用于酸性環境的井口裝置和采油樹材料選擇

李世偉，李繼東

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

近幾十年來，含有酸性腐蝕介質的氣田層出不窮，腐蝕給油氣田的開發和生產帶來了巨大的經濟損失，腐蝕問題越來越受到關注[1]。硫化氫是酸性氣田設施腐蝕的最危險因素，特別是石油套管等井下設備的毒性直接威脅人身安全，更容易造成嚴重的環境污染。

1 酸性腐蝕機理

由于拉伸應力和特定化學介質的共同作用，一段時間內低應力脆性破壞現象稱為應力腐蝕破裂。應力腐蝕裂紋不是由于金屬應力作用下的機械失效和化學介質作用下的腐蝕失效重疊造成的，而是應力和化學介質共同作用下的維持力機制。絕熱阻力遠低于單因素重疊的絕熱阻力酸腐蝕，是指環境中的硫化氫導致材料開裂。油井設備和采油樹零部件的屈服強度遠低于材料屈服強度時，這些裂紋可能會造成設備的脆裂失效[2]。

在電離條件下，生成的硫化氫滲透到金屬材料中造成金屬開裂，如與鋼接觸形成宏電池，加速金屬腐蝕。材料的極限腐蝕應力，使套管、閥門等油井裝置在硫化氫和壓力作用下容易發生應力腐蝕裂紋，導致裝置損壞。材料耐蝕性的可靠性評價有助于指導裝置設計，選擇適合裝置生產的材料，并能有效控制腐蝕的發生和影響。

2 酸性環境復雜壓力條件下井控裝備

酸性環境的地層壓力高，硫化氫氣體濃度高，有多壓力系統，安全窗口窄，多級非正規井結構，裸長短，大小長短長，儲層能源，產量高，氣體溢出后滑倒，竄速快，鉆井作業中井難以控制，風險大，配套要求高。為了做好井控工作，提高井控技術的控制能力，實現鉆井的本質安全，防止井噴失控或硫化氫溢出中毒事故的發生，某工程建設項目根據高壓、高山、高硫的要求，分析現場復雜環境地形、鉆井過程中產生的井噴控制力和硫化氫溢出中毒事故等，確定壓力等級和材料要求。

配置井控制設備時，根據鉆孔地層的最高地層壓力，選擇高于該壓力水平的井控制設備。地層壓力＞105 MPa 的區域，應根據最大的井口壓力選擇[3]。材料選擇必須滿足20%的抗硫、10%的抗二氧化碳、180 000×10-6的氯離子濃度要求。在密封性能方面，應同時滿足井控設備的密封要求和氣密性要求。在處理能力上，需要滿足氣體溢出和噴出特性及井控技術要求的數量和配置。小而易損壞的井控工具和設備需要現場完整備份，主要井控設備需要在相應的井控工廠進行備份，以便及時提供井控。

（1）噴霧組。噴霧組的壓力等級與最大地層壓力一致，根據井下情況為各鉆頭選擇噴霧系列及組合形式。根據抗硫化氫含量的要求，選擇了抗硫化氫腐蝕等級最高的材料配合新區第一個勘探井，為防腐等級的流量[4]。

（2）套管頭。酸性環境區域中，連接到井下的套管采用套管頭蓋形式。懸掛方式主要是中軸懸掛，必須配備緊急卡瓦，芯棒懸掛設計符合要求。芯軸懸掛不能放下時，應使用備用緊急卡瓦懸掛。由于更換密封，上十字軸的輔助密封不需要更換。懸架需要優秀的密封性能，才能達到套管頭的額定密封[5]。

（3）節流放噴管匯。區內第一個勘探井和特殊井控危險井應設置雙節氣門和雙液氣分離器，其余勘探井和開發井可以使用單節流管。噴淋器的壓力等級、組合形式和防腐要求必須一致；節流管使用交叉直線連接，不允許彎頭連接；圖釘管的壓力等級及連接形式應與噴管器一致。

3 酸性環境下的材料選擇

氣田設備的腐蝕類型主要是平臺腐蝕、環腐蝕和侵蝕腐蝕，除了環境因素以外，其他因素都是可以控制的。部分材料不適合油井采油樹的惡劣環境，根據不同的酸性環境條件，選擇鋼材的耐蝕性是最安全、最簡單、最有效的方法（表1）。

