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超深高含硫气藏完井管材优化与实践
史雪枝, 周小虎, 乔智国     
中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院
摘要: 为了缓解元坝气田完井安全性和经济性的矛盾,介绍了元坝气田在选材过程中开展的国产镍基合金油套管、电镀钨合金衬管和钛合金油管等不同材料的性能评价以及现场的应用情况。研究认为,通过适用性设计及系统试验评价,形成不同深度镍基合金材质的优化组合,并大规模应用国产材料,是超深高含硫气藏实现安全经济完井的一项重要途径。电镀钨合金管抗腐蚀性能优异,需对镀层厚度优化设计并优选上扣管钳钳牙,对于不作为油气泄漏屏障的衬管可满足使用要求。钛合金油管抗腐蚀性能优异,力学和整管性能满足标准对同钢级碳钢油管性能的要求,气密封性能优异,质量约为镍基合金的60%,在降低完井成本的同时可提高管柱的安全系数,有望替代传统的镍基合金油管。研究结果可为超深高含硫气藏完井管材的选用提供参考。
关键词: 镍基合金     电镀钨合金衬管     钛合金油管     完井     高含硫     腐蚀     元坝气田    
Optimization of Well Completion String for Ultra-deep Gas Reservoir with High Sulfur Content
Shi Xuezhi, Zhou Xiaohu, Qiao Zhiguo     
Research Institute of Petroleum Engineering, Southwest Oil and Gas Company, SINOPEC
Abstract: To address the completion contradiction of safety and economy of Yuanba gas field and reduce well construction costs, this paper introduces the performance evaluation and field application of domestic nickel-based alloy casing and tubing, electroplating tungsten alloy liner and titanium alloy tubing during material selection for Yuanba gas field.Studies results suggested that, by feasibility design and system test evaluation, the optimal combination of nickel-based alloy with different depths and large-scale application of domestic materials is a critical way for ultra-deep gas reservoir with high sulfur content to achieve safe and economic completions.The plated tungsten alloy tube is excellent in corrosion resistance, and could meet the requirements for no-barrier liner with the optimization of coating thickness and selection of clamp jaw for pipe tong.Titanium alloy tubing, with the mass of about 60% nickel-based alloy tubing, is excellent both in corrosion resistance and gas sealing performance.Its mechanical property and the entire pipe performance could meet the standards for the carbon steel tubing with same grade.Thus, the titanium alloy tubing could reduce costs while increasing completion safety coefficient, presenting the potential of alternative for conventional nickel-based alloy tubing.
Key words: nickel-based alloy     electroplating tungsten alloy liner     titanium alloy tubing     well completion     high-sulfur content     corrosion     Yuanba gas field    

0 引 言

元坝长兴组气藏具有埋藏深(约7 000 m)、高温(157 ℃)、高压(约70.0MPa)、高含H2S和CO2腐蚀性的特征(H2S分压4.1 MPa、CO2分压10.7 MPa),且还需考虑酸压作业引入的酸性材料,以及长期采输环境时的高Cl-含量地层水。因此元坝气田选择的完井材质级别较高,建井成本高。同时由于地层物性较差,完井安全性和经济性的矛盾十分突出。笔者拟在此介绍元坝气田在选材过程中开展的不同材料抗腐蚀性能评价试验以及现场的应用情况。

1 镍基合金材料的抗腐蚀性能评价

元坝的地层温度达到157 ℃且为含有元素硫的环境,根据ISO 15156推荐[1-2]需要采用4e型(C-276)油套管,工具材质要选择725。邻区类似气田地层温度为134 ℃,投产管柱采用进口G3或SM2550镍基合金管材。按照以上选材思路,难以实现元坝气田的经济开发。因此需要采用适用性设计,系统开展评价试验检验4d(G3)和4c类(028、825)在模拟元坝长兴组气藏环境中的抗腐蚀性能,同时国产化是元坝经济完井的必由之路,因此评价国产镍基合金的性能对管材的优选和采购具有重要的指导作用。

