高含硫气田开发腐蚀控制关键技术进展与发展方向

随着四川盆地高含硫气田的持续上产,深层/超深层、特高含H2S气体等愈发恶劣的工况环境对气田腐蚀控制提出了更高要求。围绕高含硫气田腐蚀控制难点及需求,系统梳理总结了近年来高含硫气田在材料腐蚀分析与评选、缓蚀剂防腐、腐蚀监/检测、腐蚀控制管理信息化4大方面取得的腐蚀控制技术最新研究进展和开发效果,提出了腐蚀控制关键技术的发展方向和建议。研究结果表明:①形成了H2S分压大于1 MPa条件下的腐蚀分析和耐蚀材料评选技术体系,建成了国内唯一高含硫气田腐蚀与防护现场试验基地,支撑了国产化双金属复合管、耐蚀合金的大规模应用;②自主研发了集输系统碳钢配套用长效膜缓蚀剂、抑泡缓蚀剂和防冻缓蚀剂新体系并实现了国产化工业应用,性能较国际同类产品提高16%,同步解决了易发泡、水合物堵塞等生产问题;③研发了钢质管道全线腐蚀风险分布定量评价技术,形成了基于腐蚀单元划分及风险排序的野外远程在线集群监/检测体系,实现了全区域、全系统、全流程覆盖;④建立了腐蚀异常数据智能识别和腐蚀地图构建技术,自主研发了具备大数据管理、腐蚀预测、风险评估及实时预警、腐蚀控制管理功能的腐蚀智能诊断与管控平台,形成了腐蚀信息化管理能力。结论认为,中国高含硫气田腐蚀控制技术已全面实现国产化,建议在金属/非金属耐蚀新材料全生命周期适应性、多因素耦合下腐蚀机理、多功能缓蚀剂研发、腐蚀智能化管控应用等方面加强技术攻关,强化科研生产一体化和生产运行腐蚀综合管理,助力中国高含硫气田开发迈上新台阶。

高温高压高含硫气井镍基合金油套管适用性评价方法

深层高温高压高含硫气藏腐蚀环境复杂且苛刻,井筒管柱合理选材是保障井筒完整性和安全的关键,目前仅以环境开裂和腐蚀速率为核心评价指标进行选材存在一定局限。为此,采用高温高压反应釜模拟了四川盆地东北部(以下简称川东北)地区某高含硫气藏气井服役的井筒环境,以腐蚀速率、应力腐蚀损伤程度、抗外挤强度、抗内压强度、抗拉强度和成本为指标构建了镍基合金油套管适用性层次结构评价模型,评价了BG2532、G3和SM2550镍基合金管材在苛刻环境中的耐蚀性能、应力腐蚀损伤和强度衰减规律,并定量评价了上述3种镍基合金管材的适用性。研究结果表明:①模拟工况条件下BG2532、G3和SM2550的腐蚀速率都符合油田控制指标,且SM2550耐蚀性能最好,腐蚀速率为0.0083 mm/a;②应力腐蚀试验后,3种合金管材的屈服强度和抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率、硬化指数和断裂韧性都衰减,其中SM2550衰减率最小,力学性能较稳定;③依据适用性定量评价结果,川东北地区高含硫气井完井管材油管推荐选用顺序为:SM2550>BG2532>G3,套管选用顺序为:G3>SM2550>BG2532。结论认为,构建的高温高压高含硫气井镍基合金油套管适用性评价新方法为苛刻服役环境的油套管选材提供了有力依据,将有助于保障高含硫、特高含硫天然气的安全绿色效益开发。

