天然气工程-气井腐蚀与安全课件.ppt
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1、第十二章 气井的腐蚀与安全,天然气工程,主要内容,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法第三节 气井腐蚀性环境的材料选用第四节 气井的防腐设计第五节 含硫化氢气井的安全与防护,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,一、气井的腐蚀介质油气井产出物的腐蚀性组分 硫化氢、元素硫及有机硫等含硫组分;二氧化碳;溶解氧气;含氯离子浓度较高的地层水或注水开采过程中回采的注入水;硫酸盐及硫酸盐还原菌、碳酸盐类。油气井注入物的腐蚀 注入水:含溶解氧、细菌;增产措施:酸化作业时的残酸液、为提高采收率时注入的聚合物、注入的 二氧化碳等;干气回注、回注气体中的二氧化碳;稠油热采
2、注入的高温水蒸汽。非产层中的腐蚀介质 非产层地层同样也会含有上述腐蚀性组分,固井质量差,或井下作业欠妥造成的产层间、产层与非产层间流体的窜流。,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,二、气井的腐蚀环境油气井的腐蚀环境包括不同部位的压力、温度、流态及流场。这些因素又引起系统相态变化,变化过程伴有气体溶解、逸出、气泡破裂等,在流道壁面产生剪切及气蚀、机械力与电化学腐蚀协同作用,从而加剧了腐蚀。流道直径变化、流向改变都会引起压力、温度、流态及流场变化,加剧腐蚀。在油气井开采过程中,腐蚀性组分含量常常是变化的。特别是随开采期的延长,地层水含量往往呈增加趋势,有时也会出现硫化氢含量随开采期延长而增加的
3、现象。不同材料相接触或连接会产生电位差,有的地层或井段会与套管形成电位差,电位差是油气井的腐蚀环境的重要组成部分。油管、套管、采油树等所处的应力状态和应力水平也是重要的腐蚀环境。,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,三、腐蚀分类和腐蚀机理化学腐蚀 金属的化学腐蚀是指金腐表面与非电解质直接发生的纯化学反应,电子的传递是在金属与氧化剂之间快速完成的,没有产生腐蚀电流。化学腐蚀的一个例子是金属表面腐蚀保护膜,所谓不锈钢的本质是可生产致密、附着牢固的保护膜屏蔽层。但是大部分碳钢和低合金钢化学腐蚀保护膜疏松和附着力低,不能起到保护作用。自然界和工程技术中很少会有纯粹的化学腐蚀,腐蚀几乎都是电化学性质
4、的。,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,电化学腐蚀电化学腐蚀机理,电化学腐蚀的过程,电化学腐蚀的反应过程是一个氧化还原反应过程,铁原子以铁离子形式进入溶液,并以Fe2O3(H2O)x、FeSx、Fe2CO3等形式存在。,电化学腐蚀发生在局部的点或区域,称为局部腐蚀。有两类边界接触条件会引起或加速局部电化学腐蚀:电位能级差较大的两种金属间有电解质溶液,或直接接触并浸没在电解质溶液中,会产生电位差腐蚀,或称电偶腐蚀金属内部缺陷或缝隙暴露在电解质溶液中会引起局部电化学腐蚀金属表面状况,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,环境因素对电化学腐蚀的影响 腐蚀产物及其相互作用 钝化膜导电性影响 外
5、加电场影响 膜的稳定性杂散电流腐蚀电偶腐蚀缝隙腐蚀 金属构件联接处的缝隙 金属裂纹缝隙 金属与非金属间缝隙点蚀,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,环境断裂和应力腐蚀 在油管、套管和地面装置中由于腐蚀环境可能会出现一种突发性的破坏现象,称为环境断裂(environment assisted fracture)。粗略地说,环境断裂包括应力腐蚀和氢脆。二者并没有严格的区分,可同时发生,也可以说氢脆是应力腐蚀的本质因素或机理之一。应力腐蚀是一个一般性腐蚀类型,它还包括以下:应力腐蚀断裂 金属材料在应力和化学介质的协同作用下,导致滞后开裂或断裂的现象称为“应力腐蚀断裂”。应力腐蚀断裂是一种脆性断裂