1.1 模拟环境的抗腐蚀性能评价

试验对比评价了4个厂家(国产、进口)、10种材质(4c类的028、825等,4d类的G3)的抗腐蚀性。

1.1.1 模拟长期采输过程

试验条件:温度160 ℃、pCO2=11.0MPa、pH2S=5.0 MPa、元素硫的质量浓度3 g/L;

试验介质:模拟地层水(其中Cl-的质量浓度80 g/L、pH=4.5);

试验周期:720 h。

1.1.2 模拟残酸返排过程

试验条件:温度160 ℃、pCO2=11.0MPa、pH2S=5.0 MPa、元素硫的质量浓度3 g/L;

试验介质:酸化后返排的残酸(pH=4.0);

试验周期:168 h。

1.1.3 模拟油管与工具连接后存在的电偶腐蚀

电偶材质:4c类+718、4d类+718;

试验条件:温度160 ℃、pCO2=11.0MPa、pH2S=5.0 MPa、元素硫的质量浓度3 g/L;

试验介质:模拟地层水(其中Cl-的质量浓度80 g/L、pH=4.5);

加载应力水平:70%σs、110%σs;

试验周期:168 h。

腐蚀试验结果表明,国产镍基合金与进口产品抗腐蚀性能相当,腐蚀速率都较小(见表 1),参照NACE RP-0775标准,4种国产镍基合金试样的均匀腐蚀程度均为轻度腐蚀。从腐蚀产物膜的表观形貌来看,试样表面均被少量黑色的腐蚀产物所覆盖,均未发现点蚀及明显腐蚀情况;清洗干净后,试样表面仍然光亮,显微镜放到30倍观察其表面,均未发现腐蚀坑之类的腐蚀情况。在模拟残酸返排和电偶腐蚀的环境中,腐蚀速率都较小,具有优异的抗腐蚀性能。

表 1 4种国产镍基合金试样模拟腐蚀试验结果 mm/a Table 1 Corrosion test results of 4 kinds domestic nickel-based alloy samples mm/a
材 质模拟残酸返排过程平均腐蚀速率模拟长期采输过程平均腐蚀速率
气相液相气相液相
028-10.003 60.003 00.005 50.005 7
028-20.003 40.002 70.006 60.006 8
G3-10.002 70.006 00.007 20.008 2
G3-20.002 50.005 30.007 20.008 7

1.2 镍基合金材质选择及应用

基于以上试验结果,考虑到元坝气田周边人口稠密,综合安全性和经济性,确定了元坝气田油管选材方案:根据井温剖面的预测,在4 000 m以上选用4c类镍基合金、4 000 m以下选用4d类镍基合金。采用4c+4d组合材质较全井4d材质单井可降低成本400万元。

国产镍基合金油套管在元坝气田首次实现了规模化应用,国产化率100%。截至目前共入井32口,累计用量为国产4c类镍基合金油管12.80万m,国产4d类油管8.96万m。

2 电镀钨合金衬管的抗腐蚀性能评价

元坝气井主体采用衬管完井方式,由于衬管直接与地层流体接触,若选择普通碳钢,腐蚀速率达到6.9 mm/a,因此前期衬管的选材方案为4c类镍基合金。计算水平井单井衬管费用为724万元,成本高。衬管不作为油气泄漏的屏障,有必要找到一种更加经济实用的材料。

2.1 钨合金电(渗)镀技术原理

钨合金电(渗)镀技术就是通过诱导沉积原理,在待处理金属零部件表面从水溶液中电沉积出钨基系列非晶态纳米合金镀层,

再经过适当的热处理工艺,使镀层和基材中的某些成分互相渗透,从而使金属零部件表面具有极佳的耐蚀和耐磨性能。利用该技术开发的防腐耐磨石油钻采产品包括抗腐蚀螺杆钻具和防腐抗硫抽油杆等。

