大庆油田徐深气田耐CO2腐蚀套管优选
李杉     
中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院, 黑龙江大庆 163453
摘要: 目前徐深气田钻井中普遍使用的HP13Cr-110套管各项性能虽满足要求,但成本较高。为打破套管材质单一的局面,降低套管成本,在室内对13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种套管的抗拉性能、硬度性能、韧性和耐CO2腐蚀性能进行了试验,并根据拟合试验所得腐蚀速率随时间的变化曲线,回归得到了各材质套管的腐蚀速率和腐蚀指数计算公式。室内试验表明,11Cr-110与HP13Cr-110套管一样具有良好的机械性能,并具有良好的耐CO2腐蚀性能,且11Cr-110套管价格低于HP13Cr-110套管。在徐深气田3口井选择11Cr-110套管进行了现场试验,结果表明,11Cr-110套管防腐效果良好,平均腐蚀速率仅为0.019 6 mm/a,满足徐深气田现场需求,且平均每口井约可节省费用55万元,能起到降本增效的作用。
关键词: 套管     机械性能     二氧化碳腐蚀     徐深气田    
Casing Optimization for CO2 Corrosion Resistance in the Xushen Gas Field
LI Shan     
Research Institute of Oil Production Engineering, PetroChina Daqing Oilfield Co. Ltd., Daqing, Heilongjiang, 163453, China
Abstract: Currently, HP13Cr-110 casing is extensively used in the Xushen Gas Field, its performance can meet all the needs, but the cost is higher. To avoid the use of a single material of casing and lower the cost, the tensile strengths, hardness, toughness and carbon dioxide corrosion resistance of three kinds of casing materials, including 13Cr-95, HP13Cr-110 and 11Cr-110, were tested in lab. Tests obtained the variation curve of corrosion rates with time by fitting test, and the calculation formula to determine the corrosion rates and corrosion indexes for various casing materials. Indoor testing showed that 11Cr-110 possesses good mechanical properties equivalent to HP13Cr-110, and has outstanding resistance to CO2 corrosion. Since the cost of the 11Cr-110 casing is much lower than that of HP13Cr-110 casing, the 11Cr-110 casing has been selected in cementing three wells in Xushen Gasfield. Field tests indicated that the 11Cr-110 casing has excellent anti-corrosion performances, with average corrosion rate of 0.019 6 mm/a only, which can fully meet the demand of Xushen Gas Field, and save 550 000 RMB Yuan in each well on average, playing the role of lowering cost and raising the efficiency.
Key words: casing     mechanical properties     carbon dioxide corrosion     Xushen Gas Field    

位于松辽盆地的大庆油田徐深气田气井完钻垂深普遍较深,一般在3 500 m左右。该气田地层中CO2含量为2.19%~8.86%,平均达到5.17%;地温梯度为3.9 ℃/100 m,井底温度一般在140 ℃左右,实测最高井底温度达169 ℃。在这种井下高温、高含CO2条件下,套管极易发生CO2腐蚀问题。因此,徐深气田在进行套管设计时,既要求套管具有良好的机械性能以满足深井套管承受载荷的需要,又要具有良好的耐CO2腐蚀性能[1-4]。目前,徐深气田深层气井设计应用HP13Cr-110套管,其既能满足高强度的要求,又能达到防腐效果。但HP13Cr-110套管价格较高,在国际油价持续低迷、维持低价位运行的形势下,严重制约了徐深气田的高效开发。

为此,笔者在室内模拟徐深气田CO2腐蚀环境,开展了套管抗拉试验、硬度试验、韧性试验和耐CO2腐蚀性能试验,分析了套管钢材的机械性能及耐腐蚀性能,并给出了13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种套管的腐蚀速率和腐蚀指数计算公式,根据试验结果用11Cr-110套管代替HP13Cr-110套管,并在徐深气田3口井进行了现场试验,不但满足了该气田的防腐要求,而且获得了较好的经济效益。

1 套管机械性能分析

套管的机械性能能否满足设计要求,对于保证气井套管不被挤毁非常重要[1, 5]。目前,松辽盆地中浅层气井固井主要采用13Cr-95套管,徐深气田深井固井采用HP13Cr-110套管。11Cr-110套管具有较好的机械性能,且价格低于HP13Cr-110套管。为此,笔者对13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管样品的机械性能进行室内试验,以优选更适合徐深气田深层气井固井的套管。

