(高清版)GBT 40543-2021 石油天然气工业　高含CO2环境用套管、油管及井下工具的材料选择

ICS75.180.01GB/T40543—2021/ISO17348:2016石油天然气工业高含CO₂环境用套管、油管及井下工具的材料选择forcasing,tubinganddownholeequipment(ISO17348:2016,IDT)国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T40543—2021/ISO17348:2016 Ⅲ 1 13术语、定义和缩略语 13.1术语和定义 13.2缩略语 44腐蚀评价准则 44.1通则 44.2生产流体或注入液体的腐蚀——腐蚀可能性 5 65.1高含CO₂注气井 65.2水和高含CO₂气交替注入井 75.3高含CO₂采气井 75.4生产套管 85.5密封件和封隔器 85.6衬里 9 6.1腐蚀防护 6.2腐蚀管理 6.3内腐蚀裕量 附录A(资料性)采气井选材实例 ⅢGB/T40543—2021/ISO17348:2016本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件使用翻译法等同采用ISO17348:2016《石油天然气工业高含CO₂环境用套管、油管及井与本文件中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下：——GB/T19830—2017石油天然气工业油气井套管或油管用钢管(ISO11960:2014,IDT);——GB/T20972.1—2007石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料第1部分：选择抗裂纹材料的一般原则(ISO15156-1:2001,IDT);-—GB/T20972.2—2008石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料第2部分：抗开裂碳钢、低合金钢和铸铁(ISO15156——GB/T20972.3—2008石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料第3部分：抗开裂耐蚀合金和其他合金(ISO15156-3:2003,MOD);——GB/T23802—2015石油天然气工业套管、油管和接箍毛坯用耐腐蚀合金无缝管交货技术条件(ISO13680:2010,MOD); -GB/T34903.1—2017石油、石化与天然气工业与油气开采相关介质接触的非金属材料第1部分：热塑性塑料(ISO23936-1:2009,MOD);———GB/T34903.2—2017石油、石化与天然气工业与油气开采相关介质接触的非金属材料第2部分：弹性体(ISO23936-2:2011,IDT)。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国石油天然气标准化技术委员会(SAC/TC355)提出并归口。公司、中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司、中国石油天然气股份有限公司大庆油田分公1GB/T40543—2021/ISO17348:2016石油天然气工业高含CO₂环境用套管、油管及井下工具的材料选择本文件规定了高压高含CO₂(含量高于10%和分压大于1MPa)环境下的CO₂气体注入井和采气ISO11960石油天然气工业油气井套管或油管用钢管(Petroleumandnaturalgasindustries—Steelpipesforuseascasingortubingforwells)ISO13680石油天然气工业套管、油管和接箍毛坯用耐腐蚀合金无缝管交货技术条件(Petroleumandnaturalgasindustries—Corrosion-resistantalloyseamlesstubesforuseascasing,tub-ingandcouplingstock—Technicaldeliveryconditions)ISO15156(所有部分)石油天然气工业油气