2.2 电镀钨合金衬管应用存在的问题及试验评价 2.2.1 存在的问题

元坝气井为超深井,且多为大斜度水平井,电镀钨合金衬管在使用过程中存在以下问题:①电镀钨合金镀层的抗腐蚀性能能否满足元坝苛刻的腐蚀环境;②衬管上扣需液压大钳操作,若造成液压大钳夹持部位的镀层减薄或局部破坏,将大大影响其耐腐蚀性能。

2.2.2 镀层在模拟环境的抗腐蚀性能评价

为检验钨合金镀层的抗腐蚀性能,设计的试验包括在残酸返排和长期采输过程的抗腐蚀性能评价,试验条件同1.1节。试验结果表明,钨合金镀层在模拟环境中的腐蚀速率为0.006 9~0.024 1 mm/a(见表 2),没有出现明显局部腐蚀,抗腐蚀性能优异。

表 2 电镀钨合金镀层试样模拟腐蚀试验结果 mm/a Table 2 Corrosion test results of plated tungsten alloy coating mm/a
试样编号模拟残酸返排过程平均腐蚀速率模拟长期采输过程平均腐蚀速率
10.006 90.011 9
20.024 10.007 6

2.2.3 上扣试验及镀层显微分析

为检验上扣过程中液压大钳对夹持部位镀层的影响,进行了上扣试验,并对夹持部位取样,进行显微分析。试验结果表明,采用微压痕钳牙上扣后,肉眼观察未见到明显的钳牙咬痕和明显划痕。显微分析发现,管钳夹持部位存在局部轻微划伤,最深处划掉约0.03 mm的镀层(见图 1),未发现深达基体的划伤。

图 1 镀层表面形貌 Fig.1 The surface topography of coating

2.3 电镀钨合金管做衬管可行性分析及方案优化

钨合金镀层在模拟环境下的抗腐蚀性能优异,管钳夹持部位镀层较为完好,元坝长兴组气井采用电镀钨合金衬管具备可行性,同时对使用方案进行优化。按气井设计使用寿命8 a计算,镀层厚度需达到0.06mm以上。钳牙咬合部位镀层厚度要增加0.03 mm以上,可以保证整体寿命不受影响。

因此元坝气井电镀钨合金衬管的使用方案为:①管体内外壁钨合金镀层厚度为0.06 mm;②管钳夹持部位镀层厚度为0.09 mm;③现场上扣必须使用微牙痕或者无牙痕钳牙。目前该方案已在元坝气田得到全面推广应用。与4c类镍基合金衬管相比,电镀钨合金镀层衬管单井可节约500万元。

3 钛合金油管的性能评价

采用4c+4d类镍基合金油管虽然满足了元坝气田的开发需要,但是由于镍基合金价格昂贵,油管费用仍较高。因此,为了在有效防腐的基础上,尽可能降低油管成本,有必要找到一种更加经济实用的防腐材质来替代目前采用的镍基合金。

3.1 钛合金耐腐蚀机理及特点

钛是一种活泼金属,钛及其合金的耐腐蚀性能源于表面形成的一个保护性很强的钛钝化物膜。钛合金同时具有高强度、低密度和优异的耐腐蚀特性。由于钛合金密度低(4.5 g/cm3),同规格的钛合金质量相当于镍基合金的60%,应用成本优势明显,但限于钛合金油井管的制造工艺难度,目前世界上很少有厂家生产[3-4]。中石化联合天津钢铁集团有限公司获得了一种新的α+β钛合金,开发出110钢级、Φ88.9 mm×7.34 mm钛合金油管,并针对该规格油管开展了抗腐蚀性能、力学性能评价试验、整管性能评价试验以及入井先导试验。

