地下储气库套管和油管腐蚀选材分析

2017-04-26 11:21:56 作者：本网整理来源：网络分享至：

0 引言

因地下储气库设计寿命一般在 30 a 以上，且注入气中含有体积分数 2%的 CO 2 ，这就要求储气库管柱具有较好的耐蚀性，尤其是生产套管和油管。笔者通过中国石油 6 座储气库的调研发现，在井深、运行压力及注采气量差异不大且注入气介质相同的情况下，各储气库套管和油管选用的材质差异较大，既有普通碳钢和抗硫材质，又有超级13Cr 材质，主要包括 L80、L80 13Cr、95S、P110、P110 Cr13M 及 P110 Cr13S 等材质。

通过详细分析储气库井下环境和现有标准发现，主要是由于标准的不适用造成了储气库选材差异。鉴于此，提出储气库管柱选材应考虑低含水工况和材质匹配性，同时进行了汽液两相下高温高压腐蚀试验和电化学试验，获得了储气库套管和油管腐蚀选材技术要求。研究结果为我国储气库建设提供了技术依据。

1 储气库管柱使用环境

调研国内主要储气库环境工况（见表 1）发现，国内储气库气藏地层水中氯离子的质量浓度不超过10 000 mg/L，水型主要为 NaHCO 3 ，因注入气中 CO 2 体积分数在 1. 89%～2. 18%之间，CO2 分压为 0. 50～0. 80 MPa，部分井的 CO 2 分压高达 1. 16MPa。此外，储气库注入的是经处理后的干燥气体，但在采出时因受气藏地层水的影响，采出的气体低含水。

2 腐蚀选材标准

油管和套管腐蚀选材的基本标准是 ISO 15156－3 和 GB/T 20972. 2 （ISO 15156－2，MOD），但是这些标准的选材着重于含 H 2 S 环境。依据腐蚀介质的不同，石油管材专业标准化技术委员会制定了针对性的选材标准，具体有 SY/T 6857. 1、Q/SY－TGＲC2、Q/SY－TGＲC3 及 Q/SY－TGＲC18 等标准，尤其是 Q/SY －TGＲC18 标准主要针对含CO 2 环境选材。

Q/SY－TGＲC18 标准规定，当 0. 21 MPa＜CO 2分压＜1. 00 MPa 时属于严重腐蚀，应选用碳钢与加注缓蚀剂协同作用，或者直接选用普通 13Cr 钢，如 L8013Cr 钢等；当 1. 00 MPa ＜CO 2 分压＜ 7. 00MPa 时属于极严重腐蚀，应选用改良型 13Cr 钢（P110 Cr13M）或超级 13Cr 钢（P110 Cr13S），或选用普通 13Cr 钢与加注缓蚀剂协同作用。

依据上述标准和生产厂家选材推荐方法，并结合现场实际情况，各储气库确定了选用套管和油管的材质（见表 1）。主要是因为现有标准或方法中CO 2 腐蚀条件均是 100%液体环境，在建立储气库时均是依据现有标准或方法进行选择，造成了注气介质相同而材质各异的情况。也就是说，对于枯竭式气藏，在低含水率的情况下，这种选材方法是否合适还有待试验验证。

此外，对于生产套管上部使用碳钢管（如Q125HC），下部使用耐蚀合金钢管（如超级13Cr），这种材质组合在井下环境是否会产生电化学腐蚀，仍需要用试验评价其匹配性。

3 高温高压釜腐蚀试验

提取表 1 中主要且通用的工况作为试验条件，进行汽液两相条件下动态高温高压釜腐蚀试验。试验条件： CO 2 分压 0. 80 MPa，Cl －质量浓度 10 000mg/L，水型 NaHCO 3 ，试验温度 90 ℃，流速 2m/s，试验周期 168 h。试验结果见表 2 和表3 。

分析表 2 和表 3 可知，13Cr 材质可较好地适用于 CO 2 汽/液相腐蚀环境，材料 L80 13Cr 的腐蚀速率与 P110 Cr13M 的腐蚀速率相当，均大于材料P110 Cr13S 的腐蚀速率。其他材质均能较好地适应 CO 2 汽相腐蚀环境，其腐蚀速率均小于 SY/T5329 标准规定的腐蚀速率（0. 076 mm/a）。

结合表 2 和表 3 的试验结果，考虑储气库井下环境和注采气含水情况，为保证储气库管柱选材安全、经济且合理，生产套管和油管的腐蚀选材应分别对待，即按照下述技术要求选材：

（1）生产套管应按照 100%液体工况环境（现有标准）进行液相下动态高温高压釜腐蚀试验评价选材；

（2）油管应按照低含水工况环境进行汽相下动态高温高压釜腐蚀试验评价选材。

4 电化学腐蚀试验

对国内储气库使用的不同钢级和材质（L80、95S、 P110、 Q125、 11Cr、 L80 13Cr、 P110Cr13M、P110 Cr13S）的套管及工具等随机抽样，并在 Cl －质量浓度为 10 000 mg/L、常温、NaHCO 3水型的地层水环境介质中测定自腐蚀电位，并对试验结果进行统计，结果如图 1 所示。

试验稳定后，材质 Cr13S、L80 13Cr、11Cr、Cr13M、P110、95S、L80 及 Q125 的腐蚀电位分别稳定在－143、－220、－212、－370、－658、－734、－734 及－736 mV。分析试验结果发现，管材的腐蚀电位主要分布在 2 个区域，11Cr 和 13Cr 等耐蚀合金管材主要位于高电位区域，L80 及 P110 等低合金碳钢管材主要位于低电位区域，如图 2 所示。

为寻找不同材质间合适的匹配关系，选取低电位材质 P110 钢级作为阳极，选取高电位材质 L8013Cr 钢级作为阴极，组成电偶对，在上述地层水介质中进行电偶电流测定，结果见图 3。

根据电化学腐蚀速率计算方法，依据图 3曲线可计算获得相应的腐蚀速率。为避免材质间产生电化学腐蚀，阳极/阴极的面积比必须大于 3，以保证腐蚀速率小于 0. 076 mm/a。

通过对 2 种不同电位区域的材质组成的电偶对在地层水和环空保护液环境中进行多次电化学腐蚀试验，发现 2 种材质电位差超过 200 mV 时需要注意电化学腐蚀，在材质匹配上要求在同一空间内，低电位与高电位材质的面积比至少要大于 1 ∶ 1，在地层水环境中面积比要求在 3 ∶ 1 以上，这样才可能保证腐蚀速率小于 0. 076 mm/a （SY/T 5329标准规定）。

因此，在进行管柱选材时，应尽可能依据图 2在同一电位区域内选择，若要跨区域，则需要保证合适的阴极/阳极面积比。