表1 材料選擇

3.1 材料類別選擇

壓力控制部件、閥門和芯軸懸掛等部件，應使用與一般使用環境對應的碳鋼、低合金鋼和不銹鋼。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和防腐蝕材料應使用與酸性環境相對應的抗腐蝕合金（CRA）材料。油井裝置和采油樹的主體、蓋子、末端和出口連接裝置是壓力部件、閥門板和閥門，均是壓力控制部件[6]。

根據儲液的一般使用條件和酸性環境使用條件，參照二氧化碳分壓判斷儲液腐蝕程度：①二氧化碳分壓＜0.05 MPa，以未腐蝕的條件選擇AA 和DD 材料；②二氧化碳分壓在0.05～0.21 MPa時是輕微腐蝕，使用BB 和EE 材料；③二氧化碳分壓＞0.21 MPa，必須使用CC、FF 或HH 材料。

在酸性環境下，只有二氧化碳分壓＜0.05 MPa（即被認為是腐蝕性條件）時，碳鋼和低合金鋼才能用作油井設備的壓力、控制、閥門、芯柱懸掛和采油樹部件。雖然可以滿足硫化氫濃度的酸性環境條件，但二氧化碳分壓為0.05～0.21 MPa 時，碳鋼可以用作油井設備的壓力部件、控制、閥門和芯子懸掛和油樹組件，低合金鋼只能用作頂部和油樹組件的壓力部件，但不能用于壓力控制部件、閥門和芯子懸掛[7]。二氧化碳分壓＞0.21 MPa 時，不能使用碳鋼和低合金鋼。

3.2 環境限制

環境中存在的硫化氫或二氧化碳會在特定地區發生應力方向滲氫，導致裂紋和中心故障的可能性更高。文獻提供了油田生產中常用的材料，合金腐蝕和硫化氫裂紋均與環境有關（圖1）。根據國內外常用的油井設備及采油水壓力組件、壓力控制組件、閥門及中心軸懸掛器，以酸性環境下使用要求選擇材料，尤其中心軸懸掛器的選材非常嚴格，一般要先滿足閥門、中心軸懸掛器的使用限制。

圖1 管材選用

4 抗硫化氫腐蝕開裂的工藝措施及建議

除了主要選擇滿足耐硫化氫環境的材料外，還可以通過改進工藝措施，如材料成分、組織結構、金屬接觸表面處理等，改善與耐硫化氫有關的應力腐蝕開裂的影響因素。

（1）避免間隙腐蝕。對間隙腐蝕的發生和發展起決定性作用的是間隙的大小：當金屬表面間的間隙較小時，間隙內外離子濃度梯度和電位差較大，易發生間隙腐蝕；當間隙寬度增大，間隙內外離子濃度梯度和電位分布均勻，腐蝕速率降低，則不會發生縫隙腐蝕。

（2）降低材料中有害元素的含量。降低硫和錳的含量以及硫化錳的數量和形態，可以降低裂紋形成的概率。通過高溫回火，可以獲得硬度較低的均勻組織，有利于提高金相組織的抗硫性。二次回火也能消除殘余應力，提高氫滲透性[8]。

（3）盡可能避免異種金屬接觸引發電偶腐蝕。閥桿（陰極）和蓋（陽極）與錐體接觸形成上密封，當閥桿為718 耐腐蝕合金（高電位）且閥蓋為410 不銹鋼（低電位）時，會發生電偶腐蝕。在非均勻金屬組合中，應盡量使用電位相近的金屬，以避免潛在的腐蝕。否則，應在密封接觸面上加陽極涂層，以避免電偶腐蝕。

（4）零件的表面處理。應采用硬化工藝或在零件表面添加耐腐蝕層和涂層，如鍍銅、鍍鋁、滲氮等工藝，以確保耐腐蝕層或作為保護層的涂層在長期使用中仍能保持其完整性。同時，還應考慮到部分表面硬化材料是脆性的，硬化層在拉伸過程中可能出現裂紋。

5 結語

我國對天然氣的需求不斷增加，專業設備購置量大，需要在現有技術限制下減緩設備腐蝕，為我國能源工作提供有力幫助。