长庆油田低合金耐蚀管材耐蚀性评价及现场应用_郭钢.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 2 1 2 0 1 3长庆油田低合金耐蚀管材耐蚀性评价及现场应用郭 钢1,2,刘广胜1,2,王小鹏3,李琼玮1,2,杨立华1,2,孙雨来1,2,周志平4(1.长庆油田分公司油气工艺研究院,陕西 7 1 0 0 1 8;2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 7 1 0 0 1 8;3.长庆油田分公司第七釆油厂,陕西 7 1 0 0 1 8;4.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司,陕西 7 1 0 0 1 8)摘 要:长庆油田重点腐蚀区单一内防腐蚀技术无法满足现场需要。本工作介绍了长庆油田低合金耐蚀管材的优选,通过室内高温高压试验和现场挂环试验,对其耐蚀性进行了评价,并在油田现场实现了规模应用。结果表明:各因素中温度对腐蚀速率影响最大,相同腐蚀条件下,宝钢和包钢生产的5 C r低合金耐蚀钢的平均腐蚀速率和局部腐蚀速率较N 8 0钢分别低5 0%以上和4 0%以上,其预测寿命可达1 0 a,5 C r低合金钢是有效降低长庆油田重点腐蚀区域局部腐蚀且经济的选材方案。关键词:长庆油田;防腐蚀技术;低合金耐蚀钢;现场应用中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 2)1 2-0 0 8 3-0 5C o r r o s i o n R e s i s t a n c e E v a l u a t i o n a n d O n-S i t e A p p l i c a t i o n o f L o w A l l o y C o r r o s i o n-R e s i s t a n t P i p e s i n C h a n g q i n g O i l f i e l dGUO G a n g1,2,L I U G u a n g s h e n g1,2,WANG X i a o p e n g3,L I Q i o n g w e i1,2,YANG L i h u a1,2,S UN Y u l a i1,2,Z HOU Z h i p i n g4(1.N a t i o n a l E n g i n e e r i n g L a b o r a t o r y o f L o w P e r m e a b i l i t y O i l a n d G a s F i e l d E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t,S h a n n x i 7 1 0 0 1 8,C h i n a;2.R e s e a r c h I n s t i t u t e o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y,P e t r o C h i n a C h a n g q i n g O i l f i e l d C o m p a n y,S h a n n x i 7 1 0 0 1 8,C h i n a;3.N o.7 O i l P r o d u c t i o n P l a n t,P e t r o C h i n a C h a n g q i n g O i l f i e l d C o m p a n y,S h a n n x i 7 1 0 0 1 8,C h i n a;4.P e t o C h i n a C h a n g q i n g O i l f i e l d C o m p a n y,S h a n n x i 7 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:S i n g l e i n t e r n a l a n t i-c o r r o s i o n t e c h n o l o g y i n k e y c o r r o s i o n a r e a s o f C h a n g q i n g o i l f i e l d c a n n o t m e e t t h e n e e d s o f o n-s i t e.T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e o p t i m i z a t i o n o f l o w a l l o y c o r r o s i o n-r e s i s t a n t p i p e i n t h e o i l f i e l d,w h i c h e v a l u a t e d t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e t h r o u g h i n d o o r h i g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e t e s t a n d f i e l d h a n g i n g r i n g t e s t,a n d r e a l i z e d l a r g e-s c a l e a p p l i c a t i o n o n-s i t e.