酸性油气井用油套管选材与评价方法.pdf

7O 石 油 与 天 然气 化 工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG 0F 0I L GAS 酸性油气井用油套管选材与评价方法 杨 建强 张 忠铧 周 庆军 郭金 宝 宝山钢铁股份有 限公 司 摘 要 介 绍 了相 关 国 际标 准 对 包括 低合 金抗 硫 管 、 马 氏体 不锈 钢 、 镍基 合金 在 内的 酸性 油 气田 用 油套 管钢使 用极 限和评 价 方法 的相 关规 定 ， 同时也介 绍 了 宝钢 在 模 拟 油 气 田 实 际工 况条 件 下 各 类 油套 管钢使 用极 限方 面的研 究进 展和 使 用经验 ， 并 对相 关标 准 的模糊 之 处进行 了解读 和补 充 。 关 键 词 油套 管使 用极 限酸性环 境评价 方 法 中 图分 类号 TE 9 8 8 ． 2 文 献标 志码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 5 S e l e c t i o n a n d e v a l u a t i o n m e t ho d s o f c a s i ng a nd t u b i ng m a t e r i a l s f 0 r s o u r e n v i r o n m e nt s Ya n g J i a n q i a n g ，Zh a n g Zh o n g h u a，Z h o u Qi n g j a n，Gu o J i n b a o Ba o s h a n I r o n St e e l Co ． ，Lt d，S h a n g h a i 2 0 1 9 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h i s pa pe r，t he a ppl i c a t i on l i m i t a nd e v a l ua t i o n m e t ho ds o f c a s i ng a nd t ubi n g ma t e r i a l s us e d i n s o ur oi l or g a s we l l s i n r e l a t e d i nt e r n a t i o na l s t a n da r d s w e r e d i s c us s e d．t he s e ma t e r i a l s i nc l u d i ng l o w a l l oy s t e e l ，ma r t e ns i t e s t a i n l e s s s t e e l a nd ni c ke l ba s e d a l l oy s ．Re s e a r c h pr o gr e s s a n d e xp e r i e nc e o f t h e a pp l i c a t i o n l i m i t o f a b ov e ma t e r i a l s i n Ba os t e e l w e r e br i e f l y i n t r od uc e d，a nd a m b i gu i t i e s o f t h e r e l a t e d s t a n da r ds we r e a na l y z e d a n d s u ppl e m e n t e d． Ke y wo r d sc a s i n g a nd t u bi n g m a t e r i a l s，a pp l i c a t i on l i m i t ，s ou r e n vi r o nme nt ， e va l u a t i o n m e t ho d 近 年来 ， 低合 金 抗 硫 管 、 马 氏 体 不 锈 钢 、 双 相 不锈 钢及镍基合金在内的各类油井管在含 H S 、 C O 等腐 蚀 介质 的油 气 田 中得 到 了广泛 的应 用口 ] 。然 而 ， 选 材 不当造成的管柱失效时有发生 ， 如何对管材抗硫性能 进 行有 效评 价 、 各种 材 质 油 套 管 的使 用 极 限范 围等 问 题逐渐成为业内关注的热点 ， 而相关标准 中对于各类 油套管材料使用极限范 围的规定往往过于宽泛 ， 针对 不 同的井下 实 际工 况往 往缺 乏有 效 的指导 作用 。以下 将从上述各类油套管材料在含硫油气井中使用极限及 抗 硫 性能评 价 方法 等方 面进 行论 述 。 1 低 合金抗硫管选 材标准 I S O 1 5 1 5 6 _ 7 石 油 与 天 然 气 工业 含 H S环 境 选 材标准 、 E F C 一 1 6 [ 8 油气开采酸性环境 用碳钢与低合 金钢选材准则 等标准根据 p H 值及 H s分压的大小 将 含硫 介质 依其 苛 刻 程 度 划 分 为 4个 区 图 1 非 酸 性区、 弱酸性 区、 过渡区及 酸性 区。规定 H s分压大 于 0 ． 3 4 k P a 即超过 非酸 性 区时 时 ， 必 须 使用 具 备 抗 硫性能的材料 ； 并规定 了在各区间不同温度条件下可 直 接 安全使 用 的钢 级范 围 如表 1 所 示 。