金壇鹽穴儲氣井生產套管的腐蝕行為及其防護措施

,,, (中國石化江蘇油田分公司 石油工程技術研究院，揚州 225009)

鹽巖的密封性、低滲透性和損傷自愈合性良好，使鹽穴儲氣井的安全性高，十分有利于天然氣儲備，已成為我國天然氣儲備的重點部署方向。近年來，中石油、中石化相繼在江蘇金壇地區投資建設一批鹽穴儲氣井。金壇儲氣井的深度為890～1 040 m，環境溫度為-8～39.7 ℃，預測井口溫度最高為40 ℃。這些鹽穴儲氣井的設計壽命通常都在30 a以上。鹽穴儲氣井的生產套管一般采用N80鋼,它們除受到夏注冬采時的交變應力作用外，還長期處于鹽鹵等惡劣環境中。生產套管選用與防護直接關系到鹽穴儲氣井能否長期安全運行。為了弄清生產套管在使用工況下的腐蝕行為，對N80鋼進行了飽和NaCl溶液腐蝕實驗室評測試驗，希望為金壇地區鹽穴儲氣井科學合理選用套管和采取針對性防護措施提供依據。

1 試驗

試驗材料為N80鋼，將其制成尺寸為40 mm×13 mm×2 mm的掛片試樣。然后，根據SY/T 5390-1991《鉆井液腐蝕性能檢測方法 鉆桿腐蝕環法》，采用常壓靜態腐蝕試驗法對N80鋼進行腐蝕浸泡試驗。

根據金壇鹽穴儲氣井的地下溫度條件，確定腐蝕浸泡試驗的溫度分別為40，50，60，70 ℃；腐蝕介質采用飽和NaCl溶液；腐蝕時間分別為0.5，1，2，4，6個月。將腐蝕介質置于500 mL玻璃廣口瓶中，然后將掛片懸掛全浸于腐蝕介質中，再將玻璃廣口瓶放入控溫恒溫箱，每個試驗條件測2個試樣。

通過試樣腐蝕前后的質量差(失重法)計算腐蝕速率，觀察試樣的宏觀腐蝕形貌，并根據平均腐蝕速率和最大腐蝕速率預測套管鋼的剩余腐蝕壽命。

2 結果與討論

2.1 腐蝕速率

由圖1可見,隨著腐蝕時間的延長，N80鋼掛片的平均腐蝕速率的變化趨勢不盡相同。在40，70 ℃下，N80鋼的平均腐蝕速率隨腐蝕時間的延長總體表現為減小的趨勢;而在50，60 ℃下，N80鋼的平均腐蝕速率隨著腐蝕時間的延長總體表現為逐漸增大的趨勢，但增幅很小;而在相同的腐蝕時間內，除40 ℃下N80鋼掛片的平均腐蝕速率變化異常外，其他溫度下掛片的平均腐蝕速率均呈現隨溫度的升高而增大的趨勢。

圖1 不同溫度、時間條件下N80鋼在飽和NaCl溶液中的平均腐蝕速率Fig. 1 Average corrosion rates of N80 steel in saturated NaCl solution at different temperatures for different periods of time

由圖2可見，在飽和NaCl溶液中腐蝕后，N80鋼的腐蝕程度與腐蝕時間關系較大。

(a) 50 ℃×0.5月(b) 60 ℃×0.5月(c) 60 ℃×1月 (d) 50 ℃×2月

(e) 60 ℃×2月(f) 70 ℃×4月 (g) 40 ℃×6月 (h) 60 ℃×6月 (i) 70 ℃×6月 圖2 飽和NaCl溶液中的腐蝕掛片試驗照片Fig. 2 Experimental images of corrosion coupons in saturated NaCl solution

2.2 腐蝕壽命

飽和NaCl溶液對N80鋼套管的腐蝕主要為全面腐蝕，但也存在局部腐蝕現象，見圖2。這可能與套管在制造過程中產生的組織缺陷和局部應力集中等因素有關，同時飽和NaCl溶液中的Cl-具有較強的穿透能力和吸附能力[1-2]，Cl-首先穿透套管的薄弱點，致使套管局部產生腐蝕[3]。

