渤中19-6气田封隔器金属材料的腐蚀适应性评价_张明.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 3 0 2 0 0 8渤中1 9-6气田封隔器金属材料的腐蚀适应性评价张 明1,2,龚 宁1,2,马英文1,2,程 飞1,2,张 智3,严永博3,钟显康3,霍宏博3(1.海洋石油高效开发国家重点实验室,天津 3 0 0 4 5 9;2.中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 3 0 0 4 5 9;3.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 6 1 0 5 0 0)摘 要:在模拟渤中1 9-6气田井下工况环境中对3 5 C r M o碳钢、4 2 C r M o碳钢、H S 1 1 0抗硫钢、1 3 C r不锈钢、1 3 C r超级不锈钢(1 3 C r S)、2 2 0 5双相不锈钢等6种金属材料进行了腐蚀试验,研究其腐蚀行为。通过失重法计算金属的腐蚀速率,采用扫描电镜(S EM)观察金属腐蚀形貌,采用X射线光电子能谱仪(X P S)分析腐蚀产物成分。结果表明:H S 1 1 0抗硫钢、3 5 C r M o碳钢、4 2 C r M o碳钢、1 3 C r不锈钢、1 3 C r超级不锈钢、2 2 0 5双相不锈钢的腐蚀速率依次降低,且所有钢在液相中的腐蚀速率高于其在气相中的腐蚀速率。渤中1 9-6气田封隔器的中心管推荐选用1 3 C r超级不锈钢和2 2 0 5双相不锈钢,卡瓦等功能性部件推荐选用4 2 C r M o碳钢。关键词:渤中1 9-6;腐蚀行为;腐蚀速率;封隔器;中心管;功能性部件中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 3)0 2-0 0 4 5-0 8C o r r o s i o n A d a p t a b i l i t y E v a l u a t i o n o f M e t a l M a t e r i a l s f o r P a c k e r s i n B o z h o n g 1 9-6 G a s F i e l dZ HANG M i n g1,2,GONG N i n g1,2,MA Y i n g w e n1,2,CHE NG F e i1,2,Z HANG Z h i3,YAN Y o n g b o3,Z HONG X i a n k a n g3,HUO H o n g b o3(1.S t a t e K e y L a b o f O f f s h o r e O i l E x p l o i t a t i o n,T i a n j i n 3 0 0 4 5 9,C h i n a;2.T i a n j i n B r a n c h o f C NOO C C h i n a L i m i t e d,T i a n j i n 3 0 0 4 5 9,C h i n a;3.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f O i l a n d G a s R e s e r v o i r G e o l o g y a n d E x p l o i t a t i o n,S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y,C h e n g d u 6 1 0 5 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:C o r r o s i o n b e h a v i o r o f s i x k i n d s o f m e t a l m a t e r i a l s,3 5 C r M o c a r b o n s t e e l,4 2 C r M o c a r b o n s t e e l,H S 1 1 0 s u l f u r-r e s i s t a n c e s t e e l,1 3 C r s t a i n l e s s s t e e l,s u p p e r 1 3 C r s t a i n l e s s s t e e l(1 3 C r S)a n d 2 2 0 5 d u p l e x s t a i n l e s s s t e e l w a s s t u d i e d t h r o u g h c o r r o s i o n t e s t s i n t h e e n v i r o n m e n t s o f s i m u l a t e d d o w n h o l e w o r k i n g c o n d i t i o n s o f B o z h o n g 1 9-6 g a s f i e l d.T h e c o r r o s i o n r a t e s o f t h e m e t a l s w e r e c a l c u l a t e d b y w e i g h t l o s s m e t h o d,t h e c o r r o s i o n m o r p h o l o g y o f m e t a l s w a s o b s e r v e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y(S EM),a n d t h e c o m p o s i t i o n o f c o r r o s i o n p r o d u c t s w a s a n a l y z e d b y X-r a y p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y(X P