开采中用于含H₂S环境的材料(Petroleumandnaturalgasindustries—MaterialsforuseinH₂S-containingenvironmentsinoilandgasproduction)ISO23936-1石油、石化和天然气工业与油气开采相关介质接触的非金属材料第1部分：热塑性塑料(Petroleum,petrochemicalandnaturalgasindustries—Non-metallicmaterialsincontactwithmediarelatedtooilandgasproduction—Part1:Thermoplastics)ISO23936-2石油、石化和天然气工业与油气开采相关介质接触的非金属材料第2部分：弹性体(Petroleum,petrochemicalandnaturalgasindustries—Non-metallicmaterialsincontactwithmediarelatedtooilandgasproduction—Part2:Elastomers)2GB/T40543—2021/ISO17348:20163.1.1在生产油管和生产套管(3.1.12)之间的环形空间。3.1.2从地表下入已钻井眼作衬壁的管子。3.1.3内覆clad;cladding通过热轧、堆焊、粉末冶金、爆炸的方法使耐腐蚀合金(3.1.4)层以冶金结合的形式包覆在碳钢或低合金钢钢板或钢管上。3.1.4耐腐蚀合金corrosion-resistantalloy在碳钢或低合金钢会遭受腐蚀的油田环境中，用来抵抗全面腐蚀和局部腐蚀的合金。3.1.5转换接头cross-over连接两个不同端部连接组件的短组件。3.1.6密相densephase临界压力以上的流态(超临界态或液态)。3.1.7干气drygas给定压力下高于水露点至少10℃的气体。3.1.8采气井gasproductionwell凝析气气液比在900～18000之间、干气(3.1.7)气液比高于18000的井。3.1.9表层套管(3.1.19)和生产套管(3.3.1.10安装在导管内，而非安装在事先设定的承装上，封隔导管间的环形空间，阻止环形空间内流体(液体或气体)流动的带有密封元件的机械装置。3.1.11抗点蚀当量pittingresistanceequivalentnumber基于合金化学成分中Cr、Mo、W、N含量的用于表征和预测不锈钢抗点蚀性能的数值。[来源：ISO21457:2010,3.1.18,有修改]3GB/T40543—2021/ISO17348:20163.1.123.1.133.1.14长度小于范围1的套管(3.1.2)或油管。3.1.15胀的快速压降。3.1.16套管鞋shoe3.1.17用于下放和回收井筒硬件(如桥塞、测量仪器和偏心工作筒中的阀门)的细小的非电力钢丝。3.1.18高于临界压力和温度的流体状态。3.1.19井口最初阶段下入的大直径管柱。3.1.20应力腐蚀开裂stresscorrosioncracking在含有水和H₂S存在的情况下，与局部腐蚀的阳极过程和拉伸应力(残余和/或施加的)相关的一种金属开裂。3.1.21硫化物应力开裂sulfidestresscracking在有水和H₂S存在情况下，与腐蚀和拉伸应力(残余和/或施加的)有关的一种金属开裂。4GB/T40543—2021/ISO17348:20163.1.223.1.23下入井内用来生产或注入流体的管串。3.1.24行井内各种作业的设备及配套技术。下列缩略语适用于本文件。CRA耐腐蚀合金(corrosionresistantalloy)FEPM四丙氟橡胶(copolymeroftetrafluoroethyleneandpropylene)FFKM全氟醚橡胶(perfluorelastomer)FKM氟橡胶(fluorelastomer)GRE玻璃纤维增强环氧树脂(glassreinforcedepoxy)HNBR氢化丁腈橡胶(hydrogenatednitrilebutadienerubber)PA聚酰胺(polyamide)PCTFE聚三氟氯乙烯(polychlorotrifluorethylene)PP聚丙烯(polypropylene