气井腐蚀设计.课件.ppt

1、三、气井选材与缓蚀三、气井选材与缓蚀剂之外的的防腐设计剂之外的的防腐设计 气田腐蚀与防护工作一直是天然气工业的重要课题，气井在进行采气设计的炫彩与换实际的选择之外，还必须要在气井防腐设计中考虑一下问题。1、防止油管的冲蚀、防止油管的冲蚀/腐蚀设计腐蚀设计 1）油管冲蚀/腐蚀的平均流速计算： 冲蚀/腐蚀的平均流速计算，在工程实际中，流速往往是唯一可以控制的力学指标。控制了流速就可以控制管壁的冲蚀腐蚀引起的管壁减薄。美国石油学会建议的两相流（气/液）管道中冲蚀极限速度（API RP14E ）为geCV（6-16）式中：eV冲蚀速度，m/s； C经验常数。 若流速在临界速度以内，则可控制腐蚀的速度。

2、对于H2S的情况钢表面形成的硫化铁膜，C确定为116。对于CO2的情况钢表面形成的碳酸铁腐蚀膜,C为110。若腐蚀膜是Fe3O4 ,C为183。g气体的密度，kg/m3ZTPgg4 .3484 （6-17） gpZT120C式中：混合气体的相对密度，f；油（套）管流动压力，Mpa；气体偏差系数； 气体绝对温度，K。若令C=120将（6-17）式代入（6-16）式，则：5 . 00329. 2PZTVge（6-18） 气流从井底流向井口，由于重力及摩阻的影响，井口流动压力要比井底流动压力小，而流动速度却愈来愈大。因此只要井口处的气流速度能满足不产生明显冲蚀的条件，则井筒中管柱任何断面处的速度也一

3、定能满足该条件。井口处油管的冲蚀流速与气井相应的冲蚀流量和油管内径的关系式可由下式表示:25104736. 1dqVee（6-19）eqd式中：气井井口处的冲蚀流量，104m3/d；油管内径，mm。 25 . 05103794. 1dPZTqge（6-20） 整理上面各式得:据井口处冲蚀流量与地面标准条件下体积流量的关系式escscscqZTPPTZqmax （6-21） MPaPsc101. 0KTsc2930 . 1scZ当地面标准条件为，则有25 . 0max04. 0dZTPqg （6-22） 式中：qmax-地面标准条件下气井受冲蚀流速约束确定的产气量，104m3/d。油管内流速对腐

4、蚀影响的复杂性。 上面的计算仅是指导性的，实际的冲蚀情况十分复杂。当含二氧化碳、硫化氢和地层盐水时，初始腐蚀产物膜被不断冲掉，腐蚀膜起不到保护作用。二氧化碳腐蚀物疏松，更容易被冲掉。因此含二氧化碳气井的油管直径选用和产量控制要特别重视。当需加入缓蚀剂防止油管腐蚀时，若油管内流速太高，管壁缓蚀剂膜将不稳定。严重时不得不缩短注缓蚀剂周期，甚至改为连续注入。疏松产层或测试、生产压差过大，气流带砂时冲蚀严重，加剧冲蚀腐蚀。 2、优选油套管螺纹结构，防止螺纹冲蚀、优选油套管螺纹结构，防止螺纹冲蚀/腐蚀设计腐蚀设计 油套管柱中，螺纹连接是首先被腐蚀的部位。在很多情况下，油管管体可再下井使用，但因螺纹腐蚀，

5、必须重车螺纹或整体报废。当流体通过油管柱接箍中部时，截面变化，即截面的突然放大和突然缩小，流体流速及流场将发生变化。在该区产生冲蚀腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀，电偶腐蚀，流动腐蚀等。外螺纹端被冲蚀腐蚀呈“虫咬”状。 在前述电偶腐蚀讨论中已提到应力集中、局部冷作硬化部位将作为电偶对的阳极加速腐蚀。此外接箍与管体用不同材料和不同工艺制造，其间也存在电位差。腐蚀环境的油气井宜采用气密封螺纹。气密封螺纹流道变化小，有利于防止涡流冲蚀电偶腐蚀，降低缝隙腐蚀和电位腐蚀。API圆螺纹接箍中部的涡流冲蚀和高的接触应力、应力集中等结构缺陷易导致先期失效。3、防止油套环空（油管外壁和套管内壁）腐蚀设计、防止油套环空（

6、油管外壁和套管内壁）腐蚀设计1）开口环空： 油管下部不带封隔器的完井结构称为开口环空。油套环空套管内壁和油管外壁的腐蚀决定于产出流体和环空油气水的相态变化。一些油气田油管外壁比内壁腐蚀严重，可见从外壁向内延伸的局部腐蚀穿孔。二氧化碳溶于凝析水，可使凝析水pH值降到4.0以下。由于环空无流动，该凝析水可稳定地附着在油管外壁，造成失重腐蚀或点蚀穿孔。气井底部的油管和套管在气水界面附近溶解与析出产生的传质动力因素也会加剧腐蚀。2）闭口环空： 油管下部带封隔器的完井结构称为闭口环空。以下只重点讨论闭口环空的环空保护液设计。环空保护液应具有如下性能：具有良好的防腐蚀性能，高温及长期的稳定性。还有加入的聚

