巴格德雷合同區(qū)域B區(qū)井口腐蝕研究分析

李世兵 何志強(qiáng) 楊 穎 劉培濤 黃 晉 蘇明慧 王 鵬

1. 中國(guó)石油西南油氣田分公司重慶氣礦, 重慶 400707;2. 中國(guó)石油西南油氣田分公司儲(chǔ)氣庫(kù)管理處, 重慶 401121;3. 中國(guó)石油西南油氣田分公司川港公司, 重慶 400021

0 前言

天然氣中含H2S、CO2等酸性氣體,在氣田水、高溫高壓等作用下,對(duì)井口采氣樹(shù)、工藝管線(xiàn)形成腐蝕，可能導(dǎo)致井口閥門(mén)失效，法蘭密封不嚴(yán)，工藝管線(xiàn)穿孔或開(kāi)裂，引發(fā)天然氣泄漏，給生產(chǎn)管理人員、設(shè)備設(shè)施帶來(lái)危害。

巴格德雷合同區(qū)域B區(qū)生產(chǎn)過(guò)程中,井口一級(jí)節(jié)流閥開(kāi)關(guān)失效,不能完全關(guān)斷或者不能控制配產(chǎn)生產(chǎn),投產(chǎn)后維修、更換井口一級(jí)節(jié)流閥55井次;二級(jí)節(jié)流閥上下游法蘭密封不嚴(yán),天然氣泄漏,投產(chǎn)后二級(jí)節(jié)流閥上下游法蘭泄漏整改10井次;二級(jí)節(jié)流閥后大小頭焊縫開(kāi)裂,天然氣泄漏,投產(chǎn)后因二級(jí)節(jié)流閥下游大小頭焊縫開(kāi)裂,更換大小頭6井次,通過(guò)無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫腐蝕嚴(yán)重,更換大小頭16井次。井口工藝腐蝕嚴(yán)重,給天然氣生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。為了確保安全生產(chǎn),對(duì)井口工藝腐蝕原因進(jìn)行分析研究,并對(duì)下一步生產(chǎn)管理提出建議措施。

1 項(xiàng)目基本情況

巴格德雷合同區(qū)域位于土庫(kù)曼斯坦東北部列巴

普州的阿姆河右岸地區(qū),因此也稱(chēng)為阿姆河右岸項(xiàng)目。阿姆河右岸天然氣區(qū)塊項(xiàng)目按產(chǎn)品分成的不同分為A區(qū)和B區(qū),其中B區(qū)2014年開(kāi)始投產(chǎn)試運(yùn),投產(chǎn)后各氣田迅速建產(chǎn),已形成70×108m3/a產(chǎn)能。B區(qū)轄區(qū)有B-P、Y-Q等19個(gè)氣田(構(gòu)造),60余口氣井,最高產(chǎn)能達(dá)2 500×104m3/d,地層原始?jí)毫?0 MPa左右,單口氣井日產(chǎn)氣量在20×104～120×104m3/d之間,同時(shí)產(chǎn)凝析油及地層水(或者凝析水),氣質(zhì)中H2S含量為0.1～6.0 g/m3,CO2含量為50～75 g/m3,井口溫度為50～97℃[1-2]。

氣井天然氣經(jīng)過(guò)井口采氣樹(shù)流出,經(jīng)過(guò)采氣樹(shù)一級(jí)節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入井口采氣工藝管線(xiàn),經(jīng)過(guò)二級(jí)節(jié)流閥節(jié)流后,通過(guò)采氣管線(xiàn)輸往集氣站。氣井投產(chǎn)初期井口油壓在45 MPa左右,一級(jí)節(jié)流后壓力控制在25 MPa以?xún)?nèi),二級(jí)節(jié)流后壓力控制在10 MPa以?xún)?nèi)。井口采氣樹(shù)主要為Cameron、FMC、MSP等類(lèi)型,其中井口一級(jí)節(jié)流閥為FF級(jí),一二級(jí)節(jié)流閥之間的管道采用ISO 3183 L 360 QS,二級(jí)節(jié)流閥閥體閥蓋材料采用AISI 4130并堆焊UNS N 06625,配對(duì)法蘭材料采用ASTM A 694 F 52。采取加注緩蝕劑保護(hù)措施,加注點(diǎn)設(shè)置在一級(jí)節(jié)流閥上游。井口工藝管線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 井口工藝設(shè)計(jì)圖