S).T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e c o r r o s i o n r a t e r a n k f r o m l a r g e t o s m a l l w e r e a s f o l l o w:H S 1 1 03 5 C r M o 4 2 C r M o 1 3 C r 1 3 C r S 2 2 0 5.A n d t h e c o r r o s i o n r a t e s o f a l l t h e m e t a l m a t e r i a l s i n l i q u i d p h a s e w e r e h i g h e r t h a n t h o s e i n g a s p h a s e.I t i s r e c o mm e n d e d t o u s e 1 3 C r S a n d 2 2 0 5 a s c e n t r a l t u b e m a t e r i a l,a n d u s e 4 2 C r M o f o r s l i p a n d o t h e r f u n c t i o n a l u n i t s.K e y w o r d s:B o z h o n g 1 9-6;c o r r o s i o n b e h a v i o r;c o r r o s i o n r a t e;p a c k e r;c e n t r a l t u b e;f u n c t i o n a l u n i t 渤海油田是我国最大的海上整装油田,也是我国第二大原油生产基地1-2。渤中1 9-6大型凝析气田是迄今发现的渤海油田中最大天然气田,油气储量超千亿吨3-4。渤中1 9-6凝析气田工况条件恶劣,其特点为高温(1 3 0 2 1 0)、高压(约5 0 M P a)、高含C O2(分压约8 MP a),但矿化度(7 0 0 01 0 0 0 0 m g/L)与H2S含量(3 05 0 m g/L)较低5-6。该气田的收稿日期:2 0 2 2-0 4-1 8通信作者:钟显康(1 9 8 4-),教授,博士,主要研究方向为油气田防腐防垢,1 5 8 8 2 3 5 2 8 8 6,z h o n g x k y e a h.n e t大规模开发,需要可靠性高和经济性高的井下工具。封隔器是一种重要的井下工具,在油气分层开采、保障井筒完整性中发挥着重要作用7-8。当前,石油开采逐步向深井、超深井转移,井下工况环境日渐严苛。面对高温、高压、H2S、C O2等腐蚀工况,封隔器金属材料可能发生穿孔、断裂等问题9-1 2。封隔器中采用金属材料的部件主要包括两个部分:一是中心管,作为流体介质的通道,它与油管直接相连,其服役环境与油管的服役环境一致;二是功能性部件,例如功能性卡瓦、液缸外筒等,当封隔器胶筒发生泄漏时,这些功能性部件可能直接与腐蚀介质54第4 4卷 第2期2 0 2 3年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 4 N o.2F e b r u a r y 2 0 2 3接触。因此,封隔器的选材及材料腐蚀适应性对保障井筒完整性非常关键。由于中心管与油管的服役环境是一致的,故从腐蚀安全性考虑,中心管选材可参照国际标准I S O 1 5 1 5 6-1:2 0 2 0 P e t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s i n d u s-t r i e s-M a t e r i a l s f o r u s e i n H2S-c o n t a i n i n g e n v i r o n-m e n t i n o i l a n d g a s p r o d u c t i o n。但目前部分石油公司对中心管的选材仍趋于保守,即选择了比应选耐蚀等级更高的材料。如果参照油管的选材标准对封隔器中心管进行选材,将显著降低封隔器成本,有利于油田企业实现降本增效。判断这种策略是否可行,需要在模拟工况下对所选材料进行适应性评价。另外,功能性金属构件在服役过程中也有与腐蚀介质直接接触的可能,因此有必要测定其在模拟工况下的腐蚀速率,为保障井筒全生命周期的完整性提供数据支撑。本工作在模拟渤中1 9-6气田工况条件下,对3 5 C r M o碳 钢、4 2 C r M o碳 钢、1 3 C r不 锈 钢、超 级1 3 C r不锈钢、2 2 0 5双相不锈钢、H S 1 1 0抗硫钢等6种金属材料进行了腐蚀浸泡试验,分析了腐蚀速率、腐蚀形貌、腐蚀产物成分等腐蚀行为,并对其开展了腐蚀适应性评价,明确了各金属材料的腐蚀规律,希望为渤中1 9-6气田封隔器的选材提供理论参考和数据支撑。1 试验1.1 试验材料与溶液试 验 材 料 为3 5 C r M o碳 钢、4 2 C r M o碳 钢、H S 1 1 0抗硫钢(记H S 1 1 0)、1 3 C r不锈钢(记1 3 C r)、超级1 3 C r不锈钢(记1 3 C r S)、2 2 0 5双相不锈钢(记2 2 0 5)。前3种为碳钢,后3种为不锈钢。采用线切割机将6种金属材料加工成3 0 mm1 0 mm3 mm的试样,并在3 0 mm1 0 mm面的顶部位置加工出2 mm的圆孔,便于试样的悬挂。依次用2 0 0号、6 0 0号、8 0 0号、1 5 0 0号水磨砂纸水磨试样各表面,使其平整、光滑,表面粗糙度保持一致。随后对各试样依次用去离子水、无水乙醇、丙酮清洗,最后冷风干燥。试验溶液为模拟地层水,具体化学成分见表1。将2 L配制的模拟地层水放于密封烧杯中,向烧杯中通入高纯氮气(纯度9 9.9 9%)进行除氧,除氧时间为1 2 h。表1 模拟地层水的化学成分T a b.1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f s i m u l a t e d f o r m