双金属复合管环焊缝耐蚀性能评价方法

目的建立双金属复合管环焊缝耐蚀性能评价方法,为双金属复合管在高酸性气田现场应用提供依据。方法针对双金属复合管环焊缝在高酸性环境中的主要腐蚀类型,参考标准Q/SY 06018-2016中冶金复合管直焊缝和堆焊层腐蚀评价内容,确定以晶间腐蚀、抗SCC/SSC性能、点腐蚀、模拟工况腐蚀为评价指标,并通过整管段试验验证评价结果的双金属复合管环焊缝耐蚀性能评价方法,同时以国产L360/825冶金复合管环焊缝为例对建立的评价方法进行验证。结果通过使用建立的方法对L360/825双金属复合管环焊缝耐蚀性能进行评价,验证了评价方法有效可靠,评价结果显示L360/825双金属复合管环焊缝具有良好的耐蚀性能。结论建立的评价方法可以直接应用于高酸性气田用双金属复合管的环焊缝耐蚀性能评价,为双金属复合管的现场应用提供依据。

关键生长期氮磷肥组合对本土老芒麦种子产量及萌发力的影响

为探讨营养生长及生殖生长关键期氮、磷配肥组合对高寒区本土老芒麦种子产量及发芽力的影响,设计Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ组不同的氮磷肥追施组合,在分蘖-拔节期和抽穗-开花期,分别追施Urea(尿素)+Urea=75 kg/hm^(2)+75 kg/hm^(2)、Urea+SSP(过磷酸钙)=75 kg/hm^(2)+150 kg/hm^(2)、SSP+SSP=150 kg/hm^(2)+150 kg/hm^(2)、SSP+Urea=150 kg/hm^(2)+75 kg/hm^(2)和DAP(磷酸二铵)+DAP=150 kg/hm^(2)+150 kg/hm^(2),Ⅵ组为对照,不追肥,研究不同施肥组合对老芒麦种子产量及产量组分、种子发芽力的影响。结果表明,分蘖-拔节期和抽穗-开花期采用DAP+DAP(V组)、SSP+Urea(Ⅳ组)和Urea+SSP(Ⅱ组)施肥组合通过增加穗数/株、分蘖数、生殖枝数、小穗数/穗、种子数/穗和小花数/穗等种子产量因子,在一定程度上提高了老芒麦的潜在种子产量、表现种子产量和实测种子产量,也改善了种子发芽势、发芽指数和活力指数。Ⅴ组、Ⅳ组和Ⅱ组实测种子产量分别较对照增产569.21、420.07和363.05 kg/hm^(2),种子发芽势提高了27.13%、29.78%和27.13%,发芽指数提高了28.26%、19.37%和23.51%,活力指数提高了47.85%、44.19%和49.51%。老芒麦种子产量与穗数/株、生殖枝数、分蘖数、小穗数/穗、小花数/穗和种子数/穗均呈极显著正相关,与穗长和种子千粒重呈显著正相关。综上所述,穗数/株、分蘖数和生殖枝数是影响本土老芒麦种子产量的主要因子,分蘖-拔节期和抽穗-开花期适时追施氮磷二元肥或交互施用氮、磷肥,可显著增加种子产量主要组成因子,提高种子产量,并改善种子萌发力。

酸性气井油管内壁水基缓蚀剂预膜仿真模拟

酸性气井常常伴有CO_(2)、H_(2)S对金属材料的腐蚀,井下喷注水基缓蚀剂预膜防腐技术是一种比较先进且成本较低的方法。但针对缓蚀剂预膜时间、液膜厚度、液膜分布及喷注缓蚀剂周期等参数目前尚未开展系统研究。基于RNG k-ε模型(Re-normalization group k-ε模型),结合多相流理论,利用欧拉壁膜模型(EWF模型)耦合模拟水基缓蚀剂液膜的形成和流动,分析缓蚀剂停注后在气流冲刷作用下的流动规律。研究结果表明,在生产工况下酸性气井中的气流能够携带水基缓蚀剂并在管柱壁面上形成厚度约为2 mm的液膜,在20~60 m管段预膜效果较好;水基缓蚀剂停止注入后,由于气流的冲刷作用,管壁缓蚀剂液膜逐渐被破坏和减薄。建议每隔60 m长管段增加一个缓蚀剂注入喷嘴,并且整个井筒缓蚀剂喷嘴的位置呈螺旋上升分布。