2 腐蝕部位及類(lèi)型

日常生產(chǎn)及檢維修過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)井口采氣工藝管線(xiàn)、閥門(mén)及配套法蘭、密封鋼圈等多處出現(xiàn)腐蝕情況,甚至出現(xiàn)焊縫腐蝕開(kāi)裂,造成天然氣泄漏。

2.1 腐蝕部位

腐蝕主要發(fā)生在一級(jí)節(jié)流閥,一級(jí)節(jié)流閥下游法蘭,密封鋼圈,一、二級(jí)節(jié)流閥之間管段內(nèi)部,二級(jí)節(jié)流閥上、下游法蘭大小頭焊縫等部位[3-5]。常見(jiàn)腐蝕部位見(jiàn)圖2。

a)井口腐蝕位置1(一級(jí)節(jié)流閥及下游法蘭、鋼圈)

b)井口腐蝕位置2(二級(jí)節(jié)流閥前、后)

c)一、二級(jí)節(jié)流閥間管段內(nèi)壁腐蝕形貌

d)一、二級(jí)節(jié)流閥間管段壁厚檢測(cè)

2.2 腐蝕類(lèi)型

在油氣田開(kāi)采中,由于氣井產(chǎn)出天然氣通常都含有水、鹽分、酸性液體及氣體、細(xì)菌及其他物質(zhì),而天然氣生產(chǎn)過(guò)程中所使用的金屬管道、閥門(mén)及其他設(shè)備在上述介質(zhì)環(huán)境中必將發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)多相反應(yīng)。巴格德雷合同區(qū)域B區(qū)氣井采氣工藝管線(xiàn)在高溫高壓環(huán)境下,受強(qiáng)氣流、H2S、CO2等酸性氣體和氣田水的作用,主要腐蝕類(lèi)型有金屬化學(xué)或電化學(xué)形成的坑點(diǎn)腐蝕,高產(chǎn)、高壓差氣流引起的沖刷腐蝕,金屬材料在應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)作用下的應(yīng)力腐蝕等[6]。

2.2.1 坑點(diǎn)腐蝕

坑點(diǎn)腐蝕是金屬和外部介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，在金屬表面形成腐蝕坑點(diǎn),腐蝕坑點(diǎn)不斷加深,會(huì)導(dǎo)致管線(xiàn)穿孔，引發(fā)天然氣泄漏。坑點(diǎn)腐蝕在巴格德雷合同區(qū)域B區(qū)采氣工藝管線(xiàn)及閥門(mén)中普遍存在,一、二級(jí)節(jié)流閥間管道內(nèi)表面存在明顯的坑點(diǎn)腐蝕,且管道沿介質(zhì)流向6點(diǎn)鐘方向腐蝕程度最為嚴(yán)重,最大腐蝕坑深為5.23 mm,平均腐蝕速率大約為1.2 mm/a。在一、二級(jí)節(jié)流閥法蘭、密封鋼圈、大小頭等處也存在明顯的坑點(diǎn)腐蝕,大小頭變徑處存在明顯的坑點(diǎn)腐蝕和腐蝕產(chǎn)物層脫落現(xiàn)象[7]。一、二級(jí)節(jié)流閥間直管段腐蝕情況見(jiàn)圖3。

2.2.2 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是指流動(dòng)介質(zhì)的機(jī)械力對(duì)金屬的破壞。高產(chǎn)量天然氣在節(jié)流閥處形成高壓差氣流,對(duì)一級(jí)節(jié)流閥閥芯和一級(jí)節(jié)流閥后配對(duì)法蘭密封面、密封鋼圈形成強(qiáng)烈的沖刷,導(dǎo)致閥芯被沖蝕破損或者閥門(mén)失效,不能按照配產(chǎn)控制產(chǎn)量,或不能完全關(guān)斷,一級(jí)節(jié)流閥下游法蘭、鋼圈沖蝕嚴(yán)重,密封面腐蝕,密封不嚴(yán),造成天然氣泄漏[8-10]。井口閥門(mén)、法蘭、鋼圈沖刷腐蝕情況見(jiàn)圖4。