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t e m p e r a t u r e h a d t h e g r e a t e s t e f f e c t o n t h e c o r r o s i o n r a t e.U n d e r t h e s a m e c o r r o s i o n c o n d i t i o n s,t h e a v e r a g e c o r r o s i o n r a t e a n d l o c a l c o r r o s i o n r a t e o f 5 C r l o w a l l o y c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l p r o d u c e d b y B a o s t e e l a n d B a o t o u S t e e l w a s l o w e r t h a n t h o s e o f N 8 0 s t e e l b y m o r e t h a n 5 0%a n d 4 0%,r e s p e c t i v e l y,a n d i t s p r e d i c t e d l i f e c o u l d r e a c h 1 0 y e a r s.5 C r l o w a l l o y c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l i s a n e f f e c t i v e a n d e c o n o m i c a l m a t e r i a l s e l e c t i o n s c h e m e t o r e d u c e l o c a l c o r r o s i o n i n k e y c o r r o s i o n a r e a s o f C h a n g q i n g o i l f i e l d.K e y w o r d s:C h a n g q i n g o i l f i e l d;a n t i c o r r o s i o n t e c h n o l o g y;l o w a l l o y c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l;f i e l d a p p l i c a t i o n 长庆油田现有8 0 0 0余口侏罗系油井,针对典型侏罗系井下高压物性测试发现,C O2含量为2%6%时,换算成井底C O2分压为0.1 50.2 5 M P a,属于中高腐蚀程度。井筒动液面以下套管普遍存在严重内腐蚀,自下而上两段的主要特征有:射孔段以上1 0 02 0 0 m范围发生严重内腐蚀;抽油泵到动液面收稿日期:2 0 2 1-0 5-2 6通信作者:郭 钢(1 9 8 6-),硕士,主要从事油气田化学领域研究与应用工作,1 5 8 2 9 2 9 3 3 8 3,g u o g-c q p e t r o c h i n a.c o m.c n之间,因混合产出液在花管扰动和泵抽汲等作用下,气液分离和介质交换加剧,游离态的C O2造成套管腐蚀速率增大。目前,套管主要防腐蚀措施为环氧涂层牺牲阳极技术,有效抑制了套管外腐蚀。近年来,侏罗系油井的套损与稳产的矛盾逐步凸显,新增套损井以侏罗系为主(占比8 3.8%)。油井内套管防腐蚀主要采用环氧酚醛涂层内防腐蚀技术,利用改性环氧酚醛喷涂热固化涂层隔绝腐蚀性介质。单一内涂层防腐蚀无法满足现场需要,需进一步改进防腐蚀措施,研究试验新型耐蚀管材,并结合其他防38第4 3卷 第1 2期2 0 2 2年1 2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 3 N o.1 2D e c e m b e r 2 0 2 2腐蚀等措施,降低套管局部腐蚀速率,控制油田套损率。本工作介绍了长庆油田低合金耐蚀管材的优选及其室内高温高压性能的评价效果,并在油田现场实现了矿场试验,以期为重点腐蚀区内防腐蚀技术推广提供参考,为长庆油田全生命周期防腐蚀提供一条经济可行的技术路径。1 低合金耐蚀管材研究针对环江、镇北油井套管严重的内腐蚀问题,从材料方面提升防腐蚀性能。(1)1 3 C r不锈钢 行业共识C r加量符合冶金“n/8”定律,C r质量分数大于1 2.5%,钢的电位正移(-4 0 05 5 0 mV),且 钢 表 面 可 形 成 致 密 的C r2O3膜层,其耐蚀性发生质变,但成本较高。(2)低C r钢 在碳钢中添加质量分数为1%5%C r和微量的N i、稀土等合金元素,以提升其耐蚀性1。(3)3 C r钢和5 C r钢 3 C r钢和5 C r钢的电化学曲线相似(见图1),表面富集C r(OH)3膜层;5 C r钢的耐蚀性较3 C r钢更好。对某钢厂生产的1 3 C r钢开展了前期评价,结果表明该材料在侏罗系井中的抗局部腐蚀性能有限2,如图1所示。