摘要：針對API/ISO或GB/SY標準設計的油管、套管不能完全保證在服役過程中完整性的現狀，參考挪威石油工業協會NORSOK D-OIO標準，研究了“井筒完整性設計”的理念和設計方法，提出了井下作業的井筒完整性管理方法，防止井下作業工具對套管可能產生的潛在損傷。從API圓螺紋和偏梯形螺紋的使用限制、金屬接觸氣密封螺紋的選用方法、井下組件潛在的電偶腐蝕和縫隙腐蝕等角度，研究了降低螺紋連接部位被腐蝕、泄漏或斷裂的措施，盡可能保持井筒物理上和功能上的完整性，使井筒始終處于受控狀態。建議在井筒完整性設計過程中，重視螺紋的合理選用以及正確操作、井下組件的電偶腐蝕，以降低密封失效的風險。
關鍵詞：氣井；高含硫化氫；高產；井筒；完整性；設計；螺紋選用
0 引言
挪威石油工業協會NORSOK D-010標準將井筒完整性定義為：采用有效的技術、管理手段來降低開采風險，保證油氣井在成功廢棄前的整個開采期間的安全。井筒完整性設計主要包括以下內涵：①井筒應保持物理上和功能上的完整性。所謂“物理上”是指無泄漏、無變形、無材料性能退化、無壁厚減薄，“功能上”是指適應開采或井下作業的腐蝕環境、壓力及操作。②井筒油管、套管及安全裝置始終處于受控狀態，可預測不同使用期間能承受的極限載荷和極限服役環境，操作者應控制施工參數在極限條件之內；當不可控制的因素可能導致井筒的某一關鍵節點失效，可能危及環境與公眾安全時應及時補救或有能力安全地封井廢棄井眼。③建立一體化的技術檔案及信息收集、交接或傳遞管理體制。許多套管失效是操作者不知道套管或井下結構的技術數據，井下作業損傷套管或使已損傷的套管演變成事故。④建立具有針對性的失效分析、風險分析機制，將油管、套管、各層環空的完整性管理和設計建立在失效分析、風險分析的基礎上。由于井筒完整性設計涉及的外載、套管、水泥環損傷或材料性能退化等很難準確定量計算，因此，設計或服役條件要用到風險分析方法[1～3]。
1 井筒完整性設計涉及的基本內容
1.1 井下管柱及附件完整性設計
主要包括：①管柱力學設計，參考IS010400、API 5C3、Alberta Recommended Practices Directive 010、SYT 5322-2000、NORSOK STANDARD D-010 Rev.3等標準，開展高含硫環境中管柱力學設計、以NACE TM 0177—1996的Nace D法實驗為基礎的材料臨界環境斷裂韌性設計和管柱變形分析；②高含硫環境的合理選材，參考NACE MR 0175/ISO 15156、SY 6268—1996等標準；③井下高溫高壓強腐蝕環空中橡膠筒長期耐蝕性和密封性設計。
1.2 采氣井口系統完整性設計
主要包括：①采氣井口型號的合理選擇，參考ANSI/API 6A、SYT 5127—2002等標準；②閘閥的合理選擇，參考API 6FC/6FA抗火試驗標準；③地面控制系統的合理選擇，參考API 14C RPC標準；④密封材料的合理選擇，參考API 6FB標準[4～5]。
1.3 套管頭完整性設計
主要包括：①材料選用：參考NACE MR0175/ISO 15156、SY6137—2004標準；②鎳基合金的斷裂行為設計；③密封方式選擇；④防止組件間的電偶腐蝕控制措施，參考IS015156標準。
1.4 井下作業完整性設計
主要包括：①試壓、清管和置換：參考SY 0466、SY 0402、SY 5225標準；②移開采氣井口或防噴器的安全規定；③環空帶壓管理API RP 90，環空帶壓的診斷與排除是井筒完整性設計的重要內容；④提高固井質量的完整性設計：水泥漿體系及性能要求，測井手段，井下作業及其對水泥環的影響。
1.5 油氣井資料的交接和保存