6、,带有突发性,它是所有工业结构设计要优先考虑的问题。应力腐蚀开裂具有下述特征:必须有应力,可以是外加应力或残余应力,危害最大的是拉应力。应力腐蚀断裂是否发生,主要决定于腐蚀介质、金属材质和温度、pH值之间的选择性组合。腐蚀疲劳 当金属在腐蚀环境中遭受循环应力时,在给定应力下引起损坏所需要的循环次数减少,这种通过腐蚀而使得疲劳加速的现象称为腐蚀疲劳。也可以说腐蚀疲劳就是腐蚀和疲劳联合作用引起金属发生断裂。,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀 流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀是流动、电化学与机械力协同作用加速腐蚀的现象。油管内流动和经控制管汇的流动引起腐蚀/冲蚀是油气井防腐设计的
7、重要组成部分,如果说流体介质和电化学腐蚀是客观存在,那么流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀在很大程度上是可以通过合理设计而得到控制的。流动诱导腐蚀多相流流态扰流冲刷腐蚀空泡腐蚀湍流腐蚀固体颗粒冲击,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,四、主要腐蚀性组分的腐蚀机理地层水腐蚀 大部分油气井产出物中都不同程度地含地层水,其腐蚀的普遍性远大于硫化氢、二氧化碳等的腐蚀。凝析水不含无机盐离子,水量虽小,但腐蚀十分严重。与地层水腐蚀类似的还有:海水腐蚀;注水腐蚀;高浓度完井液水腐蚀;注热蒸汽稠油开采的水腐蚀;地热井开采的腐蚀;盐化工井的腐蚀。含水量对腐蚀的影响地层水化学组分及其对腐蚀的影响 地层水中可能不同程度地溶
8、解有氯化物、硫酸盐、碳酸盐等可溶性盐类,它们对油、套管及设备的腐蚀大致有下列类型:对某些钢材的应力腐蚀及应力腐蚀开裂由细菌的生命活动引起或促进材料的腐蚀破坏称为细菌腐蚀。,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,硫化氢腐蚀机理及腐蚀类型 含硫化氢的井又称为酸性油气井,其相应的腐蚀称为酸性腐蚀(Sour Corrosion)。硫化氢的主要来源是含硫天然气井、油井的原油及其伴生气中可能含有元素硫、硫化氢、硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩类化合物及更复杂的硫化物。地层中硫酸盐及硫酸盐还原菌分解生成硫化氢,或含磺酸盐类油气井工作液在高温下分解生成硫化氢。硫化氢的物理性质硫化氢环境中主要的腐蚀类型及破坏特征硫
9、化氢的电化学腐蚀材料在湿硫化氢中的环境断裂行为 元素硫腐蚀,第一节 气井的腐蚀环境、腐蚀机理及分类,二氧化碳腐蚀腐蚀机理 二氧化碳腐蚀在油气工业中叫甜腐蚀(Sweet Corrosion),是相对于硫化氢腐蚀(Sour Corrosion)而言的。二氧化碳溶于水形成碳酸,金属在碳酸水溶液中发生电化学腐蚀。在没有电解质(水)存在时,干燥的二氧化碳本身并不腐蚀金属。但是随着油气田开发的进行,含水率逐渐上升,二氧化碳溶解于水,变成碳酸,具有较强的腐蚀性。腐蚀严重度影响因素二氧化碳分压影响 温度的影响PH值的影响流动状态的影响多腐蚀性组分共存对腐蚀的影响 硫化氢和二氧化碳共存对腐蚀的影响 氧气和二氧化
