李世兵 何志強 楊 穎 劉培濤 黃 晉 蘇明慧 王 鵬

1. 中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦, 重慶 400707;2. 中國石油西南油氣田分公司儲氣庫管理處, 重慶 401121;3. 中國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,對井口采氣樹、工藝管線形成腐蝕，可能導致井口閥門失效，法蘭密封不嚴，工藝管線穿孔或開裂，引發(fā)天然氣泄漏，給生產(chǎn)管理人員、設備設施帶來危害。

巴格德雷合同區(qū)域B區(qū)生產(chǎn)過程中,井口一級節(jié)流閥開關失效,不能完全關斷或者不能控制配產(chǎn)生產(chǎn),投產(chǎn)后維修、更換井口一級節(jié)流閥55井次;二級節(jié)流閥上下游法蘭密封不嚴,天然氣泄漏,投產(chǎn)后二級節(jié)流閥上下游法蘭泄漏整改10井次;二級節(jié)流閥后大小頭焊縫開裂,天然氣泄漏,投產(chǎn)后因二級節(jié)流閥下游大小頭焊縫開裂,更換大小頭6井次,通過無損檢測發(fā)現(xiàn)焊縫腐蝕嚴重,更換大小頭16井次。井口工藝腐蝕嚴重,給天然氣生產(chǎn)帶來安全隱患。為了確保安全生產(chǎn),對井口工藝腐蝕原因進行分析研究,并對下一步生產(chǎn)管理提出建議措施。

1 項目基本情況

巴格德雷合同區(qū)域位于土庫曼斯坦東北部列巴

普州的阿姆河右岸地區(qū),因此也稱為阿姆河右岸項目。阿姆河右岸天然氣區(qū)塊項目按產(chǎn)品分成的不同分為A區(qū)和B區(qū),其中B區(qū)2014年開始投產(chǎn)試運,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個氣田(構造),60余口氣井,最高產(chǎn)能達2 500×104m3/d,地層原始壓力60 MPa左右,單口氣井日產(chǎn)氣量在20×104～120×104m3/d之間,同時產(chǎn)凝析油及地層水(或者凝析水),氣質中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)過井口采氣樹流出,經(jīng)過采氣樹一級節(jié)流閥節(jié)流后進入井口采氣工藝管線,經(jīng)過二級節(jié)流閥節(jié)流后,通過采氣管線輸往集氣站。氣井投產(chǎn)初期井口油壓在45 MPa左右,一級節(jié)流后壓力控制在25 MPa以內(nèi),二級節(jié)流后壓力控制在10 MPa以內(nèi)。井口采氣樹主要為Cameron、FMC、MSP等類型,其中井口一級節(jié)流閥為FF級,一二級節(jié)流閥之間的管道采用ISO 3183 L 360 QS,二級節(jié)流閥閥體閥蓋材料采用AISI 4130并堆焊UNS N 06625,配對法蘭材料采用ASTM A 694 F 52。采取加注緩蝕劑保護措施,加注點設置在一級節(jié)流閥上游。井口工藝管線見圖1。

圖1 井口工藝設計圖

2 腐蝕部位及類型

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

2.1 腐蝕部位

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

a)井口腐蝕位置1(一級節(jié)流閥及下游法蘭、鋼圈)

b)井口腐蝕位置2(二級節(jié)流閥前、后)

c)一、二級節(jié)流閥間管段內(nèi)壁腐蝕形貌

d)一、二級節(jié)流閥間管段壁厚檢測

2.2 腐蝕類型

在油氣田開采中,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、細菌及其他物質,而天然氣生產(chǎn)過程中所使用的金屬管道、閥門及其他設備在上述介質環(huán)境中必將發(fā)生化學或者電化學多相反應。巴格德雷合同區(qū)域B區(qū)氣井采氣工藝管線在高溫高壓環(huán)境下,受強氣流、H2S、CO2等酸性氣體和氣田水的作用,主要腐蝕類型有金屬化學或電化學形成的坑點腐蝕,高產(chǎn)、高壓差氣流引起的沖刷腐蝕,金屬材料在應力和化學介質作用下的應力腐蝕等[6]。

2.2.1 坑點腐蝕

坑點腐蝕是金屬和外部介質發(fā)生化學或電化學反應，在金屬表面形成腐蝕坑點,腐蝕坑點不斷加深,會導致管線穿孔，引發(fā)天然氣泄漏?？狱c腐蝕在巴格德雷合同區(qū)域B區(qū)采氣工藝管線及閥門中普遍存在,一、二級節(jié)流閥間管道內(nèi)表面存在明顯的坑點腐蝕,且管道沿介質流向6點鐘方向腐蝕程度最為嚴重,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、二級節(jié)流閥法蘭、密封鋼圈、大小頭等處也存在明顯的坑點腐蝕,大小頭變徑處存在明顯的坑點腐蝕和腐蝕產(chǎn)物層脫落現(xiàn)象[7]。一、二級節(jié)流閥間直管段腐蝕情況見圖3。

2.2.2 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是指流動介質的機械力對金屬的破壞。高產(chǎn)量天然氣在節(jié)流閥處形成高壓差氣流,對一級節(jié)流閥閥芯和一級節(jié)流閥后配對法蘭密封面、密封鋼圈形成強烈的沖刷,導致閥芯被沖蝕破損或者閥門失效,不能按照配產(chǎn)控制產(chǎn)量,或不能完全關斷,一級節(jié)流閥下游法蘭、鋼圈沖蝕嚴重,密封面腐蝕,密封不嚴,造成天然氣泄漏[8-10]。井口閥門、法蘭、鋼圈沖刷腐蝕情況見圖4。