油氣井鉆井、完井和后期作業資料必須將相關文件移交給業主，并且由井筒完整性設計部門保管。任何重大的作業都應該清楚地記錄在案，移交的資料主要包括：①鉆井井史、完井資料，重點記錄入井管串的結構、型號等資料；②作業過程中的復雜情況；③修井作業資料；④油氣井開采資料；⑤實時監測系統和井筒保護措施資料；⑥油氣井信息資源共享。
2 井下作業的井筒完整性設計
1) 井下作業者應清楚井下的管串結構、材料、強度等原始數據，評估內外壁腐蝕狀況及有可能的缺陷，制訂合適的施工壓力限制條件。
2) 任何井下作業工具均應考慮避免對套管產生的潛在損傷，如劃痕、磨損、撞擊。任何下井工具均不應有銳利的外緣，以避免劃傷套管。
3) 應清楚內徑變化處的深度及各附件所處的深度、井下工具經過內徑變化處或附件深度處，應緩慢起下，避免快速起下撞擊或劃傷附件或作業管柱。
4) 井下作業中，如果發現起下管柱有阻卡，應考慮采用較小直徑的工具。對含硫套管或井下附件應避免刮、脹、修、磨。應考慮井下作業有可能損傷套管或降低套管在硫化氫環境中的使用性能。
5) 如果遇到不可避免的需要脹管、修管，應報上級主管部門審批，上級部門應根據井下情況以及環境斷裂力學相關理論確定合適的作業措施。
6) 不推薦采用作業管作為長期服役的油管使用。作業管螺紋應采用符合要求的螺紋脂，并且上扣扭矩和旋轉圈數應符合ISO 11960的規定。應注意僅按上扣扭矩為標準的操作措施已被ISO 11960/API 5CT廢棄。
7) 作業管的非正常操作有可能造成管柱斷或脫扣，延長井口敞開時間，應考慮由此可能導致的溢流和井噴風險。
8) 應根據作業管、套管的實際狀況，考慮合適的作業載荷、最高壓力、環空允許壓力。井下作業(如酸化壓裂、安放封隔器)時，應進行強度與變形評估。
9) 若下永久式封隔器，應考慮井下作業、環空壓力變化等對封隔器密封性的影響，多次井下作業可能導致永久式封隔器失效。
3 螺紋的選用和操作
1) 在含硫化氫、二氧化碳和地層水含量高的油套管柱中，螺紋連接是首先被腐蝕、泄漏或斷裂的部位，優選螺紋和合理使用可顯著提高密封完整性。
2) API圓螺紋和偏梯形螺紋使用限制。在含硫化氫、二氧化碳和地層水含量高的井中，油管、生產套管、尾管不宜選用API圓螺紋和偏梯形螺紋連接。當流體通過油管柱接箍中部時，API圓螺紋和偏梯形螺紋連接處截面變化，即截面的突然放大和突然縮小，流體流速及流場將發生變化。在該區域產生流動誘導沖蝕，應力腐蝕、縫隙腐蝕，電偶腐蝕。API偏梯形螺紋連接密封壓力低于API圓螺紋，只可用于內壓力不大的表層或技術套管。在硫化氫酸性環境中，API標準圓螺紋接箍承受較大的周向張應力、或局部應力集中過大，可能導致縱向開裂。API圓螺紋的外螺紋最末完全扣處存在較大的應力集中，如果油管環空暴露于腐蝕介質中，該點將成為應力腐蝕、縫隙腐蝕，電偶腐蝕敏感點，導致穿孔或斷裂。
3) 金屬接觸氣密封螺紋選用。含硫化氫、二氧化碳氣井中的油管、生產套管、尾管應選用金屬接觸氣密封螺紋。在各型金屬接觸氣密封螺紋中，推薦優先選用滿足下述要求的螺紋和密封結構：①接箍和外螺紋應力分布合理，盡可能降低應力水平；②螺紋旋進階段，扭矩應緩慢上升，且扭矩值不應過大。應能區分正常旋扣扭矩和粘扣扭矩；③密封面接觸和扭矩臺階接觸后扭矩應有“直角上升”趨勢；④外螺紋前端應有合適厚度，緊扣產生的徑向應力不應使外螺紋前端縮徑；⑤金屬接觸氣密封面接觸應力適當，接觸面無粘連損傷，接觸面粘連損傷可能引起密封失效。
4) 現場使用要求。現場使用需要注意：①操作不當是螺紋失效的主要原因，許多螺紋失效(粘扣、喪失密封、斷扣/脫扣)發生在現場上扣端；②上扣扭矩、圈數、轉速應符合ISO 11960/API5CT標準或廠家推薦值，油管和生產套管均應有上扣扭矩、圈數記錄，應采用無咬傷型動力鉗上卸扣，避免鉗牙咬傷處應力腐蝕和電偶腐蝕；③應采用符合API 6A3標準的改性螺紋脂。螺紋脂不應含有二氧化鉬潤滑劑，并能抵抗硫化氫的腐蝕。