3.2 钛合金油管的性能评价 3.2.1 抗腐蚀性能评价

评价内容主要包括:①采输过程中的腐蚀速率[5];②SCC(四点弯曲和A法试验)[6-8];③酸化过程残酸返排对管柱的电化学腐蚀;④钛合金油井管和镍基合金井下工具连接处的电偶腐蚀;⑤油井管发生弯曲并贴合套管时,钛合金油井管与110SS材质高抗硫套管的电偶腐蚀[9-10]。评价结果表明,开发的钛合金油井管在各种模拟工况下的腐蚀速率均较低(模拟生产环境中的平均腐蚀速率为0.003 6 mm/a);抗硫化物应力腐蚀开裂性能良好。与镍基合金相比,钛合金的抗腐蚀性能与镍基合金接近,甚至优于镍基合金。

3.2.2 力学性能评价

主要分析屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击功和硬度。目前还没有关于钛合金油井管的技术标准,因此评价的指标均参照API Spec 5CT—2011标准中关于碳钢力学性能指标的有关规定。评价结果表明,Φ88.9 mm×7.34 mm油井管的力学性能均达到API Spec 5CT—2011标准对110钢级碳钢管体和接箍力学性能的要求。

3.2.3 整管性能评价

评价试验主要包括:第三方监制下的ISO 13679标准Ⅱ级B系和C系试验,以及螺纹连接强度、带接头抗挤毁及管体爆破性能试验。评价结果表明,该规格钛合金油井管在内压、轴向拉伸、压缩、弯曲及温度变化条件下,常温加载85%等效应力、高温加载80%等效应力循环载荷时,螺纹连接接头密封性能优异,均未出现泄漏失效现象。

3.3 钛合金油管可行性分析及应用

三轴应力强度校核结果(见表 3)表明,元坝气井全部选用Φ88.9 mm×6.45 mm规格钛管即可满足完井、测试、改造及采输要求。而镍基合金油管需设计采用Φ88.9 mm×7.34 mm(1 000 m)+Φ88.9 mm×6.45 mm(4 500 m)+Φ73.0 mm×5.51 mm(1 500 m)。相互对比后钛管的质量减少近35 t,可大大降低完井成本。

表 3 钛合金完井管柱三轴应力校核 Table 3 The triaxial stress check of titanium alloy completion string
管柱状态井口拉力/kN变形量/m合应力/MPa屈服安全系数
下管柱 713.016.804272.00
坐封835.818.124612.00
改造954.118.325961.27

2015年5月10—17日,由中石化联合天津钢铁集团有限公司共同研制的钛合金油管Φ88.9 mm×7.34 mm TP-Ti-110 TP-G2(Ti)在元坝205-2井顺利入井,钛合金油管入井634根,共6 200余m。油管在设定最佳扭矩5 150 N·m的条件下上扣顺利,并进行了氦气螺纹泄漏检测,加压80 MPa并稳压20 s,油管均未发生泄漏。

4 结论及认识

(1) 通过适用性设计及试验评价,形成不同深度镍基合金材质的优化组合(4c+4d类油管材质组合),并大规模应用国产材料是超深高含硫气藏实现安全经济完井的重要途径。

(2) 电镀钨合金管抗腐蚀性能优异,需对镀层厚度优化设计并优选上扣管钳钳牙,对于不作为油气泄漏屏障的衬管可满足使用要求。

(3) 钛合金油管抗腐蚀性能优异,力学和整管性能满足API Spec 5CT标准中对P110钢级的要求,气密封性能优异,且质量约为镍基合金的60%,整体降低完井成本的同时增加管柱的安全系数,有望替代传统的镍基合金油管。

参考文献
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文章信息

史雪枝, 周小虎, 乔智国
Shi Xuezhi, Zhou Xiaohu, Qiao Zhiguo
超深高含硫气藏完井管材优化与实践
Optimization of Well Completion String for Ultra-deep Gas Reservoir with High Sulfur Content
石油机械, 2016, 44(08): 11-14
China Petroleum Machinery, 2016, 44(08): 11-14.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.08.003

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收稿日期: 2016-03-04

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