强交变热载荷下页岩气井水泥环完整性测试

页岩气井大规模水力压裂过程中,因井筒内的温度、压力波动及持续变化、循环加卸载引发的水泥环完整性问题将威胁到井筒的完整性。为了弄清强交变热载荷下水泥环完整性失效机理、避免页岩气水平井大规模压裂过程中水泥环屏障失效,基于自主研发的实验装置对全尺寸实物“生产套管—水泥环—技术套管”组合体在强交变热载荷作用下的密封完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了2种全尺寸水泥环(普通水泥环和高强度水泥环)在3种强交变热载荷作用下(出现间断CO2气泡的循环次数分别为4次和14次,出现连续气泡的循环次数分别为5次和15次,交变热载荷分别为30~120℃和30~150℃)的完整性实验结果。研究结果表明:①交变热载荷对水泥环完整性具有显著的负面影响,并且随着交变温度及温差的增大,表征水泥环密封完整性的热循环次数急剧减少;②表征水泥环与套管间的剪切力、轴向与径向结合强度等界面力学性能指标均随交变温度增加而下降;③水泥环微环隙主要是由套管与水泥环材料之间的不协调变形所致,而交变热载荷诱导的水泥石自身力学性能衰退及损伤在一定程度上加剧了水泥环密封完整性失效。结论认为,该研究成果可以为深部页岩气水平井大规模压裂施工设计提供参考。

二氧化碳在地层水中的溶解度测定及预测模型

考察H_(2)S、CO_(2)等酸性气体在液体介质中的溶解度对同区块不同井或同井不同井段油套管腐蚀、开裂及氢脆等环境断裂情况的影响,基于模拟油气井环境下CO_(2)溶解度的测试装置,开展CO_(2)在不同温度、压力及矿化度下的溶解度试验,采用灰色关联度法从温度、压力及矿化度3个方面对CO_(2)溶解度进行敏感性分析,得到CO_(2)溶解度与温度、压力及矿化度之间的相关性,基于试验数据及改进的P-R状态方程,采用逸度系数模型与混合规则相结合的方法,拟合分析预测结果与模型中二元交互作用参数之间的相关性,得到二元交互作用参数,修正完善CO_(2)在地层水中溶解度的预测模型,计算CO_(2)-地层水体系在实验温度(303.15~363.15 K)、压力(5~30 MPa)及矿化度(0~0.7 mol/kg)条件下的相平衡数据。结果表明CO_(2)溶解度随压力变化存在转变压力(本文实验条件下的转变压力为15 MPa),在转变压力以下,CO_(2)溶解度随压力增加更快;温度为CO_(2)溶解度的主控因素,压力次之,矿化度最小;CO_(2)溶解过程受温度、压力及矿化度3种因素的混合控制,其溶解度变化趋势主要依赖于CO_(2)气体分子在水溶液中的溶解速度和逃逸速度;优化的预测模型是准确、可靠的。

页岩气井环空带压安全风险定量评价方法研究

针对页岩气开发过程中井筒完整性失效引发的环空带压问题,开展了页岩气井井筒环空带压安全风险定量评估研究。基于模糊综合评判理论,充分考虑页岩气井的井筒实体屏障、流体屏障、运行管理等实际情况,建立了以环空压力、固井质量和地层完整性3个关键风险指标为依据的页岩气环空带压井安全风险评估方法,在某页岩气田进行了应用,对19口环空带压井的风险值和风险度进行了定量评估,并根据风险评价结果,从环空最大许可带压值确定、环空带压诊断、环空带压监测管理等方面给出了一套页岩气井环空带压安全管控推荐作法,研究成果为页岩气井的安全生产提供了重要的技术指导。