7、合物材料无分解，加重材料无沉降。具有一定的密度，能平衡压力。环空保护液具有一定的密度，以平衡油管内的高压和对封隔器施加一定回压。 3）套管外防腐 套管外腐蚀主要发生在未注水泥的自由套管段，水泥环可较好的保护套管免受腐蚀。在注水泥质量差的井段，或井下作业损伤了水泥环的井段，套管也可能受到腐蚀。套管外腐蚀的腐蚀源十分复杂，但是最基本和最普遍的是未封固段地层水发育、地层水处于流动态，地层水含腐蚀性组分。此外还可能有环空滞留钻井液的腐蚀，套管自身钢材的金属学缺陷、操作损伤及局部应力集中。制造残余应力过大或套管钳牙咬伤会加快局部腐蚀。套管接箍及外螺纹螺牙消失段存在应力腐蚀、缝隙腐蚀和电偶腐蚀，这个区域会

8、过早穿孔或断裂。防止套管外腐蚀的主要措施包括避免裸眼段过长，用水泥封固腐蚀性井段; 采用套管外涂层或外缠绕保护膜; 提高注水泥质量和采用合适的抗腐蚀水泥。 4防止电偶腐蚀的设计防止电偶腐蚀的设计 1）电偶腐蚀的普遍性：油气井生产系统中有各式各样 的连接或构件间的接触、不同材质的金属间不同程度地存 在着电位差，因此电偶腐蚀具有普遍性。构件间接触必然 有缝隙，因此电偶腐蚀与缝隙腐蚀往往同时发生，加剧了 腐蚀。电位差大的金属连接会导致强电偶腐蚀，即阳极端 加速腐蚀。不锈钢油管与低合金钢油管连接：碳钢或低合 金钢油管作为腐蚀阳极，加速腐蚀。当碳钢或低合金钢管 端为外螺纹与不锈钢管端内螺纹连接时，外螺纹

9、截面积比 内螺纹的小，即“小阳极大阴极”，外螺纹腐蚀形成最严重 的腐蚀连接。 镍、钛等高耐蚀合金与碳钢、低合金连接，不像前述不锈钢那样形成强电偶腐蚀的连接件，这是因为耐蚀合金腐蚀产物膜与碳钢、低合金钢的电位差小。不同钢级管柱之间的连接，管体与接箍用不同的钢材制造，都可能发生弱电偶腐蚀。油管内壁结垢，钢作为阳极，产生垢下电偶腐蚀。油管、套管或设备中的应力集中、局部冷作硬化（如钳牙咬伤的坑痕、钢印）部位与相邻金属间也有电位差，应力集中、局部冷作硬化处作为阳极加速腐蚀。这是外加厚油管加厚过渡带易腐蚀穿孔的主要原因之一。 2）防止电偶腐蚀措施： 采用“大阳极小阴极”的连接设计。在有可能发生强电偶腐蚀的

10、连接中，只要结构允许，应尽可能将易被 腐蚀端（阳极）体积或质量做大，不易腐蚀端（阴极）做小，这种结构称为“大阳极小阴极”。此外，阳极端做大后，对应的装配应力、外载应力可降低，这也可以降低应力腐蚀和提高承载能力与使用寿命。在井下油管及附件的连接中可能会有不锈钢与低合金钢的连接，根据上述原理，应该尽可能将不锈钢端做成外螺纹，低合金钢端做成内螺纹，即接箍。只要结构允许，低合金钢端内螺纹连接件壁厚或直径应尽量增大。 在异种金属连接或接触间加绝缘材料或密封填料。在异种金属连接或接触间加绝缘垫、套或密封填料可防止或减缓电偶腐蚀和应力腐蚀。如果结构空间允许，应采用尽可能长或厚的绝缘垫、套。采用局部牺牲阳极保

11、护。在具有腐蚀倾向的阳极端喷涂或镀锌、铝或镁可起到局部保护作用。锌、铝或镁电子流向钢体，使原来的电偶极性逆转，这也是一种局部牺牲阳极保护技术，该技术应在实验评价有效后方可实施。5采油树系统的防腐蚀采油树系统的防腐蚀 采油树系统由阀门、法兰、油管挂、四通、变径管、弯管和节流阀等组成，它们都是压力控制的关键部件。对于高压气井，高压部件冲蚀/腐蚀会造成严重后果。采油树系统防腐的关键是正确选型，针对不同腐蚀环境，选用相应的采油树材料等级。设计选用应依据API Spec 6A标准。二氧化碳分压可作腐蚀严重度分级的依据，这是因为含二氧化碳时，流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀加剧了电化学腐蚀。硫化氢的主要危害是应力开