除 表 1中所 示钢级外 ， 其他钢级油套管材料应在证明其抗硫性 能 合 格 后方可 使 用 。 须注 意 的 是 ， 图 1中 H S分 压 上 限 为 1 MP a ， 在 利 用 NAC E TM0 1 7 7标 准 ] D 法 D o u b l e C a n t i l e v e r B e n d B e a m Te s t 对不 同 H2 S分 压 下 的 C 1 1 0进 行 测 试显 示[ 3 ] ， 当 H。 S分压 达 到 2 MP a时 ， C 1 1 0已无法 达 到I s 0 1 1 9 6 0 _ 1 。 。标 准 所 规 定 的 合 格 线2 6 ．3 MP am ， 如 图 2 。此 外 ， Omu r a _ 7 等 的研究 也表 明 ， 随着 H s分压增大 ， 低合金抗硫管抗 S S C性能呈下降 趋 势 。因此 ， 笔 者认 为 ， 针 对 H S分压 大 于 1 MP a的 作者简 介 杨建强 ， 硕士 ， 工程师 ， 2 0 0 7 年毕业 于北京 科技 大学 ， 现从 事耐腐蚀油套管新产 品开发及腐蚀行 为研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4 卷第 3期 杨建强 等酸性油 气井 用油套管选材与评价方法 介质 ， 应 进行 抗 S S C及 S C C性 能评 价 后进行 选 材 。 ．0 非酸性 区 ／ B 1 E 一 4 I E 一 3 3 ． 4 E 一 3 0 ． O 1 0 ． 1 l 1 0 H 2 S 分／ X／ b a r 1 b a r 0 ． 1 M P a 图1 I S O 1 5 1 5 6 标准对含H S 介质苛刻程度的划分 Figur e 1 Region s o f en vir on men t a l s e v er it y wit h r es p e ct o f SSC o f low all o y s t e el i n I SO 1 51 5 6 表 1 I S O 1 5 1 5 6 ． 2标 准 中 常 规 钢 种 可 安 全 使 用 的温 度范 围 Table1 Ac c ept abl e co n di t ion s f or differ e n t s t r en g t h gr a de of c On v en t i O n aI s t eel i n s t a n da r d I SO 1 51 5 6- 2 在所有温度条件下 ≥6 5℃ ≥8 O℃ ≥1 0 7℃ 。区 钢 AP 级 I ’ N8 0 - Q, C 9 5 N8 0 , P l l 0 s 非 A P I 硬度 钢级 2 6 HR C 硬度3 0 HR C ， 1 4 0 钢级 1 1 0钢级以下 以下 2 区 8 O 钢级以下， 实际屈服强度7 5 8 MP a ， 硬度2 7 H R C 1 区 l l O 钢级以下， 实际屈服强度极 f 2 2 0 5 4 ． 用极 f 图3 I S 0 1 5 1 5 6 准对马氏体不锈钢和双相不锈钢 使用极限的规定 Fi g ur e 3 App l i c a t ion l i mit of mar t en s i t e s t ainl e s s s t e e l s an d dup l e x s t a i n l e s s s t e el s i n I SO 1 51 56 l F4 1 E - 3 3 ． 4 E 一 3 0 ． O l 0 ． 1 l 1 0 S ／ b a r 图4 马氏体不锈钢在2 4℃、不同p H值酸性 介质中安全使用范围 Figu r e 4 Sa f e z on e o f ma r t en s it e s t ainles s s t ee l s i n s our en vir o nmen t s a t 2 4 ℃ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 石油与天然气化工 CHEMI CAL E NGI NEERI NG OF OI L GAS P C O z 为 6 MP a及 P C 1 一 为 1 0 0 0 0 0 mg ／ L及 1 7 5 ℃ 、 P H2 S 为 0 ． 0 0 1 MP a 、 P C O2 为 6 MP a及 p C 1 一 1 0 0 0 0 0 mg ／ L介质 中 7 2 0 h试验后表面形貌 。 可 见 ， 在 1 5 0 ℃、 P H。 S 为 0 ． 0 0 5 MP a的 条 件 下 ， 1 3 C r 一 5 Ni 一 2 Mo和 1 3 C r 一 4 Ni 一 1 Mo均 在 局 部 腐 蚀 坑 底 部 产 生 了微裂 纹 ， 而 在 1 7 5℃、 P H S 0 ． 0 0 1 MP a条 件下 ， 两者均 产生 了宏 观裂纹 ， 在 上述 两种 条件 下 ， L 8 0 - 1 3 C r 均未产生开裂 。 综上所述 ， 在实际使用过程 中， H s分压、 服役介 质 p H 值 、 矿化 度 尤 其 是 Cl 一 含 量 、 C O 含 量 、 材 料 本 身受 力 状 态 等 因 素 均 会 对 马 氏 体 不 锈 钢 抗 S S C 或 S C C性 能产生 显 著影 响 。