Алюминиевые трубы нефтяного сортамента для бурения и эксплуатации скважин на месторождениях с повышенным содержанием сероводорода

Aluminum pipes of oil assortment for drilling and wells operating in the fields with high content of hydrogen sulfide

V. BASOVICH, I. BUYANOVSKII, «Akvatik- Drilling pipes» LLC, I. PETUNKIN, «Drilling pipes» LLC

О преимуществах применения алюминиевых труб нефтяного сортамента при бурении и эксплуатации скважин на месторождениях с повышенным содержанием сероводорода

On the benefits of using aluminum pipes of oil assortment for drilling and operation of wells in the fields with high content of hydrogen sulfide.

По мере истощения легко извлекаемых запасов углеводородов добывающие компании все активнее разрабатывают технологически более сложные месторождения, в первую очередь, с высокой концентрацией сероводорода (H2S) в продуктивных пластах.
Это требует интенсивного изыскания эффективных средств и способов защиты от сероводородной агрессии, как основного, так и вспомогательного технологического оборудования.
Опасное воздействие H2S на стальные элементы бурильной (БК), лифтовой (ЛК) и обсадной (ОК) колонн заключается в их охрупчивании [1, 2] и, как след­ствие, может приводить к внезапному разрушению. По этой причине для применения в H2S-содержащих средах передовые зарубежные изготовители стальных бурильных (СБТ), насосно-компрессорных (НКТ) и обсадных (ОТ) труб нефтяного сортамента освоили специальные низкоуглеродистые хромо-молибденовые марки сталей типа МS, S, SS, которые применяются в зависимости от уровня парциального давления сероводорода и водородного показателя среды [3], обеспечивая необходимую сопротивляемость металла коррозионному поражению.
Наличие сероводорода и диоксида углерода в пластовых флюидах определяет специальные требования к конструкции скважины, креплению обсадных колонн, системе заканчивания, устьевому, противовыбросовому и буровому оборудованию.
Как правило, буровые и нефтедобывающие предприятия вынуждены приобретать для строительства скважин в таких условиях весьма дорогостоящие импортные СБТ, ОТ и НКТ, например, группы прочности 90-SS и т.п.
Перспективной альтернативой этим сталям являются обладающие высокой коррозионной стойкостью к сероводородной агрессии изделия из алюминиевых сплавов. Ниже приведены основные результаты лабораторных, стендовых и промысловых испытаний алюминиевых труб нефтяного сортамента по оценке их коррозионной стойкости в агрессивных сероводородсодержащих средах. Кроме того, рассмотрены результаты испытаний и специальные требования к стали сероводородостойких бурильных замков, которыми должны оснащаться легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ), предназначенные для эксплуатации в вышеупомянутых средах.
В книге Г.М. Файна и др. «Нефтяные трубы из легких сплавов» [4] впервые было отмечено, что согласно исследованиям, проведенным в СССР и за рубежом, ЛБТ в меньшей степени, чем СБТ, подвержены коррозии в агрессивных средах, содержащих H2S.
Учитывая, что при бурении на месторождениях с подобными характеристиками пластовой среды обычно используются трубы из дорогостоящих импортных коррозионностойких нержавеющих сталей, НК «ЛУКОЙЛ» приняла решение реализовать пилотный проект по использованию ЛОТ и ЛНКТ для применения в скважинах на месторождениях с высоким содержанием H2S и CO2.
С целью опробования возможности и эффективности применения алюминиевых труб нефтяного сортамента вместо стальных компанией «Акватик» совместно с Управлением по бурению ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» был выполнен комплекс опытно-промышленных работ по разработке, исследованию, лабораторным, стендовым и промысловым испытаниям ЛОТ и ЛНКТ при строительстве глубокой эксплуатационной наклонно-направленной скважины № 15, на Баяндыском месторождении, характеризуемом пластовыми флюидами с повышенным содержанием сероводорода и диоксида углерода.
С учетом паспортных значений прочностных и антикоррозионных свойств, а также имея в виду результаты выполненного компанией «Акватик» расчета напряженно-деформированного состояния обсадной колонны для этой скважины в качестве материала для ЛОТ и ЛНКТ был выбран высокопрочный алюминиевый сплав 1953Т1.

Проведенные прочностные и коррозионные испытания показали, что сталь марки 32ХГМА как по механическим свойствам, полученным при изготовлении макетов замков ЗЛКА–178, так и сопротивлению СКРН и КК со сплавом 1953Т1, полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сероводородостойким сталям группы SS.