应急放喷工况井下管柱冲蚀行为研究

钻遇高产气层时,气体大量侵入井内,应急放喷施工造成井下管柱面临严重冲蚀。为分析大放喷量、高携砂率工况下井下管柱的冲蚀情况,开展了应急放喷工况井下管柱冲蚀行为研究。应用有限元法,利用ANSYS-Fluent数值模拟软件,针对钻杆水眼和钻杆-套管环空内的流场特性、颗粒轨迹和冲蚀行为开展了模拟分析,得到了日放喷量和日出砂量对冲蚀的影响规律。结果表明:当通过钻杆水眼放喷时,冲蚀薄弱点位于钻杆接头内壁缩径面;当通过环空放喷时,冲蚀薄弱点位于钻杆接头外壁迎风坡;从环空放喷时的冲蚀程度比从钻杆水眼放喷时更为严重。基于研究结果,建议通过钻杆水眼进行放喷,在放喷初期采用小排量放喷,待井筒内泥浆、岩屑和砂粒几乎放喷完后再增大放喷量,可有效降低管柱冲蚀。该研究成果为高压高产气井应急放喷施工方案的制订提供了依据。

酸性天然气注入参数对管柱腐蚀的影响

为研究酸性天然气注入参数对管柱腐蚀的影响规律,采用高温高压釜模拟气体注入工况,对P110,N80,3Cr三种钢材进行失重实验,测试钢材在不同注入工况下的腐蚀情况,并结合扫描电镜与能谱仪对钢材的腐蚀产物进行表征,最后对管柱的安全服役期限进行评估。研究结果表明:P110,N80,3Cr钢材的腐蚀速率大小依次递减,随着注入压力升高,钢材的腐蚀速率会显著上升;随着CO2质量分数的增加,钢材腐蚀速率先增大后减小,在CO2质量分数为8%时达到最大值;在注气过程中,流体的流动会加剧钢材的腐蚀;计算得出苛刻工况下管柱的安全服役期限在7~8a。研究结果明确了注入参数对管柱的腐蚀及安全服役期限的影响程度,为优化注气工艺参数和制定针对性的腐蚀防护对策提供了依据。

安宁河右岸冕宁-德昌段昔格达组地层分布、组成及工程特性研究

安宁河谷地区在地质发展史上经过多次“海侵海退”后形成了“昔格达地层”这一攀西地区的“地方特产”。在安宁河右岸冕宁-泸沽段零星分布,在漫水湾-德昌段按其沉积厚度、颜色和地形地貌可大致分为四个沉积区,最大沉积厚度达100m以上,成分极为复杂,且胶结程度不一,差异性大。按胶结状态可分为弱~微胶结和半胶结两大类。根据室内试验和原位测试,该套地层中半胶结的砂泥岩岩性软弱,具有低密度和低压缩性、遇水软化、失水崩解等工程特性。

复合管焊接接头整管段应力腐蚀试验方法研究

西南某高酸性气田拟采用双金属复合管作为内腐蚀控制手段,为了评估复合管焊接接头的耐腐蚀性能,根据其结构特点,建立整管段试件有限元力学模型,并通过加载应力应变测试试验验证了有限元模型的准确性,确定出焊缝合理的应力槽形式和试验总压。采用自主研制的双金属复合管整管段的腐蚀评价装置和方法,开展了X52/825冶金复合管焊接接头在苛刻应力状态和腐蚀工况下的耐蚀性能评价,结果表明,X52/825冶金复合管焊接接头在模拟工况下,经720 h腐蚀实验后,均未出现破裂或刺漏,100%射线探伤检验结果显示X52/825冶金复合管焊接接头无开裂性裂纹,具有良好的耐蚀性能。研究结果为酸性气田复合管的性能评估和安全使用提供了技术借鉴。