1.1 抗拉试验

试验设备采用德国生产的万能材料试验机,用平板液压夹头(该夹头具有夹持力大、使用方便的特点)。分别选取20个外径139.7 mm、壁厚9.17 mm (与徐深气井套管设计尺寸相同)的13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管条状试验片(宽度25.4 mm,标距长度50.8 mm)进行屈服强度、抗拉强度和拉伸率试验,结果见表 1

表 1 3种套管的抗拉试验结果 Table 1 Test results for tensile strength of three kinds of casings
套管 试样个数 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长量,%
最大 最小 平均 最大 最小 平均 最大 最小 平均
13Cr-95 20 758 655 718.2 796 724 768.0 29.1 23.7 25.8
HP13Cr-110 20 898 759 842.6 901 828 889.1 31.3 25.9 27.9
11Cr-110 20 896 758 840.7 900 827 888.3 30.3 25.8 27.8

表 1可知,13Cr-95套管的抗拉性能明显低于HP13Cr-110套管和11Cr-110套管;11Cr-110套管的平均屈服强度为840.7 MPa,平均抗拉强度为888.3 MPa,抗拉性能参数与HP13Cr-110套管相当。

徐深气田深井平均完钻井深3 500 m,13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管单位长度质量29.76 kg/m,固井时平均钻井液密度1.70 kg/L,利用石油天然气行业标准《套管柱结构与强度设计要求》(SY/T 5724-2008)中的套管抗拉系数计算模型进行计算,得到13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管的抗拉系数分别为2.26,3.10和3.06。由此可知,3材质套管的抗拉系数均满足SY/T 5724-2008中套管抗拉系数大于1.60的要求。

1.2 硬度试验

试验设备采用洛式硬度检测仪,分别选取120个外径139.7 mm、壁厚9.17 mm (与徐深气井套管设计尺寸相同)的13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管试验片,选取其外部、中间和内部3个点,采用荷重150 kg和钻石锥压入器进行套管硬度测试,结果见表 2

表 2 3种材质套管的硬度试验结果 Table 2 Test results for hardness of three kinds of casings
套管 试验
部位
试样
个数
硬度/HRC
最大 最小 平均
13Cr-95 外部 120 26.7 24.2 25.4
中间 120 26.2 23.8 25.3
内部 120 26.4 24.1 25.3
HP13Cr-110 外部 120 29.0 26.8 27.9
中间 120 29.0 26.6 27.5
内部 120 28.8 26.2 27.3
11Cr-110 外部 120 28.0 26.8 27.4
中间 120 28.1 26.4 27.2
内部 120 28.2 26.2 27.3

API标准“specification for casing and tubing”规定,13Cr-95套管平均洛氏硬度应不超过25.4 HRC,HP13Cr-110和11Cr-110套管平均洛氏硬度应不超过30 HRC。由表 2可知,13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管的硬度均满足API标准。

1.3 韧性试验

试验设备采用材料冲击韧性试验机,分别选取20个外径139.7 mm、壁厚9.17 mm (与徐深气井套管设计尺寸相同)的13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管试验片,试样尺寸为10.0 mm×7.5 mm,试样温度0 ℃,在试样上预制出相当于缺陷的2.0 mm V形裂纹缺口,然后对试样加载,进行横向冲击,测试套管的韧性,当剪切断口达到100%时,得到相应的横向冲击功,试验结果见表 3

表 3 3种材质套管的韧性试验结果 Table 3 Test results for toughness of three kinds of casings
套管 试样个数 横向冲击功/J
最大 最小 平均
13Cr-95 30 56.8 37.6 45.6
HP13Cr-110 30 112.0 76.0 95.6
11Cr-110 30 135.0 95.0 121.7

表 3可知,13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管在横向冲击剪切断口100%后测得的平均冲击功分别为45.6,95.6和121.7 J,分别为其平均屈服强度的6.3%,11.3%和14.7%。英国能源部指导性技术文件规定[6-7],高钢级钢管用在垂深大于3 000 m的井时,横向冲击功应该不小于其屈服强度的10%。由此可见,11Cr-110和HP13Cr-110套管具有较好的韧性,能够满足徐深气田气井固井的要求,而13Cr-95套管的韧性较差,无法满足徐深气田气井固井的要求。

