管的抗外擠、抗內(nèi)壓和抗拉系數(shù)分別在2.83年、6.10年小于規(guī)定值,抗拉強(qiáng)度一直滿足要求;第二段套管分別在3.19年、8.16年和2.22年小于規(guī)定值,將計算得到的最小值定為套管的腐蝕壽命,所以這口井的技術(shù)套管在不考慮任何防腐措施的情況下的壽命為