模拟井筒工况下四丙氟橡胶O型圈腐蚀损伤研究

采用高温高压釜和自主设计的O型圈承压状态模拟装置模拟某高含CO_2介质天然气生产井井筒工况,在总压30 MPa、CO_2分压0.5MPa、温度140℃的条件下,分别在承压状态下和自由状态下对四丙氟橡胶O型圈进行了高温高压腐蚀实验。以O型圈试样的拉伸、硬度和压缩永久变形为考察指标,分析了腐蚀前后试样的力学性能损伤规律。研究结果表明,四丙氟橡胶O型圈在模拟工况下服役后力学性能下降,承压状态下橡胶材质的腐蚀损伤比自由状态的损伤程度小,气相环境中的腐蚀比液相环境严重,实验结果呈现出较好的规律性,建议将模拟井筒承压状态下橡胶材质的力学性能衰减程度作为腐蚀损伤的主要考察指标进行材质优选。

《钻井与完井工程》精品课程建设与探索——以西南石油大学为例

随着中国当代大学生学习需求逐渐多样化,如何满足学生个性化的学习方式,如何改革当前教育教学模式,是教育工作者和课程建设者所关注的焦点与热点问题。互联网时代教育的信息化是必然趋势,数字化课程的建设是当前教育教学改革的基础保障。西南石油大学《钻井与完井工程》课程团队以新时代的培养要求为依据,制定了新的课程教学目标;利用现代化信息技术,按照资源共享的技术标准建设课程资源,以多样化的数字传媒形式展现课程资源;以资源共享为契机,开展教学模式改革。以此为基础,该团队将已有的《钻井与完井工程》国家级精品课程进行全方位改造,升级成为国家级精品资源共享课,满足了当代大学生多元化学习和线上线下同步学习的需要,为同类专业的课程建设提供了有益的参考。

双台肩钻杆接头优化设计

随着油气井钻探难度和深度的增加,钻杆接头所需的抗扭强度、疲劳寿命和传递水力效率要求越来越高。通过增加接头内径提高水力效率,通过减小锥度提高抗扭强度,通过加大磨损余量增加使用寿命,优化了新型V-50R螺纹牙型结构,并设计了一种新型双台肩钻杆接头。结果表明:在复合载荷作用下,相较于NC50接头和GPDS 50接头,所设计的新型双台肩接头最大von Mises应力分别减小16.26%和19.04%,减缓应力集中效果更佳;抗扭强度分别增加76.4%和27.7%,抗扭强度更高;水眼直径分别增加11.67%和21.73%,水力效率更大。优化设计的双台肩钻杆接头可应用于深井超深井钻具中,也可为钻杆接头及相关油井管接头改进设计提供参考。

元坝气田埋地柔性钢骨架复合管非开挖检测分析

目的为评估元坝气田污水输送复合管的完整性,提出了一种针对埋地柔性钢骨架复合管的非开挖检测方法。方法该方法依据电位梯度值判定管道的完整性,首先使用交流电位差测量仪检测管线上方电位梯度值,判断管线防护层是否存在破损并确定破损点位置;然后对破损处电位梯度值进行分级,并确定防腐层破损程度;最后利用GPS定位测量仪对破损点进行精确定位。结果利用该技术对元坝气田污水管线进行无损检测,共检测出5处防腐层破损点,开挖验证后发现各处防腐层均有不同程度的损伤,破损情况与检测结果吻合。结论提出的非开挖检测方法可以实现埋地柔性钢骨架复合管的无损检测,可精确定位出柔性钢骨架复合管的防腐层破损点,检测结果准确可靠。