По заданию компании «Акватик» в НТЦ «Weathtrford-Политехник», г. Санкт-Петербург [5], был выполнен комплекс лабораторных коррозионных испытаний образцов сплава 1953Т1 в присут­ствии насыщенных газовой смесью H2S и CO2 наиболее агрессивных пластовых сред, характерных для Баяндыского месторождения. Коррозионные испытания проводились в двух средах – модельной пластовой воде, содержащей 13,5 % H2S и 1,09 % CO2 и в смеси нефти с модельной пластовой водой. Исследования включали следующие виды коррозионных испытаний: на общую коррозию, сероводородное коррозионное растрескивание под напряжением (СКРН) при двух уровнях напряжений образцов, контактную коррозию в паре: сплав 1953Т1-коррозионностойкая сталь марки 30ХМА. При этом для более полной имитации скважинных условий коррозионные испытания проводились как при нормальном давлении и температуре 200 С, так и при термобарических условиях с использованием автоклавного оборудования при повышенных давлениях 5,0 и 15,0 МПа и температуре 880 С.
В табл. 1 приведены основные результаты испытаний сплава 1953Т1 на СКРН, которое является основным видом коррозионного поражения материалов при работе в агрессивной среде с повышенным содержанием сероводорода и диоксида углерода.
По результатам выполненных коррозионных испытаний были сформулированы следующие основные выводы:
– Алюминиевый сплав 1953Т1 сохраняет высокую коррозионную стойкость в агрессивной модельной пластовой воде при нормальном давлении и температуре 200 С. Максимальное значение скорости общей коррозии сплава в этих условиях не превышает 0,084 мм/год;
– При повышении температуры до 88° С коррозионное поражение сплава несколько возрастает, но оно не становится критичным для эксплуатации алюминиевых труб;
– При повышении давления среды до 15 МПа интенсивность коррозионного поражения сплава снижается по сравнению с данными, полученными при атмосферном давлении;
– Сплав 1953Т1 практически не подвержен СКРН;
– Контактная коррозия сплава со сталью 30ХМА не является определяющим фактором, «опасным» для общего эксплуатационного ресурса алюминиевых труб;
– Нефть в смеси с модельной пластовой водой оказывает защитное от коррозии действие на образцы из сплава 1953Т1;
– Цементные растворы в период ОЗЦ не вызывают заметную коррозию сплава;
– В растворах HCl сплав 1953Т1 корродирует весьма интенсивно, поэтому при необходимости проведения кислотной обработки пласта в присутствии алюминиевых труб требуется либо замена кислоты, либо применение специальных ингибиторов, снижающих скорость поражения труб.
В качестве альтернативы HCl была, в соответ­ствии с рекомендациями [4], выбрана сульфаминовая кислота (NH2SO3H), испытания растворов которой показали, во-первых, практически полное отсутствие реакции с алюминиевыми сплавами и, во-вторых, – высокую эффективность применения для обработки карбонатных пород Баяндыского месторождения с целью повышения их проницаемости.
Таким образом, выполненные коррозионные испытания позволили отнести сплав 1953Т1 к классу весьма стойких материалов, имеющих по общепринятой шкале коррозионной стойкости балл стойкости 3.
Для проверки расчетных значений прочностных характеристик и оценки эксплуатационной надежности изготовленных ЛОТ и ЛНКТ на специализированных стендах ЦНИИ им. акад. Крылова в Санкт-Петербурге был проведен комплекс стендовых силовых испытаний на разрушение полномасштабных образцов труб при действии на них растяжения, изгибающего момента, избыточных внутреннего и внешнего давления. Основные результаты силовых испытаний образцов алюминиевых ЛОТ и ЛНКТ приведены в табл. 2.
Стендовые испытания показали, что разрушение образцов происходило при нагрузках, которые превышали рассчитанные значения. Кроме того, образцы ЛОТ в сборе с резьбовыми соединениями подтвердили герметичность при испытании внутренним давлением 42 МПа с одновременным растяжением трубы усилием 1800 кН. Образцы ЛНКТ в сборе с резьбовыми соединениями подтвердили герметичность при испытании внутренним давлением 40 МПа с одновременным растяжением трубы усилием 630 кН.
По результатам выполненных лабораторных и стендовых испытаний компания «Акватик» откорректировала техническую документацию на поставку ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» опытных партий ЛОТ-178х14 и ЛНКТ-90х10,5. Трубные заготовки для этих труб были изготовлены ООО «Бурильные трубы» методом горячего прессования алюминиевого сплава 1953Т1, а нарезку резьб и заводские испытания были выполнены АО «Серовский механический завод».
В январе 2011 г. в скважину № 15 Баяндыского месторождения ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» на глубину 4219 м была успешно спущена одной секцией обсадная эксплуатационная колонна, состоящая из алюминиевых обсадных труб ЛОТ-178х14 из сплава 1953Т1.
После крепления колонны, перфорации на заданной проектной глубине и проведения кислотной обработки пласта, выполненной с применением 15 % раствора сульфаминовой кислоты, суточный дебит нефти на этой скважине, согласно данным пресс-релиза НК «ЛУКОЙЛ» [6], достиг рекордного для данного месторождения уровня 500 тонн, а экономическая эффективность только от замены стальных обсадных труб на алюминиевые превысила 7,0 млн рублей.
На рис. 1 приведен фрагмент спуска ЛОТ 178х14 в скважину № 15.
ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» необходимо провести освидетельствование технического состояния алюминиевой обсадной колонны, после ее более чем шестилетней эксплуатации, и выдать соответствующие рекомендации по результатам уникального промыслового эксперимента и возможному тиражированию алюминиевых ЛОТ и ЛНКТ для применения в агрессивных средах с повышенным содержанием сероводорода.
Высокую коррозионную стойкость алюминиевого сплава Д16Т подтвердил промысловый опыт применения разработанных компанией «Акватик» безмуфтовых ЛНКТ-74х8 в скважине № 13307, куст № 1350 Самотлорского месторождения, пластовая среда которой характеризуется сильной коррозионной активностью, обусловленной значительной степенью минерализации и содержанием H2S и СО2
Одновременно в данной скважине в составе лифтовой колонны испытывались НКТ-73х5,5 из стали группы прочности «К» с цинковым диффузионным покрытием резьб. После 136 суток эксплуатации произошло падение дебита по причине сильной коррозии стальных НКТ и разрушения цинкового покрытия на опытных трубах.
На рис. 2а представлены фотографии ЛНКТ-74х8 после 136 дней скважинной эксплуатации. Для сравнения: на рис. 2б приведен полученный в тех же условиях износ аварийного ниппеля серийной стальной НКТ-73х5,5.