13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110套管的机械性能试验结果表明,11Cr-110和HP13Cr-110套管的机械性能稳定、可靠,能够满足徐深气田深层气井的需要,因而能在该类井中应用。

2 套管耐CO2腐蚀性能分析 2.1 CO2腐蚀速率试验

选取13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管样品, 加工成直径60.0 mm的1/6圆弧试样,各种材质套管试样分别取4个,用砂纸打磨后称重。徐深气田地层压力一般为35 MPa,通过分压计算,其CO2分压0.77~3.10 MPa,平均分压1.80 MPa。取最高CO2分压3.10 MPa,分别在温度80,100,120和140 ℃条件下进行试验,试验时间分别为1,3,6和10 d,分别对试样表面用蒸馏水冲洗以去除腐蚀介质,然后烘干。去除腐蚀产物后,用电子天平称重,计算试验失重和平均腐蚀速率,分别绘制3种材质套管在温度80 ℃和100~140 ℃条件下套管腐蚀速率随时间的变化曲线,结果见图 1图 2

图 1 80 ℃温度下3种材质套管腐蚀速率随时间的变化曲线 Fig.1 The curve of corrosion rates with time for three kinds of casings at 80 ℃
图 2 100~140 ℃温度下3种材质套管腐蚀速率随时间的变化曲线 Fig.2 The curve of corrosion rates with time for three kinds of casings from 100℃ to 140 ℃

图 1图 2可知,在试验开始后的3 d内,腐蚀速率显著降低,而后随着试验时间的延长,腐蚀速率缓慢降低。

2.2 CO2腐蚀速率和耐CO2腐蚀指数计算

对腐蚀速率随时间变化的曲线进行拟合,可得基于80 ℃条件下试验数据的3种材质套管的腐蚀速率公式为:

(1)
(2)
(3)

基于100~140 ℃条件下试验数据得到的3种材质套管的腐蚀速率公式为:

(4)
(5)
(6)

式中:v1v2v3分别为13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管在80 ℃下的腐蚀速率,mm/a;v4v5v6分别为13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管在100~140 ℃下的腐蚀速率,mm/a;t为试验时间,d;w1为套管钢材中碳的含量。

由式(1)-式(6)可知,随着腐蚀时间增长,腐蚀速率呈指数变化规律递减。为进一步分析套管的耐CO2腐蚀性能,引入耐CO2腐蚀指数,然后将式(1)-式(3)统一为:

(7)

将式(4)-式(6)统一为:

(8)

式中:v为13Cr-95、HP13Cr-110或11Cr-110套管在80 ℃下的腐蚀速率,mm/a;v′为13Cr-95、HP13Cr-110或11Cr-110套管在100~140 ℃下的腐蚀速率,mm/a; R1为基于80 ℃温度条件下试验数据的耐CO2腐蚀指数;R2为基于100~140 ℃温度条件下试验数据的耐CO2腐蚀指数。

套管耐CO2腐蚀能力与套管中碳和微量元素的含量有直接关系,将R1R2表达为与套管中碳和微量元素相关的式子,其值越大意味着耐腐蚀性能越好。则基于80 ℃和100~140 ℃条件下试验数据的耐CO2腐蚀指数表达式分别为:

(9)
(10)

式中:w2w3w4分别为套管钢材中Cr,Ni和Mo的含量。

根据13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管中C,Ni,Cr和Mo的含量,利用式(9)、式(10)计算出其耐CO2腐蚀指数,计算结果见表 4

表 4 3种材质套管的耐CO2腐蚀指数计算结果 Table 4 The calculation result of CO2 corrosion resistance index for three kinds of casings
套管 元素含量,% R1 R2
C Ni Cr Mo
13Cr-95 0.20 0.15 13.00 0 11.3 9.0
HP13Cr-110 0.04 4.00 13.00 1.00 20.6 13.3
11Cr-110 0.02 3.00 11.00 0 15.4 10.7