12、裂问题，选用了抗开裂的材料后，流动诱导腐蚀，冲刷腐蚀和电化学腐蚀就成了腐蚀和材料选用的控制因素。酸性环境所用材质应符合NACE 15156规定的标准和评价方法。表中HH级用于高含硫化氢和二氧化碳气井，所有与流体接触的表面一般都堆焊一定厚度的625镍基合金。如果HH级仍不能满足防腐要求，API Spec 6A标准允许厂家与用户协商，生产ZZ级采油树。6.注缓蚀剂防腐设计注缓蚀剂防腐设计 注缓蚀剂对碳钢和低合金钢油管防腐已有很长的使用历史，它普遍用于新下油管的预防腐蚀，也用于发现腐蚀后的腐蚀控制，是国内外酸性气田广泛采用的防腐方法。根据缓蚀剂作用机理，缓蚀剂可分为薄膜型和钝化型两大类。薄膜类是在金

13、属表面形成不渗透吸附膜，以阻止腐蚀介质接触金属，薄膜型主要有胺类，如伯胺、聚胺、酰胺类、咪唑啉、鳞化物等。钝化型主要有钒酸盐、铬酸盐等，钝化类主要是在金属表面形成保护性氧化层。 有两类加注缓蚀剂的技术：第一类，现在普遍采用的环空注入法，根据腐蚀监测情况确定合理注入周期。环空加药既能保护油管（内、外壁）又能保护套管（内壁），甚至对地面集输管线还有保护作用。特别值得一提的是，如加入缓蚀阻垢剂，不仅能防腐，还可防止油管和集输管线内壁结垢。第二类，从油管内投缓蚀棒，缓蚀棒中含有缓蚀剂，在一定条件下逐步释放缓蚀剂，从而起到保护油管内壁的作用。 注缓蚀剂设计和现场应用中应该注意的问题是：1)有效性及技术经

14、济评价： 由于井下腐蚀的复杂性和缓蚀剂的多样性，有效性评价显得十分重要。此外在很多情况下，注缓蚀剂仅是首次投入低，但长期运行成本较高。有的缓蚀剂只对控制均匀腐蚀有效，对点蚀可能不起作用，甚至加剧点蚀。评价缓蚀剂时，应特别注意有效性及技术经济效益。3)含硫气井注入缓蚀剂注意事项： 在硫化氢气井中，不应把注缓蚀剂作为防止环境开裂的措施。注缓蚀剂主要用于解决一般性的电化学腐蚀。这是因为影响注缓蚀剂效果的因素较多，具有不确定性。临时性的井下作业可考虑注缓蚀剂防止环境开裂，例如，下测井钢丝作业时保护钢丝，酸化作业时保护油管等。3)油管内流速和局部涡流影响缓蚀剂效果： 缓蚀剂在管壁上形成稳定的保护膜决定于

15、吸附、脱附动力过程。高流速及局部的涡流会破环膜的稳定性，并可能导致局部腐蚀。高产井采用注缓蚀剂防腐是否有效，需要大量的模拟评价研究。4)当油管下部装有封隔器时，从环空注缓蚀剂的井下装置过于复杂，可靠性难以保证。5)缓蚀剂对环境的不良影响，已日益受到关注，并将成为缓蚀剂评价和选用的考虑因素之一。7复合油管使用设计复合油管使用设计1)内涂层或内衬双金属复合油管: 在腐蚀环境不是十分恶劣的油气井中，采用内涂层油管具有较高的技术经济效益和安全性。目前公认的内涂层材料是一种改性酚醛环氧树脂。内涂层油管具有下述优点：具有低摩阻系数；油管内涂层具有低摩阻系数，这对降低油管内沿程流动压力损失、降低井底回压十分

16、有利。这相当于用较小尺寸的油管在相同的压差下能够得到与较大尺寸油管相同的产量。 改变表面润湿状态在内涂层材料中加入某些高分子材料，可以将涂层改造成具有降低结蜡、结垢性能。投资比较低；内涂层油管的缺点：忍受机械碰、擦伤能力较低，因此抽油井、油管内频繁作业的井不宜采用。内涂层油管主要用于注水井、气井或自喷井和电潜泵抽油井。螺纹连接部位的防腐处理较难，需要同时考虑公扣端部的保护问题。涂料质量和喷涂工艺及过程控制要求高，否则会出现脱层或鼓泡等失效问题。2）不锈钢或合金内衬双金属复合油管: 在普通油管内衬一层不锈钢或耐蚀合金薄壁管，使其成为双金属复合油管。复合管两端釆用常用的螺纹连接，但是制造技术特殊。内衬管的材料可根据油田腐蚀环境选择，常选用以二氧化碳为主的腐蚀可用奥氏体不锈钢内衬，以硫化氢为主的腐蚀可用镍基合金内衬等。