因此 ， 现 有 国际标 准 对 马 氏 体不锈钢使用极限的规定越来越显得过于宽泛 ； 同时， 随着 1 1 0 k s i 以上 钢 级马 氏体 不锈 钢 广 泛 使用 ， 现有 国 际标准已难 以指导 1 0 5 k s i 钢级以上马 氏体不锈钢 的 选材 。对于 1 0 5 k s i 以上钢级马氏体不锈钢 ， 在选 材过 程 中需要 综合 考 虑 H S 、 C O 、 C 1 一、 酸化 液 、 完井 液 等 诸 多 因素 ， 经 过实 验 逐 一 验证 后 ， 确 定最 终 选 材 ； 对 于 较 为 苛刻 的工 况 ， 务必 要 对 管 柱 受 力 状 态进 行 综 合 分 析 ， 尤其需要考虑井斜 、 酸压、 封 隔器座封 、 管柱震动等 因素导 致 的附加 应力 。 ‘ a b a 1 5 0℃ 、Pn , s 0 0 0 5 M P a 、 0 6 M P a、Pc i - 1 0 0 0 0 0 m g ／ L b 1 7 5℃ 、P u ,s 0 0 0 1 M P a 、‰ 6 M P a 、P C V 1 0 0 0 0 0 m g ／ L 图5 马氏体不锈钢在含H ， S 介质中的应力腐蚀开裂 F ig u r e 5 SCC o f ma r t e n s it e s t a i n l e s s s t e e l s i n H S b ea r i n g en v i r onmen t s 3镍基合金使 用极 限 I S O 1 5 1 5 6标 准将 常用 于油 套 管 的 固溶 强 化 型镍 基合 金按 照合 金 成分 不 同 ， 分 为 4 C、 4 D 和 4 E共 3类 。 其 中 ， 较 为 常见 的 I n c o l o y 0 2 8 、 I n c o l o y 8 2 5合 金 属 于 4 C类 ， I n c o n e l G3合金属于 4 D类。图 6中虚线所示 为 I S O 1 5 1 5 6标准 中 4 C或 4 D类镍基合金油套管在 酸性 环境 中使 用 极 限范 围 的示 意 图 。可 见 ， 4 C 类 包 括 I n c o l o y 0 2 8 、 I n c o l o y 8 2 5合 金 在 温度 ≤ 1 3 2 。C时 ， 可用 于 常见 任意 H。 S分压 ， 在 1 3 2℃ 温度 ≤ 1 7 7℃ 区间时 ， Hz s使用上 限为 1 ． 4 MP a ； 而 4 D类合金 如 I n c o n e l G3 在 温度 ≤ 1 4 9。 C时 ， 可 用 于常 见 任 意 H S 分压 ， 在 1 4 9℃温度≤2 1 7℃区间时 ， H s使用上限 为2 ． 0 MP a 。图 6中实线部分所示为结合宝钢长期研 究结 果和 使用 经验 得 出 的 I n c o l o y 0 2 8合 金 和 I n c o n e l G 3合 金使 用 极 限 。可 见 ， I n c o l o y 0 2 8合 金 在 温 度 ≤ 1 6 4℃ 、 C O 分 压 ≤ 6 MP a条 件 下 可 用 于 常 见 任 意 Hz S分压 ， 而 G3合金在不含单质硫介质 中温度≤2 0 0 h C、 C O 分 压 ≤ 6 MP a的 条 件 下 ， 可 用 于 任 意 常 见 Hz S分压 。 单质硫的存在会急剧增加镍基合金 S C C倾向 ， 这 主要是由于单质硫在材料表面吸附时发生歧化反应生 成 Hz S O 和 H S ， 导 致材 料表 面局 部 区域 的 p H 值 急 剧 降低从 而 发生 点 蚀 。在 应 力 的 作 用 下 ， 点 蚀 孔 尖 端 逐渐 萌生 微裂 纹并 进 而发 生应 力 腐 蚀 开裂 口 ， ] 。对 于 含单质硫介质 中镍基合金 的使用极 限， I S O 1 5 1 5 6标 准 认为 ， 4 C类合 金 可用 于 1 3 2℃ 以 内任 意 H。 S分 压 ， 而 4 D类 合金 可 用于 1 4 9℃以 内任意 H。 S分压 。关 于 单 质硫 的添 加方 法 ， 相 关 标 准 中未 给 出 明确 规定 。从 相 关研 究论 文看 ， 主要包 括悬 浮添 加 、 沉 淀 添加 和套 筒 添 加等 方法 E 1 4 , 1 6 - 1 7 ] 。本研 究通 过慢 应 变拉 伸试 验 S S RT ， 对 比 了 直 接 添 加 5 g ／ L和 套 筒 添 加 约 1 0 0 g ／ L 两 种 条 件 下 I n c o l o y 0 2 8合 金 的抗 S C C性 能 。随着单质硫含量 的增加 ， I n c o l o y 0 2 8合金延伸率 显 著 降低 ， 当使 用套 筒 添加 亦 即 p S o 约 1 0 0 g ／ L 时 ， 较之 不添 加 和添加 5 g ／ L 的介 质 ， 延 伸 率 和 抗拉 强度 均显著降低 图 7和图 8 。 表 2 I S O 1 5 1 5 6标 准中对 于固溶强化型镍基合金 的分 类 Ta bl e 2 Clas s i f i c at i o n of s ol i d s ol u t i o n s t r en g t h en i n g t yp e nic kel b as e d al l o y s i n I S0 1 51 5 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m