)PREN抗点蚀当量(pittingresistanceequivalentnumber)PTFE聚四氟乙烯(polytetrafluorethylene)PVDF聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride)RGD气体快速减压(rapidgasdecompression)SCC应力腐蚀开裂(stresscorrosioncracking)SCCO₂超临界CO₂(supercriticalstateofCO₂)SSC硫化物应力开裂(sulfidestresscracking)TFE/P四氟乙烯-丙烯共聚物(copolymeroftetrafluoroethyleneandpropylene)WAG水气交替(wateralternatinggas)4腐蚀评价准则环境等。在设计中还宜仔细考虑维护和检修的可行性。本文件覆盖了以下可能情况：5GB/T40543—2021/ISO17348:20161)注入高含CO₂气体(含H₂S气体和不含H₂S气体);2)交替注入高含CO₂气体(含H₂S气体和不含H₂S气体)和水(WAG)。b)高含CO₂气体的采气井(含H₂S气体和不含H₂S气体)。暴露于生产流体或注入流体中的油管和井下工具的材料选择应基于井下全生命周期内生产工况的腐蚀性来完成。主要影响参数包括pH值、CO₂含量、H₂S含量、是否存在O₂和其他污染物(如NO,、对于本文件中提及的CO₂分压(CO₂分压高于1MPa),只有在注入干气时可允许使用碳钢或低合金钢。在瞬变或扰动条件下还应考虑水的凝析。在水气交替注入井中，流体腐蚀性由注入水和气体的特性共同决定，应考虑CO₂与水的溶解和化订货技术条件中不同级别材料机械性能均应符合ISO11960和ISO13680要求。——油套环空完井液中环境诱发的开裂/腐蚀；——点蚀和/或缝隙腐蚀；应对材料的腐蚀可能性进行评估，以确定所考虑的材料在注入流体和生产流体中的腐蚀性。对于除了ISO21457所描述的腐蚀机理外，大多数材料在特定条件下都会遭受磨损/冲刷腐蚀，在钻井设计中可能有必要考虑。材料临界流动强度是指在磨损/冲刷腐蚀发生前，其所能承受的最高流动强质(如黏度)、固体颗粒特性、基体材料性能(如硬度)和系统的几何特征(如弯曲和变径),都是已知的磨损/冲刷腐蚀的影响因素。虑内部环境。除了ISO21457中所考虑的腐蚀参数外，水相的pH值也是重要参数，在腐蚀评估中应予以考虑。使用的方法应与最终用户商定。对于CO₂和水交替注入井，油管和井下工具材料耐蚀性应考虑水与CO₂的相互作用。此外，还应6GB/T40543—2021/ISO17348:2016对于干气注入系统，允许使用碳钢或低合金钢。在瞬态或扰动条件下，还应考虑水凝析的可能对于CO₂注入井，水凝析可能性是一个重要参数，同时其他参数(如有机酸和H₂S气体是否存在)也应予以考虑。5材料选择表1～表5给出了以下工况井用典型材料：——注入高含CO₂的密相或气体井，包括水气交替注入井(WAG);——高含CO₂气体的采气井。ISO11960、ISO21457、ISO15156(所有部分)和ISO13680中给出了油田开发用典型合金的化学对于湿气注入井和采气井，由于水相pH值较低，湿气对碳钢或低合金钢腐蚀性将会非常高，种情况下应考虑使用CRA。此外，在这些系统中缓蚀剂可能并不适用，腐蚀需要通过选择合适的材料来缓解。5.1高含CO₂注气井注气井的气体状态决定了材料选择，表1列出了注气井用典型材料。允许使用衬里，但应考虑操作和兼容性相关的所有问题。H₂S服役工况用材料应符合ISO15156(所有部分)要求。工具材料油管悬挂器干气环境选择碳钢或低合金钢干气环境选择CRA内覆的碳钢或低合金钢湿气环境选择CRA内覆的碳钢或低合金钢湿气环境选择CRA油管干气环境选择碳钢或低合金钢，若接触含水层选择CRA湿气环境选择CRA,或GRE衬里的碳钢或低合金钢，若接触含水层选短节干气环境选择碳钢或低合金钢，若接触含水层选择CRA湿气环境选择CRA阀门及其他配件干气环境选择碳钢或低合金钢，若接触含水层选择CRA湿气环境选择CRA符合5.5要求的非金属材料封隔器干气环境使用碳钢或低合金钢，若接触含水层选择CRA湿气环境使用CRA符合5.5要求的非金属材料7GB/T40543—2021/ISO17348:20165.2水和高含CO₂气交替注入井表2列出了水气交替注入井用典型材料。