Алюминиевые трубы нефтяного сортамента, в том числе: бурильные – ЛБТ, оснащенные сероводородостойкими замками из стали марки 30ХГМА; обсадные – ЛОТ и насосно-компрессорные – ЛНКТ, могут найти эффективное применение при бурении и эксплуатации месторождений с повышенным содержанием сероводорода и диоксида углерода в пластовых флюидах взамен импортных аналогов, изготовленных из специальных весьма дорогостоящих марок сталей.

Состояние ЛНКТ-74х8 при осмотре всей партии было признано хорошим, коррозионные и механические повреждения на теле труб отсутствовали, резьбы не корродировали и не были повреждены (рис. 2а). В связи с этим для продолжения промысловых испытаний с целью оценки максимального срока службы как самих труб, так и их резьбовых соединений, в скважину снова были спущены ЛНКТ-74х8.
После 380 дней общей скважинной эксплуатации внешний вид испытанных ЛНКТ-74х8 практически не претерпел изменений и решением технического совета компании «Самотлорнефтегаз» они были рекомендованы к применению на скважинах с сильной коррозионной активностью, обусловленной присут­ствием а пластовых водах сероводорода и диоксида углерода.
Насыщение стали водородом и водородное охрупчивание, как упоминалось ранее, являются основной причиной сероводородного растрескивания обычных марок сталей, применяемых для изготовления и замков серийных СБТ и ЛБТ, в частности, стали марки 40ХМФА по ГОСТ 4543-71.
Что касается ЛБТ, то, имея в виду высокую коррозионную стойкость алюминиевых сплавов в H2S и СО2-содержащих средах, необходимо, чтобы и привинченные к алюминиевой трубе стальные замки также обладали в этих условиях достаточной сопротивляемостью к общей коррозии, СКРН, а также и к контактной коррозии в биметаллической паре с алюминиевым сплавом.
Основные требования, которые предъявляются к сероводородостойкой стали, приведены в стандарте Канады IRP–01-2008 [7] и его отечественном аналоге ГОСТ 53678-2009 [3]. Из указанных нормативных документов следует, что для изготовления стойких к сероводородной коррозии замков к ЛБТ специальная сталь должна обладать следующими свойствами:
– растягивающее напряжение в % от минимального предела текучести стали, при котором лабораторные образцы при испытаниях на СКРН согласно стандарту NACE 177-2005 [8] в растворе с заданной степенью агрессивности сероводородосодержащей среды, не разрушаются в течение 720 часов, должно быть не менее 80 %;
– в эксплуатационной среде, содержащей сероводород, сталь должна обладать достаточной стойкостью к общей коррозии и контактной коррозии в паре с алюминиевыми сплавами;
– минимальный предел текучести стали в состоянии поставки должен быть не менее 758 МПа;
– сталь должна иметь однородную мелкозернистую микроструктуру, что обеспечивается правильно подобранными химическим составом и ее надлежащей химико-термической обработкой (ХТО).
В табл. 3 приведены рекомендации по химическому составу стали для изготовления бурильных замков ЛБТ в сероводородостойком исполнении, заимствованные из упомянутых нормативных документов [3, 7].
Комплекс НИР по выбору материала стального замка, стойкого в среде Н2S, отработке режимов ХТО стали, прочностным и коррозионным испытаниям выбранной марки стали был по заданию компании «Акватик» выполнен ОАО «Орский машиностроительный завод» (ОМЗ), г. Орск, совместно с ОАО «РосНИТИ», г. Челябинск [8].
На основании анализа нормативных материалов, отечественного и зарубежного промыслового опыта бурения и эксплуатации скважин с высокой концентрацией сероводорода в продуктивных пластах, а также с учетом известных результатов коррозионных испытаний ряда импортных и отечественных марок сталей, наиболее подходящими для изготовления сероводородостойких замков ЛБТ была признана сталь 32ХГМА по ГОСТ 8734-75.