2.2.3 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是指金屬材料在拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境下,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間發(fā)生的低應(yīng)力脆性開(kāi)裂現(xiàn)象。二級(jí)節(jié)流閥下游大小頭焊縫受化學(xué)腐蝕和應(yīng)力共同作用,導(dǎo)致大小頭焊縫腐蝕嚴(yán)重,焊縫開(kāi)裂并不斷加大,直至造成天然氣泄漏[11]。二級(jí)節(jié)流閥下游大小頭應(yīng)力腐蝕情況見(jiàn)圖5。

a)一、二級(jí)節(jié)流閥間直管段壁厚檢測(cè)結(jié)果

b)一、二級(jí)節(jié)流閥間腐蝕坑深度統(tǒng)計(jì)圖

c)直管段6點(diǎn)鐘方向有明顯點(diǎn)腐蝕

d)直管段腐蝕坑深測(cè)量分布圖

b)一級(jí)節(jié)流閥配對(duì)法蘭密封槽腐蝕

c)一級(jí)節(jié)流閥配對(duì)法蘭鋼圈磨損

a)二級(jí)節(jié)流閥下游大小頭焊縫內(nèi)部腐蝕

b)二級(jí)節(jié)流閥下游大小頭焊縫腐蝕開(kāi)裂

3 腐蝕形成原因分析

取現(xiàn)場(chǎng)腐蝕相對(duì)較重的氣井樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析,樣品包含氣井一級(jí)節(jié)流閥后配對(duì)法蘭、大小頭及相連直管段(直管段長(zhǎng)度約500 mm)、二級(jí)節(jié)流閥前大小頭等,進(jìn)行金屬相關(guān)的理化性能分析、耐蝕性能分析及流態(tài)分析[12-13]。具體實(shí)驗(yàn)分析內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1實(shí)驗(yàn)分析內(nèi)容

序號(hào)項(xiàng)目試驗(yàn)內(nèi)容試驗(yàn)對(duì)象試驗(yàn)結(jié)果1理化性能分析化學(xué)成分分析對(duì)材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析法蘭、大小頭、直管段,每個(gè)部位各取1件滿(mǎn)足相應(yīng)技術(shù)規(guī)格書(shū)要求金相檢驗(yàn)顯微組織、晶粒度、非金屬夾雜物等分析法蘭、大小頭、直管段滿(mǎn)足相應(yīng)技術(shù)規(guī)格書(shū)要求拉伸試驗(yàn)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率測(cè)試直管段滿(mǎn)足相應(yīng)技術(shù)規(guī)格書(shū)要求沖擊試驗(yàn)抗低溫沖擊韌性測(cè)試法蘭、直管段滿(mǎn)足相應(yīng)技術(shù)規(guī)格書(shū)要求壁厚檢測(cè)采用超聲波進(jìn)行宏觀壁厚檢測(cè)直管段存在電化學(xué)腐蝕引起的腐蝕坑點(diǎn)硬度檢測(cè)進(jìn)行硬度檢測(cè)分析采用金相分析試樣,對(duì)法蘭、大小頭、直管段進(jìn)行硬度測(cè)試滿(mǎn)足相應(yīng)技術(shù)規(guī)格書(shū)要求沖擊腐蝕每組2個(gè)樣,模擬現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)直管段發(fā)生明顯的沖刷腐蝕表面形貌及腐蝕產(chǎn)物分析(能譜分析、掃描電鏡分析)對(duì)不同部件表面形貌及腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析直管段腐蝕產(chǎn)物較疏松,主要為顆粒狀和絮狀,主要元素為C、O、S、Fe2耐蝕性能分析HIC試驗(yàn)抗HIC性能測(cè)試直管段滿(mǎn)足相應(yīng)技術(shù)規(guī)格書(shū)要求SSC試驗(yàn)抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂試驗(yàn)直管段滿(mǎn)足相應(yīng)技術(shù)規(guī)格書(shū)要求3流態(tài)分析模擬現(xiàn)場(chǎng)工況,進(jìn)行一級(jí)節(jié)流閥后閥門(mén)、大小頭以及相連直管段的流態(tài)分析一級(jí)節(jié)流閥、大小頭以及相連直管段發(fā)生明顯的沖刷腐蝕

3.1 腐蝕產(chǎn)物

從單井直管段管道取樣,按照《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》和《微束分析能譜法定量分析》標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物形貌及其元素組分分析。

管道內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物典型形貌見(jiàn)圖6,腐蝕產(chǎn)物較疏松,主要為顆粒狀和絮狀,主要元素為C、O、S、Fe,經(jīng)分析可能為管道碳鋼基體材料與介質(zhì)反應(yīng)生成的FeCO3、BaSO4、SiO2、Fe3O4、FeS類(lèi)產(chǎn)物[14-15]。