金壇儲氣井運行工作壓力為16 MPa，最大深度為1 000 m，生產套管直徑為244.5 mm，壁厚為11.99 mm。根據API Bul 5C2-1999規范中的規定，φ244.5 mm N80鋼套管腐蝕后的剩余壁厚不能小于10.03 mm，故將N80鋼套管壁厚由11.99 mm被腐蝕至10.03 mm所需時間作為該套管的腐蝕壽命。使用Landmark公司的StressCheck R5000套管三軸壓力設計軟件進行強度校核，N80鋼套管抗拉安全系數4.27，抗擠安全系數1.46，抗內壓安全系數2.25，三軸應力系數為2.80，校核后強度仍能滿足強度安全要求。根據不同溫度下N80鋼套管的平均腐蝕速率與最大腐蝕速率計算其腐蝕壽命，結果見表1。由表1可見，在不同溫度的飽和NaCl溶液中，按平均腐蝕速率和最大腐蝕速率計算的N80鋼套管的腐蝕壽命都在50 a以上，均滿足鹽穴儲氣井設計壽命30 a以上的要求。

2.3 鹽穴儲氣井生產套管選用與防護建議

由N80鋼套管在飽和NaCl溶液中的平均腐蝕速率和最大腐蝕速率計算的腐蝕壽命均滿足鹽穴儲氣井設計壽命30 a以上的要求，可見飽和NaCl溶液對N80鋼套管腐蝕壽命的影響很小，可忽略不計，但飽和NaCl溶液中的Cl-具有較強的穿透能力和吸附能力，易引起N80鋼的局部腐蝕或坑蝕現象[4]，導致套管壽命縮短。建議在鹽穴儲氣井生產套管設計時選用耐蝕性更好的材料，如L80或N80低鉻(3Cr)氣密封套管，并對生產套管采取腐蝕防護措施。

表1 掛片腐蝕試驗平均腐蝕速率和最大腐蝕速率計算結果Tab. 1 Average corrosion rates and maximum corrosion rates of hanging plate corrosion tests

對于儲氣井生產套管保護分內、外壁防蝕兩個方面。

目前，對于儲氣井套管外壁的防蝕尚無統一認識。多數人認為固井段有混凝土的緊密包覆，已起到隔絕空氣的作用，可抵御化學腐蝕的侵襲，生產套管管外水泥漿返到地面，可以不必采取任何防蝕措施。

由于鹽穴儲氣井需要經歷建腔時采鹵和建腔后儲氣注采兩個階段，因此對于套管內壁防護需考慮兩個完全不同的工況。在建腔時采鹵階段，由于高含量Cl-、SO42-的存在，套管內壁極易發生腐蝕，所以建腔時采鹵階段套管內壁保護是儲氣井套管保護的重中之重。建議此階段采用油墊法采鹵，如圖3所示，在生產套管與造腔外管間注入柴油，這樣除了可以保護生產套管內壁防止高含量Cl-、SO42-腐蝕，同時也可抑制上溶速率，控制溶腔形態，一舉兩得。在建腔后儲氣注采階級，套管內壁防護主要與天然氣質量有關。通過長期試驗得出以下結論:濕天然氣中，當H2S質量濃度不高于6 mg/m3時，天然氣對金屬材料無腐蝕作用；當H2S質量濃度小于20 mg/m3時，天然氣對鋼材無明顯腐蝕或這種腐蝕程度在工程可接受范圍內。注入儲氣井的天然氣都經過脫水除硫處理，因此儲氣注采階段套管內壁一般無需進行防腐蝕處理。如要進行保護，可采用封隔器+環空保護液技術，如圖4所示，即在注采管柱下使用管外封隔器，在生產套管與注采管柱外注入環空保護液對生產套管實施保護。

圖3 油墊法采鹵示意圖Fig. 3 Schematic diagram of oil cushion method

圖4 封隔器+環空保護液技術Fig. 4 Packer+annulus protection fluid technology

3 結論

(1) 飽和NaCl溶液對N80鋼套管的腐蝕主要以全面腐蝕為主，對其腐蝕壽命的影響很小，但飽和NaCl溶液中的Cl-具有較強的穿透能力和吸附能力，易引起N80鋼的局部腐蝕或坑蝕現象，導致套管壽命縮短。

(2) 為防止局部腐蝕或坑蝕的產生，建議生產套管設計時選用耐蝕性更好的材料，并對生產套管采取腐蝕防護措施。對于儲氣井生產套管保護，重點在于建腔時采鹵階段套管內壁保護，可采用油墊法采鹵，通過隔絕鹽鹵與生產套管的接觸來減輕套管腐蝕。

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