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典型H_2S/CO_2环空环境下高强油套管钢应力腐蚀机理与防护

刘然克  
【摘要】:我国大量油气田已进入高含H2S、C02和水的开发阶段,设备腐蚀问题——特别是应力腐蚀(SCC)问题——日趋严重。环空环境SCC问题是近年来较为突出。一方面,为了应对注水困难和C02伴生气的封存问题,近年来国内开发了注入C02驱油与封存技术以提高油田采收率,但是由于C02注入时会产生渗漏而导致环空环境成为含有大量CO2、 Cl-、SO42-及少量硫化物的低pH、高压、低温环境,容易引起油管钢的应力腐蚀开裂(SCC),严重威胁着材料服役安全。另一方面,采出井由于含水率的提高,高含H2S、CO2的腐蚀介质更易向环空环境渗漏或流动,同样导致了环空环境具有强腐蚀性,从而可能引发严重的局部腐蚀特别是SCC,最终导致安全事故或油气井的报废。但这些情况目前尚缺乏系统的研究。本课题对油气田典型H2S/CO2环空环境下典型高强度油套管钢的应力腐蚀机理进行了系统研究,以认识其SCC行为机理及其主要影响因素、探索相适应的防护方法、建立基于SCC行为机理的油套管腐蚀寿命评价方法,为油田环空环境SCC防控措施的建立提供理论支持和直接依据。取得的主要结论如下: (1)通过对某C02注入井H2S/CO2环空环境的P110油管断裂失效案例的分析,发现发生失效的P110油管显微组织、化学成分和力学性能均符合标准要求,不存在材质质量问题,引起油管失效的主要原因是含CO2、 Cl-、SO42-及少量硫化物的偏酸性的高压低温环空水环境,以及外表面残余应力和结构应力所导致的应力腐蚀开裂。 (2)高强油管钢在H2S/CO2环空环境溶液中的应力腐蚀裂纹是氢致开裂(HE)+阳极溶解(AD)机制。提高缓蚀剂用量、降低硫化物含量或增加模拟环空液的pH能够推迟或抑制这种应力腐蚀的发生。 (3)L80油套管钢在模拟的H2S/CO2环空环境中呈现出一定的SCC敏感性,含水率、所受拉应力水平、H2S分压、C02分压以及温度等因素对其有不同程度的影响。随着含水率的增加,L80油套管钢的腐蚀速率呈逐渐增大趋势,但其SCC敏感性未显现明显增加。随着拉应力水平的增加,L80钢的腐蚀速率呈明显增大趋势,SCC敏感性增大,表现出明显的应力腐蚀倾向。随着H2S分压增加,L80钢的腐蚀速率先增后减,SCC-敏感性明显增大。随着CO2分压的增加,L80钢的腐蚀速率先减后增,但其SCC敏感性未显现明显变化。在80-120℃范围内随着温度升高,L80钢的腐蚀速率先以较大幅度增大后以较小幅度减小,在80℃附近具有最大腐蚀速率,其SCC敏感性未显现明显变化。 (4)在实验室研究的基础上,建立了H2S/CO2环空环境中油管钢的腐蚀寿命预测模型,该模型综合考虑了环境介质随开采工况的演变、应力水平随服役时间的变化对L80钢腐蚀行为规律的影响以及SCC的发生临界条件,更加符合工程实际。用该模型对L80油套管钢的服役寿命进行了预测.结果显示在所模拟的H2S/CO2环空环境中,L80油套管钢在无初始服役应力下的服役寿命分别为37年,在服役应力为0.1σs下的服役寿命分别为17年。预测结果表明,极小的初始服役应力会大大降低油套管材料的服役寿命。 (5) H2S/CO2环空环境下,咪唑啉缓蚀剂对油管钢应力腐蚀的抑制效果明显。但P110油管钢的SCC敏感性随缓蚀剂的浓度增加先增大后逐渐降低,缓蚀剂浓度需要达到足够高的浓度才能有效抑制SCC的发生。脱硫剂的添加能极大地抑制应力腐蚀的发生,但是,在添加缓蚀剂的条件下,当脱硫剂浓度超过500ppm时,腐蚀反而有加重现象。添加适量的杀菌剂,对缓蚀剂、脱硫剂的作用效果无不良影响。


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