3.2 腐蝕形成原因分析

3.2.1 電化學(xué)腐蝕形成原因

3.2.2 沖刷腐蝕形成原因

投產(chǎn)初期多數(shù)氣井日產(chǎn)氣量在60×104～80×104m3/d 之間,井口油壓40 MPa左右,井口溫度75℃左右,一級(jí)節(jié)流閥節(jié)流后壓力20 MPa左右。節(jié)流閥前后管徑發(fā)生突變,節(jié)流閥過(guò)流孔徑遠(yuǎn)小于節(jié)流閥前后管道管徑,介質(zhì)流速增大,流態(tài)紊亂;同時(shí),腐蝕產(chǎn)物中含有FeCO3、BaSO4、SiO2、Fe3O4、FeS等物質(zhì),分析認(rèn)為主要為井底帶出巖屑、臟物及腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物與氣田水、凝析油在節(jié)流處堆積形成砂粒類(lèi)固體雜質(zhì)。因此,高產(chǎn)量天然氣中伴有固體雜質(zhì),在高壓差及酸性環(huán)境下,對(duì)節(jié)流閥閥芯及閥套、配對(duì)法蘭、鋼圈形成強(qiáng)烈沖刷及腐蝕,導(dǎo)致節(jié)流閥閥芯、閥套破損失效,法蘭、鋼圈沖蝕[17-18]。

3.2.3 應(yīng)力腐蝕形成原因

二級(jí)節(jié)流閥前后管徑發(fā)生突變,天然氣流速增大,節(jié)流閥下游管壁面剪切應(yīng)力增大,節(jié)流壓降越大,下游壁面剪切應(yīng)力越大。加之焊縫處為大小頭、法蘭、焊條三種不同的材質(zhì),受腐蝕程度更為嚴(yán)重,同時(shí)焊接時(shí)在管線(xiàn)內(nèi)壁形成高于管壁的凸型環(huán),節(jié)流后高產(chǎn)、高壓氣體對(duì)焊縫形成強(qiáng)烈的沖刷腐蝕,焊縫處沖刷形成深溝,厚度減薄。因此,二級(jí)節(jié)流閥后大小頭焊接金屬材料,在含H2S、CO2、氣田水、凝析油及雜質(zhì)的復(fù)雜腐蝕介質(zhì)中,受拉應(yīng)力和強(qiáng)烈沖蝕作用,形成應(yīng)力腐蝕,導(dǎo)致大小頭焊縫開(kāi)裂[19-21]。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)井口采氣工藝管道腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕引起的坑點(diǎn)腐蝕,主要受天然氣介質(zhì)中酸性氣體CO2腐蝕。

2)井口一級(jí)節(jié)流閥閥芯、一級(jí)節(jié)流閥配對(duì)法蘭、鋼圈主要為沖刷腐蝕,主要受高產(chǎn)、高壓差天然氣介質(zhì)沖刷腐蝕所致。

3)二級(jí)節(jié)流閥后大小頭焊縫腐蝕主要為應(yīng)力腐蝕,主要受電化學(xué)腐蝕及應(yīng)力共同作用下的應(yīng)力腐蝕。

4.2 建議

由于井口閥門(mén)、工藝管線(xiàn)嚴(yán)重腐蝕帶來(lái)的閥門(mén)失效,法蘭泄漏,焊縫開(kāi)裂,導(dǎo)致氣井無(wú)法按照合理配產(chǎn)進(jìn)行生產(chǎn),甚至存在天然氣泄漏安全隱患。建議:

1)井口一級(jí)節(jié)流閥更換更高級(jí)別抗沖刷腐蝕的閥門(mén),如HH級(jí)節(jié)流閥。

2)高產(chǎn)氣井(產(chǎn)量>50×104m3/d)一二級(jí)節(jié)流閥之間的管道、大小頭、法蘭等管道組件材質(zhì)由碳鋼更換成適用性更好的耐蝕合金材料,如采用堆焊625合金焊材制造的管道、大小頭等管道組件;低產(chǎn)氣井(產(chǎn)量<50×104m3/d)暫不更換,合理調(diào)節(jié)一、二級(jí)節(jié)流閥之間生產(chǎn)壓力,減少壓差,監(jiān)控生產(chǎn)運(yùn)行,視下步腐蝕情況采取相應(yīng)措施。