图1 不同管材在侏罗系井中的极化曲线F i g.1 P o l a r i z a t i o n c u r v e s o f d i f f e r e n t p i p e s i n J u r a s s i c w e l l 限制1 3 C r钢在长庆油田中应用的主要问题有:5 C r钢成本较N 8 0钢提高了6 0%;而9 C r钢、1 3 C r钢成本较N 8 0钢更是提高了34倍;1 3 C r钢在含H2S、酸化措施液等环境中应用时,需在低温、高应力段控制硫化物应力腐蚀开裂(S S C C)风险3-4。科学院所和钢管公司的近期论证,研究认识一致,认为5 C r低合金耐蚀管材是有效降低局部腐蚀(5 0%),且经济的选材方案5-7,如图2所示。(a)国内(b)国外图2 国内及国外不同管材的耐蚀性评价8-9F i g.2 E v a l u a t i o n o f c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f d i f f e r e n t p i p e s a t h o m e(a)a n d a b r o a d(b)根据长庆油田室内优选评价结果,制得了5 C r低合金耐蚀钢,其主要化学成分见表1。2 低合金耐蚀管材性能评价2.1 高温高压试验优选三种5 C r低合金耐蚀钢,完成高温高压试验1 0组共7 9样次。试验条件:温度5 0 7 0;C l-质量浓度3 0 7 0 g/L;p H为5.5 6.5;PC O2为0.1 M P a;总压6 MP a。高温高压试验结果表明:各因素中温度对5 C r低合金耐蚀钢的腐蚀速率影响最大,相同腐蚀条件下,宝钢和包钢生产的5 C r低合金耐蚀钢的腐蚀速率较N 8 0钢的腐蚀速率低5 0%以上,5 C r低合金耐蚀钢的 耐 局 部 腐 蚀 能 力 明 显 优 于 普 通 碳 钢,如图34所示。表1 5 C r低合金耐蚀钢的主要化学成分T a b.1 M a i n c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f 5 C r l o w a l l o y c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l%wCwS iwM nwPwSwC rwM owVwA lwC e0.1 0 60.2 80.4 1 20.0 1 10.0 0 25.0 80.5 1 80.0 5 90.0 1 50.0 0 1 848郭 钢,等:长庆油田低合金耐蚀管材耐蚀性评价及现场应用图3 四种耐蚀管材的腐蚀速率随C l-含量的变化F i g.3 C h a n g e o f c o r r o s i o n r a t e o f f o u r c o r r o s i o n r e s i s t a n t p i p e w i t h C l-c o n t e n t(a)N 8 0钢(b)5 C r图4 耐蚀管材挂片清洗后的表面微观形貌F i g.4 S u r f a c e m i c r o-m o r p h o l o g y o f c o r r o s i o n r e s i s t a n t p i p e a f t e r c l e a n i n g:(a)N 8 0 s t e e l;(b)5 C r2.2 热处理性能5 C r低合金耐蚀钢经过热处理后的力学性能良好,如表2所示,热处理后的显微组织如图5所示,为回火索氏体。表2 5 C r低合金耐蚀钢热处理后的力学性能T a b.2 M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f 5 C r l o w a l l o y c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l a f t e r h e a t t r e a t m e n t屈服强度Rt 0.5/MP a抗拉强度Rm/MP a断后伸长率A/%冲击功(0)/J洛氏硬度/HR C布氏硬度/HBW6 1 57 0 32 7.53 1 2.61 8.02 2 6图5 热处理后5 C r低合金耐蚀钢的显微组织F i g.5 M i c r o s t r u c t u r e o f 5 C r l o w a l l o y c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l a f t e r h e a t t r e a t m e n t2.3 现场挂环试验2 0 1 9年1 1月2 0 2 0年4月,在镇北油田开展四口井下的腐蚀挂环现场评价试验。挂环材料为J 5 5钢和5 C r低合金耐蚀钢,挂环位置为泵下2 0 0 m、尾管。如表3所示:桐A井中的材料以均匀腐蚀为主,J 5 5钢的腐蚀速率是5 C r低合金耐蚀钢的1.7 22.1 8倍;镇B井中J 5 5钢及5 C r低合金耐蚀钢的腐蚀均较轻微,腐蚀速率均小于0.0 7 6 mm/a,材料表面未见明显腐蚀缺陷。