4 井下組件的電偶腐蝕控制
在土壤、大氣和硫化氫、二氧化碳等井下介質中的異種金屬接觸都會有電位腐蝕和縫隙腐蝕，如不銹鋼或鎳基合金與碳鋼或低合金鋼接觸，鋼管與管架接觸等。鎳基合進可能的電偶腐蝕風險有：①電偶腐蝕和電偶誘發的氫應力開裂(GHSC)，前者損傷低碳合金鋼，后者損傷鎳基合金；②合金件的冶金和制造缺陷，合金中晶間析出針狀δ相影響構件的力學性能，嚴重時產生瞬間斷裂。
合金材料與低合金鋼(例如C110)接觸、井口處低合金鋼C110與鎳基合金管718(套管頭心管)接觸，在接觸界面處存在兩類腐蝕機理；①對低合金SM-C110、輸送管中的碳鋼，以電偶腐蝕為主，此外還存在縫隙腐蝕和應力腐蝕。碳鋼或低合金鋼先期腐蝕穿孔或斷裂。電偶腐蝕是指兩種具有不同電位能級的材料與周圍環境介質構成回路的同時，也構成了電偶對。由于腐蝕電位不相等有電偶電流流動，使電位較低的金屬溶解速度增加，而電位較高的金屬，溶解速度反而減少的現象稱為電偶腐蝕。造成電偶腐蝕的原因是：兩種材料之間存在著較大的電位差，存在的電解質溶液構成電子和離子的傳導體，由此形成了腐蝕原電池。②對鎳基合金(如G3或718)，可能產生電偶誘發的氫應力開裂(GHSC)。不銹鋼或合金與碳鋼或低合金鋼連接時，受電偶激發，不銹鋼或合金中的組織缺陷聚集氫、變脆和斷裂。
5 結論
1) 按照API/ISO或GB/SY標準設計的油管、套管不能完全保證在服役過程中的完整性，需要參考“井眼完整性設計”的理念和設計方法，保持井筒物理上和功能上的完整性，使井眼始終處于受控狀態。
2) 井下作業極易破壞井筒的完整性，在井下作業過程中，需要評估井下管串內外壁腐蝕狀況及可能的缺陷，制訂合適的施工壓力限制條件，避免對井下管串產生的潛在損傷。
3) 建議在井筒完整性設計過程中，重視螺紋的合理選用以及正確的操作、井下組件的電偶腐蝕，以降低密封失效的風險。
參考文獻
[1] Standards Norway. Well integrity in drilling and well operations[R].Norway：OLF and TBL，2004.
[2] API Bull 5C3.Bulletin on formulas and calculations for casing，tubing，drill pipe，and line pipe properties[S].1994.
[3] ISO.ISO 15156-2 petroleum and natural gas industries-materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production-part 2：Gracking-resistant carbon and low alloy steels，and the use of cast jrons-1st edition[S].2003.
[4] 張智，付建紅，施太和，等.惡劣環境氣井井下油管的相變誘導腐蝕[J].天然氣工業，2007，27(10)：70-72.
[5] 王樹平，李治平，陳平，等.高溫油氣引發套管附加載荷預防模型[J].天然氣工業，2007，27(9)：67-71.
(本文作者：張智1 周延軍2 付建紅1 陳明2 李文飛2 施太和1 1.“油氣藏地質及開發212程”國家重點實驗室·西南石油大學；2.中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
- 注解：本資料由會員及群友提供僅供閱讀交流學習，不得用于商業用途！