Для дальнейших технологических исследований и коррозионных испытаний из этой стали по принятой на ОМЗ технологии были изготовлены 5 комплектов макетных образцов бурильных замков ЗЛКА-178 к ЛБТ-147х13. Режим ХТО макетов замков включал: отжиг после штамповки, закалку в трех-ручьевой установке с одновременным нагревом токами промышленной частоты и отпуск в шахтной печи по принятому на заводе режиму.
По результатам проведенных исследований и испытаний качество макетов бурильных замков ЗЛКА-178 было признано соответствующим ранее указанным требованиям, предъявляемым к сероводородостoйким сталям класса SS.
Лабораторные испытания образцов стали 30ХГМА на сопротивление СКРН в H2S содержащих средах проводилось по международному стандарту NACE ТМ-0177-2005 [9] с использованием метода одноосного растяжения круглых стандартных образцов с приложением фиксированной нагрузки, создающей в образцах напряжения, равные 65 % от минимального предела текучести выбранной марки стали. Испытания выполнялись в деаэрированном азотом и насыщенном сероводородом растворе, содержащем 5 % NaCl и 0,5 % CH3COOH в дистиллированной воде. Водородный показатель раствора рН = 2,6 – 2,8; температура поддерживалась равной 24 ± 3° С. Продолжительность испытаний равнялась 720 часам. Результаты коррозионных испытаний стали 32ХГМА представлены в табл. 4.
Как следует из табл. 4, 4 образца из стали 32ХГМА выдержали испытание, только 1 образец разрушился через 168 часов не по «слабому» сечению, а по галтели, вероятно, из-за ее некачественного изготовления.
Испытания на стойкость к контактной коррозии (КК) стали марки 32ХГМА в контакте со сплавом 1953Т1 проводилась иммерсионным методом, т. е. путем измерения потерь массы контактной пары при погружении в рабочую среду на время испытания. Контактная пара моделировалась схемой резьбового соединения бурильной алюминиевой трубы со стальным замком. Образцы в виде гаек изготавливались из деталей бурильных замков из стали марки 32ХГМА, образцы в виде шпилек – из сплава 1953Т1, вырезанных из тела ЛБТ-168х13. Образцы соединяли между собой посредством резьбы. Полученную таким образом контактную пару со стороны гайки заглушали фторопластовой пробкой и погружали в модельный раствор, приготовленный на основе, эксплуатационной среды Баяндыского месторождения.
Контрольная длительность испытаний составляла 288 часов. Испытания проводили при температурах рабочего раствора +21±30С и +88±30С. Испытывали по три контактных пары при каждой температуре испытания. Для определения сравнительной скорости коррозии металлов в контакте и без контакта проводили испытания контрольных образцов из тех же марок стали и алюминиевого сплава в отсутствие гальванического контакта.
Испытания на КК показали, что при температуре +21° С коррозия носит исключительно равномерный характер, при этом скорость коррозии не превышает 0,05 мм/год на образцах из стали и совсем незначительна на алюминиевом сплаве марки 1953Т1 – менее 0,007 мм/год.
Скорость КК алюминиевого сплава марки 1953Т1 с повышением температуры до +88° С увеличилась и составила (по массе) до 0,2 мм/год. При этом на поверхности образцов из алюминиевого сплава обнаружены локальные повреждения в виде язв глубиной 1,5 мм в контакте со сталью и 0,7 мм на контрольных образцах.
Проведенные прочностные и коррозионные испытания показали, что сталь марки 32ХГМА как по механическим свойствам, полученным при изготовлении макетов замков ЗЛКА-178, так и сопротивлению СКРН и КК со сплавом 1953Т1, полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сероводородостойким сталям группы SS.
Таким образом, алюминиевые трубы нефтяного сортамента, в том числе: бурильные – ЛБТ, оснащенные сероводородостойкими замками из стали марки 30ХГМА; обсадные – ЛОТ и насосно-компрессорные – ЛНКТ, могут найти эффективное применение при бурении и эксплуатации месторождений с повышенным содержанием сероводорода и диоксида углерода в пластовых флюидах взамен импортных аналогов, изготовленных из специальных весьма дорогостоящих марок сталей.