若存在H₂S气体，所选材料应符合ISO15156(所有部水合物抑制剂等液体或惰性气体)。允许使用衬里，但应考虑操作和兼容性相关的所有问题。H₂S服役工况用材料应符合ISO15156(所有部分)要求。对于4.2.2描述的注入水中其他污染物，注入井用材料选择时应予以考虑。对于未处理海水，材料初步筛选时应选用PREN不小于40的材料。PREN应按公式(1)进行计算确定。PREN=w(Cr)+3.3[w(Mo)+0.5w(W)]+16w(N) w(Mo)合金中钼的质量分数；w(W)——合金中钨的质量分数；w(N)——合金中氮的质量分数。表2水气交替注入井用典型材料工具材料油管悬挂器CRA内覆的碳钢或低合金钢油管CRA,或GRE衬里的碳钢或低合金钢(见5.6),若接触含水层选择CRA短节CRA阀门及其他配件CRA符合5.5要求的非金属材料封隔器CRA符合5.5要求的非金属材料5.3高含CO₂采气井完井工具设计应考虑储层流体和出砂控制。表3列出了采气井用典型材料。若流体中存在H₂S气体，材料应符合ISO15156(所有部分)要求。工具材料油管悬挂器CRA内覆的碳钢或低合金钢油管CRA短节CRA控制/注入管线CRA8GB/T40543—2021/ISO17348:2016表3采气井用典型材料(续)工具材料阀门及其他配件CRA符合5.5要求的非金属材料封隔器CRA符合5.5要求的非金属材料在腐蚀方面最需关注生产套管。表4列出了生产套管和其他工具用典型材料。若存在H₂S气体，所选材料应符合ISO15156(所有若腐蚀不影响井筒完整性或生产效率，生产封隔器以下生产套管和其他工具可使用碳钢或低合金钢，否则应使用表4所列材料。表4气井生产套管和其他工具用典型材料工具材料生产封隔器以上生产封隔器以下套管碳钢或低合金钢CRA转换接头碳钢或低合金钢CRA套管悬挂器碳钢或低合金钢不适用套管鞋不适用碳钢或低合金钢选择的密封件和封隔器材料应与高含CO₂流体的所有相态相兼容，如高浓度/高分压CO₂的流体。温度高于31℃和压力高于7390kPa(73bar)时，纯CO₂将处于超临界态(SCCO₂)。超临界态CO₂对某些材料溶解性极强，在选择非金属密封件和封隔器材料时应予以考虑。橡胶密封件和封隔器，应考虑暴露于超临界态CO₂下引起的膨胀效应和气体快速减压期间引起的爆炸性减压损伤的可能性。备选材料还需要针对减压情况下可能出现的低温工况适应性进行评定。高分压CO₂可导致不同类型的失效机理，特别是快速减压后密封件和封隔元件、阀座等的膨胀和对非金属材料应进行评定以确认能够满足以下要求：a)非金属材料与CO₂流体中的CO₂和其他化学组分具有化学/物理兼容性，不会导致明显的分9GB/T40543—2021/ISO17348:2016解/浸出、膨胀、硬化或对材料关键性能产生不可接受的负面影响；b)非金属材料在全部温度范围内适用；c)非金属材料具备耐受气体快速减压(RGD)的能力(若适用)。所选择的非金属密封件和封隔元件应进行评定以确认能够满足预期的工况，具体应符合ISO23936-1和ISO23936-2要求。其中热塑性塑料RGD评估应按照ISO23936-2,但是验收标准应修改为没有出现鼓泡、裂纹和孔眼作为可接受条件。表5给出了高含CO₂工况下常用的非金属材料，但也只是提供了最初的选材方向建议，关于材料适用于特定情况下的任何最终决定都宜基于所述材料具体构成的测试和评估。表5CO₂工况中常用的非金属材料分类材料类型热塑性塑料特定情况下，需要进行老化和RGD评估弹性体材料组分影响非常大；特定情况下，需要进行老化和RGD评估5.6衬里采用GRE衬里是一种可选的碳钢或低合金钢油管防腐方法。应当强调的是衬里层最终使用性能取决于其基体和纤维组件的机械和化学性能，而这些性能又与制造商关联度很大。在高含CO₂工况下，使用GRE衬里需主要关注如下问题：a)渗透性——如上所述，超临界态CO₂本身作为一种高渗透流体，不仅在复合基体(环氧树脂)内，而且更主要是在树脂和玻璃纤维之间的界面内，都存在渗透的可能性。超临界态CO₂不仅会引起纤维-基材界面分离和还会引起衬层内部出现圈闭气体，从而导致衬层在气体快速减压过程中起泡。