10、碳的共存对腐蚀的影响 氯离子对钢铁的影响随材质的不同而不同,可导致钢铁发生严重的孔蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀 酸腐蚀,第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法,一、气液两相时的气体分压计算 在分析和研究腐蚀时,二氧化碳和硫化氢对腐蚀严重程度的影响常用分压(Partial Pressure)来表示。分压:在气体混合物中,假定在同一温度下,每个组分单独存在于混合物占据的总体积中所呈现出的压力,它等于体系绝对总压乘以该組分在混合物中的摩尔分数(或体积分数),用MPa表示。一般说来分压越大,腐蚀越严重,硫化氢(或二氧化碳)的分压高低已是目前国际上用来判断腐蚀严重程度的最重要的判据。,第二节 气井腐蚀的重要参
11、数及其获取方法,气体含量常采用以下两种描述方法:气体的质量浓度(G):标准状态(20和101.3kPa)下每m3容积所含的某种气体的质量克数,g/m3。气体的体积分数(X),用表示。上述两种浓度表示方法常常需要互换计算。式中 体积分数,用表示;某种气体的质量浓度,g/m3;某种气体的摩尔质量,g/mol;1mol(kmol)该种气体在标准状态(20和101.3kPa)下的体积(L)/mol(m3/Kmol)。1升=10-3m3。,第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法,气体的摩尔分数(X):对于理想气体,或体系压力不高的气体体系,使用中常将气体的摩尔分数视为等于该气体的体积分数。气体总压为70
12、MPa,气体中硫化氢摩尔分数为10,那么硫化氢分压为7MPa。如果系统中的总压和硫化氢的浓度是已知的,硫化氢分压就可用下图进行计算。酸性气体系统:硫化氢分压等压线,第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法,二、无气相的液体系统中硫化氢气体分压的计算 对于无气相液体系统,有效的硫化氢热力学活度可以通过硫化氢真实分压计算,其方法如下:用适当的方法测量某一温度下液体的泡点压力(PB)。在分离器下游的充满液体管线中,泡点压力可以近似取为最后一个分离器的总压。在泡点条件下,测定气相中硫化氢的摩尔分数。由以下公式计算泡点状态下天然气中硫化氢分压:式中 硫化氢分压,MPa;泡点,MPa;硫化氢在气体中的摩尔分
13、数,。用此方法测定液态系统中的硫化氢分压。可用此值判断系统是否符合ISO 151562规定的酸性环境系统。,第二节 气井腐蚀的重要参数及其获取方法,三、PH值测定与计算 PH值是影响腐蚀的关键因素,现场腐蚀状况的诊断分析或者防腐设计经常要涉及到PH值。PH值受组分的溶解、逸出和温度、压力和相变等因素的影响,因此,油管外环空及油管内不同井深的PH值均有差异。PH值也是定量描述腐蚀严重程度和材料评选的基本依据之一。二氧化碳含量对pH值有显著的影响,在分析井下腐蚀状况时,需要同时考虑油气组分的影响同时含有硫化氢和二氧化碳时,必须考虑两者溶于水时pH值的降低。硫化氢在溶液中的溶解度差异甚大温度对系统p
14、H值的影响不如压力的影响大,第三节 气井腐蚀性环境的材料选用,一、气井腐蚀性环境材料选用原则和标准 正确选用油管、套管及各种井下附件、采油树及地面设备的材料是油气井防腐的最重要环节,选材不当不仅造成浪费,而且隐藏安全风险。本节重点讨论碳钢和低合金钢、不锈钢和耐蚀合金的选用。设计依据 在硫化氢酸性环境情况下 钢种:碳钢、低合金钢 材料选择最重要和优先考虑的因素:环境断裂 酸性环境抗开裂的材料选择标准:标准ISO 151562;ISO 11960 技术性能规范;ISO 10400强度和设计方法规范;ISO 15156-4,第三节 气井腐蚀性环境的材料选用,适用性设计方法 NACE方法A和A溶液是一
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