二氧化碳驱采油井缓蚀阻垢剂的复配实验研究

针对西部某油田注CO_2驱腐蚀结垢的特点,选用油田普遍使用的咪唑啉、季铵盐、酰胺盐、膦酸盐缓蚀剂以及氨基三亚甲基膦酸和聚天冬氨酸阻垢剂进行复配实验研究,用电化学测试方法和静态阻垢测试实验优选出性能良好的缓蚀剂和阻垢剂单剂,对所选的缓蚀剂和阻垢剂在总质量浓度240mg/L下进行最优配比实验后,采用失重法、模拟工况测试阻垢率以及扫描电镜(SEM)评价复合缓蚀阻垢剂的防护效果。实验结果表明:通过单剂筛选得出的缓蚀剂和阻垢剂在60℃饱和CO_2模拟地层水中对N80碳钢的缓蚀率高达94.13%,阻垢率高达93.98%;在总质量浓度为240mg/L时,缓蚀剂与阻垢剂按2∶1的质量比复配后的试剂,缓蚀率达91.98%,阻垢率达91.10%;在模拟实际最苛刻的生产工况下,复合缓蚀阻垢剂的防腐防垢均能满足油田控制指标。研究表明,膦酸盐和聚天冬氨酸复配的缓蚀阻垢剂可以抑制CO_2驱采油井的腐蚀结垢问题。

井场水基环空保护液腐蚀实验研究

为解决淡水资源缺乏、淡水运输成本高的问题,针对添加加重剂的井场水基环空保护液进行了腐蚀实验。通过失重腐蚀实验和四点弯曲实验对常用P110油套管材进行腐蚀规律评价,明确了井场水基环空保护液的防护效果,并对加重剂进行了调研分析。结果表明:在以NaCl+NaBr加重至1.30 g/cm^(3)的体系中,试样表面未发现肉眼可见裂纹,未发生断裂;通过扫描电子显微镜分析得到的微观形貌显示未形成致密的保护膜,截面分析显示P110的钢材腐蚀产物膜厚度达到28.3μm,金属基体发生了明显的局部腐蚀现象,存在较大的腐蚀失效风险;使用HCOOK作为井场水基环空保护液的加重剂,对钢材具有较好的保护效果,建议使用HCOOK作为井场水基环空保护液的加重剂。

高温高酸性回注井环空保护液复配实验研究

为复配出适用于高温高酸性回注井的环空保护液,通过室内实验评价添加剂的作用效果以及添加剂间的兼容性和协同作用,优选出适用的缓蚀剂、除氧剂、杀菌剂,确定添加剂最优加注浓度,最终形成环空保护液复配方案,并利用高温、高压釜模拟酸气回注井井筒工况,评价环空保护液的防护效果。结果表明:在由HS-2咪唑啉类缓蚀剂、无水亚硫酸钠除氧剂和SJ-3杀菌剂复配形成的环空保护液中,P110SS套管的腐蚀速率从0. 843 mm/a降为0. 071 mm/a,防护效果优良。研制的环空保护液具有杀菌、除氧、缓蚀功能,可为高温高酸性回注井井下管柱的防护提供技术保障。

S135钻杆接头缺口疲劳行为研究

钻杆接头疲劳失效是钻杆失效的主要形式,因此,为提高钻杆的使用寿命,对S135钻杆接头的疲劳行为进行了研究。根据钻杆接头的受力特征设计了疲劳试样,采用PQ–6型旋转弯曲疲劳试验机和扫描电镜研究了应力集中对S135钻杆疲劳性能的影响。结果表明:S135钻杆疲劳性能对V形缺口具有一定的敏感性;缺口根部半径越小,应力集中系数越大,对疲劳性能的影响越严重,应力集中系数和疲劳强度符合幂函数关系;疲劳裂纹从缺口根部开始萌生,存在许多裂纹源(呈环形排列);应力相同时,随着应力集中系数增大,缺口根部的撕裂现象减弱,断口变得光滑、平整,疲劳条纹变得细而密。研究结果表明:对钻杆接头螺纹的牙型进行优化设计,可以降低或减缓齿根的应力集中,降低S135钻杆疲劳对缺口的敏感性,提高S135钻杆的使用寿命。