水气交替注入井，同样应对水的渗透性进行评价。油管与衬层间的填料也应考虑，分析填料与水和CO₂反应(碳酸化作用)的可能性。保护油管接头的密封件还应检查其密封性。b)RGD——由于超临界态CO₂能够渗透进入衬里本体材料，因此在复合材料的几层间或复合材料与碳钢或低合金钢基管间的环空中都可发现一些圈闭的超临界态CO₂气体。在发生气体快速减压时，圈闭气体不仅会导致复合材料层间形成鼓泡，还会导致衬层塌陷(纤维暴露)。两种情况都会有助于降低衬层机械性能，以及增加通过材料厚度的渗透速率。c)磨损——在预期寿命周期内，衬里会暴露于电缆和/或钢丝绳作业中。这些作业会使衬里内表面接触金属工具，并以某种方式损坏纤维-树脂界面，暴露出大量基体材料纤维，并形成一些易于渗透的部位在大多数衬里应用中，衬里本身不承担支撑结构作用但是会作为腐蚀屏障。然而，由于超临界态GB/T40543—2021/ISO17348:2016CO₂环境中复合材料的性能退化可能成为一个问题(取决于操作场景),因此评价材料老化后的力学性6.1腐蚀防护6.1.1CRA和内覆完井碳钢或低合金钢不能抵抗高腐蚀性环境(高CO₂分压和存在游离水)时，推荐使用CRA完井。在井的寿命期内安装的工具(如防砂筛管),宜使用CRA以保持极低的腐蚀速率。制造公差对维持或控制流量至关重要的井下工具(如控制阀、芯轴和割缝管),也宜使用C油管悬挂器工具可使用CRA内覆的碳钢或低合金钢。6.1.2GRE衬里完井GRE衬里宜符合5.6要求。碳钢或低合金钢结合防腐措施通常作为大多数注入井材料选择的基础。地面设施腐蚀监测需求应依据拟注入流体性质来确定。染物。对于采气井，宜监测产水化学成分、CO₂、H₂S和其他污染物。监测设备和取样点宜作为详细工程设计的一部分。井下腐蚀监测能力受制于进入和操作限制。除了监测环空压力上升来确定油管的完整性失效之外，其他的井下腐蚀监测方法并没有常态化实施。现有技术可依据其是否能直接腐蚀测量或提供腐蚀风险指标来分类。6.3内腐蚀裕量当干气注入井中预期会有内腐蚀时，应增加腐蚀裕量来应对。每口井都应进行评估并依据腐蚀评运行期间引起的腐蚀。GB/T40543—2021/ISO17348:2(资料性)采气井选材实例A.1总则材料选择应考虑全生命周期内井筒工况环境。主要参数有：pH值、O₂、CO₂、H₂S和其他污染物的存在，水的化学成分、温度和压力。本文件所提及CO₂分压范围，仅在干气条件下才可使用碳钢或低合金钢。A.2现场实例数据输入——储层压力：50000kPa(500bar);——CO₂分压：5126kPa(51.26bar);表A.1气相组成组分摩尔含量%H₂SGB/T40543—2021/ISO17348:2016组分含量总铁离子0总碱度矿化度(mg/LNaCl)ISO15156-2给出了估算水相pH值的通用指南。如果没有可靠计算方法或原位测量技术时，可以使用这种方法来确定pH值。上述CO₂和H₂S压力下，凝析水pH值采用ISO15156-2:2015图D.1来确定，得出pH值为3.0~3.2之间。上述CO₂和H₂S压力下，地层水pH值分别采用ISO15156-2:2015中20℃和100℃时相对应的图D.3和图D.5来确定pH值，20℃时pH值约为4.8而100℃时pH值约为4.3。A.4材料选择依据ISO15156-3:2015的表A.25,该气田工况应选用PREN在40～45之间的双相不锈钢或更高]ISO14310Petroleumandnaturalgasindustries—Downholdbridgeplugs[2]ISO/TS16530-2Wellintegrity—Part2:Wel[3]ISO17078-1:2004Petroleumandnaturalgasindustries—Drillingandproductionequip-ment—Part1:Side-pocketmandrels.[4]ISO21457Petroleum,petrochemicalandnaturalgasindustries—Materialsselectionandcorrosioncontrolforoilandgasproductionsystems[6]APIRP15CLTRecomm