Литература

1. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов. Под ред. К.Л. Брайента, С.К. Бенерджи. Пер. с англ. Ю.П.Либерова. М.: Металлургия, 1988. 552 с.
2. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 216 с.
3. ГОСТ 53678-2009. Нефтяная и газовая промышленность. Материалы для применения в средах, содержащих сероводород, при добыче нефти и газа. Часть 2. Углеродистые и низколегированные стали стойкие к растрескиванию и применению чугунов.
4. Г.М. Файн и др. Нефтяные трубы из легких сплавов. М.: Недра, 1990.
5. Исследования коррозионной стойкости образцов алюминиевых и стальных труб нефтегазового назначения в водно-солевых растворах с содержанием сероводорода и углекислого газа: отчет о НИР. НТЦ «Weathtrford-Политехник», Санкт-Петербург, 2009.
6. ЛУКОЙЛ внедряет передовые технологии строительства скважин/ Пресс-релиз НК «ЛУКОЙЛ» от 08.04.2011.
7. IRP–01-2008. Critical Industry Recommended Practice for the Canadian Oil and Gas Industry. Drilling and Completion Committee.
8. Выбор материала стального замка стойкого в среде сероводорода; отработка режимов химико-термической обработки и выполнение комплекса прочностных и коррозионных испытаний: отчет НИР. ОАО «Орский машиностроительный завод», Орск, 2010.
9. NACE ТМ-0177-2005 Стандартный метод испытаний. Лабораторные испытания металлов на сопротивление сульфидному растрескиванию под напряжением в  H2S-содержащих средах. Стандарт Американской национальной ассоциации инженеров-специалистов по коррозии, 5 издание.

References

1. Embrittlement of structural steels and alloys. Ed. by K.L. Braient, S.K. Benerdzi. Translation from English. Y.P. Liberova. M.: Metallurgy, 1988. P. 552.
2. Kolachev B.A. Hydrogen brittleness of metals. M.: Metallurgy, 1985. P. 216.
3. GOST 53678-2009. Oil and gas industry. Materials for use in environments containing hydrogen sulfide, the extraction of oil and gas. Part 2. Carbon and low alloy steel resistant to cracking and application of cast irons.
4. G.M. Fain, etc. The light alloy oil pipe. M.: Nedra, 1990.
5. Study of corrosion resistance of samples of aluminum and steel pipes oil and gas sector in water-salt solutions with a content of hydrogen sulfide and carbon dioxide: the research report regarding NIR NTC «Weathtrford-Polytechnic», Saint-Petersburg, 2009.
6. LUKOIL introduces advanced technologies of construction of wells/ Press-release «LUKOIL» dd. 08.04.2011.
7. IRP–01-2008. Critical Industry Recommended Practice for the Canadian Oil and Gas Industry. Drilling and Completion Committee.
8. The choice of material the steel lock is resistant in the environment of hydrogen sulfide; development of modes of chemical and thermal processing and performing a set of strength and corrosion tests: report of research. OAO «Orsky machine building plant», Orsk, 2010.
9. NACE TM-0177-2005 Standard test method. Laboratory testing of metals for resistance to sulfide stress cracking in H2S-containing environments. Standard of the American national Association of engineers on corrosion, 5 edition.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Басович В.С.

    Басович В.С.

    к.т.н., генеральный директор

    ООО «Акватик – Бурильные Трубы»

    Буяновский И.Н.

    Буяновский И.Н.

    к.т.н., ведущий инженер

    ООО «Акватик – Бурильные Трубы»

    Петункин И.В.

    Петункин И.В.

    генеральный директор

    ООО «Бурильные трубы»

    Просмотров статьи: 563

    Rambler's Top100

    admin@burneft.ru