2.2.3 應力腐蝕

應力腐蝕是指金屬材料在拉應力和特定的腐蝕環(huán)境下,經(jīng)過一定時間發(fā)生的低應力脆性開裂現(xiàn)象。二級節(jié)流閥下游大小頭焊縫受化學腐蝕和應力共同作用,導致大小頭焊縫腐蝕嚴重,焊縫開裂并不斷加大,直至造成天然氣泄漏[11]。二級節(jié)流閥下游大小頭應力腐蝕情況見圖5。

a)一、二級節(jié)流閥間直管段壁厚檢測結果

b)一、二級節(jié)流閥間腐蝕坑深度統(tǒng)計圖

c)直管段6點鐘方向有明顯點腐蝕

d)直管段腐蝕坑深測量分布圖

b)一級節(jié)流閥配對法蘭密封槽腐蝕

c)一級節(jié)流閥配對法蘭鋼圈磨損

a)二級節(jié)流閥下游大小頭焊縫內(nèi)部腐蝕

b)二級節(jié)流閥下游大小頭焊縫腐蝕開裂

3 腐蝕形成原因分析

取現(xiàn)場腐蝕相對較重的氣井樣品進行實驗室分析,樣品包含氣井一級節(jié)流閥后配對法蘭、大小頭及相連直管段(直管段長度約500 mm)、二級節(jié)流閥前大小頭等,進行金屬相關的理化性能分析、耐蝕性能分析及流態(tài)分析[12-13]。具體實驗分析內(nèi)容見表1。

表1實驗分析內(nèi)容

序號項目試驗內(nèi)容試驗對象試驗結果1理化性能分析化學成分分析對材料的化學成分進行分析法蘭、大小頭、直管段,每個部位各取1件滿足相應技術規(guī)格書要求金相檢驗顯微組織、晶粒度、非金屬夾雜物等分析法蘭、大小頭、直管段滿足相應技術規(guī)格書要求拉伸試驗屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率測試直管段滿足相應技術規(guī)格書要求沖擊試驗抗低溫沖擊韌性測試法蘭、直管段滿足相應技術規(guī)格書要求壁厚檢測采用超聲波進行宏觀壁厚檢測直管段存在電化學腐蝕引起的腐蝕坑點硬度檢測進行硬度檢測分析采用金相分析試樣,對法蘭、大小頭、直管段進行硬度測試滿足相應技術規(guī)格書要求沖擊腐蝕每組2個樣,模擬現(xiàn)場工況進行腐蝕試驗直管段發(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)對不同部件表面形貌及腐蝕產(chǎn)物進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試驗抗HIC性能測試直管段滿足相應技術規(guī)格書要求SSC試驗抗硫化物應力開裂試驗直管段滿足相應技術規(guī)格書要求3流態(tài)分析模擬現(xiàn)場工況,進行一級節(jié)流閥后閥門、大小頭以及相連直管段的流態(tài)分析一級節(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》標準方法進行腐蝕產(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反應生成的FeCO3、BaSO4、SiO2、Fe3O4、FeS類產(chǎn)物[14-15]。

3.2 腐蝕形成原因分析

3.2.1 電化學腐蝕形成原因

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)流閥過流孔徑遠小于節(jié)流閥前后管道管徑,介質流速增大,流態(tài)紊亂;同時,腐蝕產(chǎn)物中含有FeCO3、BaSO4、SiO2、Fe3O4、FeS等物質,分析認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固體雜質。因此,高產(chǎn)量天然氣中伴有固體雜質,在高壓差及酸性環(huán)境下,對節(jié)流閥閥芯及閥套、配對法蘭、鋼圈形成強烈沖刷及腐蝕,導致節(jié)流閥閥芯、閥套破損失效,法蘭、鋼圈沖蝕[17-18]。

3.2.3 應力腐蝕形成原因

二級節(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力增大,節(jié)流壓降越大,下游壁面剪切應力越大。加之焊縫處為大小頭、法蘭、焊條三種不同的材質,受腐蝕程度更為嚴重,同時焊接時在管線內(nèi)壁形成高于管壁的凸型環(huán),節(jié)流后高產(chǎn)、高壓氣體對焊縫形成強烈的沖刷腐蝕,焊縫處沖刷形成深溝,厚度減薄。因此,二級節(jié)流閥后大小頭焊接金屬材料,在含H2S、CO2、氣田水、凝析油及雜質的復雜腐蝕介質中,受拉應力和強烈沖蝕作用,形成應力腐蝕,導致大小頭焊縫開裂[19-21]。

4 結論與建議

4.1 結論

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

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

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

4.2 建議

由于井口閥門、工藝管線嚴重腐蝕帶來的閥門失效,法蘭泄漏,焊縫開裂,導致氣井無法按照合理配產(chǎn)進行生產(chǎn),甚至存在天然氣泄漏安全隱患。建議:

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

2)高產(chǎn)氣井(產(chǎn)量>50×104m3/d)一二級節(jié)流閥之間的管道、大小頭、法蘭等管道組件材質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、二級節(jié)流閥之間生產(chǎn)壓力,減少壓差,監(jiān)控生產(chǎn)運行,視下步腐蝕情況采取相應措施。