如图68所示:5 C r低合金耐蚀钢表面覆盖有致密的龟裂状产物膜,其中C r质量分数达1 3.3 1%,是基体C r含量的2.6倍,说明该材料表面已形成以C r和F e的化合物为主的产物膜层,对基体起保护作用;J 5 5钢表面产物主要为疏松的铁的化合物,未表3 桐A井挂环试验结果T a b.3 H a n g i n g r i n g t e s t r e s u l t s o f T o n g A w e l l井下挂环挂环材质挂环位置挂环编号实验时间/d腐蚀速率/(mma-1)腐蚀速率/(mma-1)油管外挂式5 C r1 1 8根油管(1 1 0 8 m)1-11 3 20.0 1 0 10.0 1 2 21-21 3 20.0 1 4 3J 5 51-51 3 20.0 2 1 30.0 2 1 11-61 3 20.0 2 0 9尾管式5 C r尾管(1 2 7 0 m)1-11 3 20.1 1 9 40.1 1 7 81-21 3 20.1 1 6 2J 5 51-51 3 20.2 6 1 20.2 5 7 11-61 3 20.2 5 2 958郭 钢,等:长庆油田低合金耐蚀管材耐蚀性评价及现场应用(a)J 5 5钢(b)5 C r低合金耐蚀钢图6 桐A井挂环试验后J 5 5钢和5 C r低合金耐蚀钢的表面微观形貌F i g.6 S u r f a c e m i c r o-m o r p h o l o g y o f J 5 5 s t e e l(a)a n d 5 C r l o w a l l o y c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l(b)a f t e r h a n g i n g r i n g t e s t i n T o n g A w e l l(a)J 5 5钢(b)5 C r低合金耐蚀钢图7 桐A井挂环试验后J 5 5钢和5 C r低合金耐蚀钢的断面微观形貌F i g.7 C r o s s s e c t i o n m i c r o-m o r p h o l o g y o f J 5 5 s t e e l(a)a n d 5 C r l o w a l l o y c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l(b)a f t e r h a n g i n g r i n g t e s t i n T o n g A w e l l(a)J 5 5钢(b)5 C r低合金耐蚀钢图8 桐A井挂环试验后5 C r低合金耐蚀钢和J 5 5钢表面腐蚀产物的能谱图F i g.8 E n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r u m o f c o r r o s i o n p r o d u c t s o n t h e s u r f a c e o f J 5 5 s t e e l(a)a n d 5 C r l o w a l l o y c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l(b)a f t e r h a n g i n g r i n g t e s t i n T o n g A w e l l发现断面存在明显局部腐蚀1 0。3 现场应用 2 0 2 0年9月1 2月在环江、镇北重点区域腐蚀井段开展了十口井实物油管入井试验。如图91 0所示:与N 8 0钢套管相比,低合金耐蚀管材局部腐蚀速率明显降低(降低约4 2%),其预测寿命可达1 0 a;N 8 0钢管体内外表面均存在大量点蚀坑,个别试样外表面存在疑似裂纹。三根油管管体腐蚀产物中均存在F e S、F e C O3、F e3O4、F e2O3、(M g C a)C O3、C r O等物质。4 结论(1)5 C r低合金耐蚀钢是有效降低长庆油田重点腐蚀区局部腐蚀,且经济的选材方案。(2)室内试验表明,各因素中温度对5 C r钢腐蚀速率影响最大,相同腐蚀条件下,宝钢和包钢生产的5 C r低合金耐蚀钢的腐蚀速率较N 8 0钢低5 0%以上,5 C r低合金耐蚀钢的耐局部腐蚀能力明显优于普通碳钢。68郭 钢,等:长庆油田低合金耐蚀管材耐蚀性评价及现场应用 (a)N 8 0油管外壁(b)N 8 0油管内壁(c)5 C r油管外壁(d)5 C r油管内壁 图9 N 8 0和5 C r油管入井试验后内外壁的宏观形貌(清洗后)F i g.9 M a c r o-m o r p h o l o g y o f i n n e r a n d o u t e r w a l l s o f N 8 0(a,b)a n d 5 C r(c,d)t u b i n g a f t e r w e l l e n t r y t e s t(a f t e r c l e a n i n g)(a)N 8 0油管外壁(b)N 8 0油管内壁(c)5 C r油管外壁(d)5 C r油管内壁图1 0 N 8 0和5 C r油管入井试验后内外壁的显微组织形貌F i g.1 0 M i c r o s t r u c t u r e m o r p h o l o g y o f i n n e r a n d o u t e r w a l l s o f N 8 0(a,b)a n d 5 C r(c,d)t u b i n g (3)油田矿场试验表明,与N 8 0套管相比,低合金耐蚀的局部腐蚀速率明显降低,预测寿命可达1 0 a。参考文献:1 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