表 4可知,在不同温度下,3种材质套管的耐CO2腐蚀性能由高到低依次为HP13Cr-110、11Cr-110和13Cr-95。其中,11Cr-110套管的耐CO2腐蚀指数与HP13Cr-110套管的耐CO2腐蚀指数相比,分别降低25.2%和19.5%。

对徐深气田HP13Cr-110套管挂片试件进行现场取样分析可知,HP13Cr-110油管的腐蚀速率为0.015 mm/a。按照11Cr-110套管耐CO2腐蚀指数比HP13Cr-110降低25.2%计算,11Cr-110套管的腐蚀速率为0.019 mm/a,远远小于腐蚀速率0.127 mm/a的国际标准[8],可以满足徐深气田的应用要求。

3 11Cr-110套管现场试验

13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管的机械性能和耐CO2腐蚀性能分析表明,11Cr-110套管和HP13Cr-110套管一样,具有较好的机械性能和耐CO2腐蚀性能,能够满足徐深气田深层气井的应用要求,且其价格较低,因此徐深气田SS1-X2井、SS1-X3井和SS1-4井等3口井固井中试用了11Cr-110套管。

3口试验井均于2014年完钻,平均完钻井深为3 675.14 m,井底温度130 ℃左右,CO2含量3.56%~7.76%,通过计算得CO2分压为1.28~2.80 MPa。为了分析该套管目前的腐蚀情况,取3口井11Cr-110油管挂片试样进行腐蚀量及腐蚀速率分析,结果见表 5

表 5 11Cr-110套管现场试验效果 Table 5 Field test results of the 11Cr-110 casing
井号 使用1 a腐蚀量/mm 使用1 a腐蚀速率/
(mm·a-1)
使用2 a腐蚀量/mm 使用2 a腐蚀速率/
(mm·a-1)
平均腐蚀速率/
(mm·a-1)
SS1-X2 0.022 0.022 0.041 0.020 5 0.019 6
SS1-X3 0.021 0.021 0.039 0.019 5
SS1-4 0.022 0.022 0.038 0.019 0

表 5可知,3口井的11Cr-110套管现场使用2 a,平均腐蚀速率仅为0.019 6 mm/a,低于腐蚀速率0.127 mm/a的国际标准[8],具有较好的防腐效果,满足徐深气田现场使用要求。另外,用现场试验数据得到的HP13Cr-110套管的腐蚀速率为0.015 mm/a,通过上述公式计算得到11Cr-110套管平均腐蚀速率为0.019 mm/a,与现场试验数据得到的11Cr-110套管平均腐蚀速率(0.019 6 mm/a)的误差仅为3.2%,由此可见本文给出的腐蚀速率和腐蚀指数公式的准确性比较高。

在套管成本方面,与以前采用的HP13Cr-110套管相比,应用11Cr-110套管每吨约能够节省成本0.5万元。按照一口井中11Cr-110套管平均下深3 675.14 m、单位长度质量29.76 kg/m计算,一口井应用套管约109 t,平均约能节省套管费用55万元,这在一定程度上降低了徐深气田的开发成本,实现其经济高效开发。

4 结论

1) 针对松辽盆地徐深气田CO2腐蚀环境,通过套管耐腐蚀性能试验,分析了13Cr-95、HP13Cr-110和11Cr-110等3种材质套管的耐CO2腐蚀速率,拟合得到了套管腐蚀速率和腐蚀指数公式,现场试验表明,该公式能够准确评价套管的耐CO2腐蚀能力。

2) 机械性能试验和耐CO2防腐性能试验表明,11Cr-110套管具有良好的机械性能和耐CO2防腐能力,3口井的现场试验结果表明,11Cr-110套管耐CO2防腐效果较好,能够在满足徐深气田深井需求的同时,起到降本增效的作用。

3) 11Cr-110套管在徐深气田试验的井数有限,使用的时间也比较短,建议持续开展该套管的现场腐蚀量和腐蚀速率分析研究。

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文章信息

李杉
LI Shan
大庆油田徐深气田耐CO2腐蚀套管优选
Casing Optimization for CO2 Corrosion Resistance in the Xushen Gas Field
石油钻探技术, 2016, 44(6): 55-59.
Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(6): 55-59.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201606009

文章历史

收稿日期: 2016-06-06
改回日期: 2016-10-17

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