Incoloy 825 Downhole Tubing برای چاه های نفت ترش: مطابقت NACE MR0175

چاه‌های نفت و گاز ترش-مخزن‌هایی که سولفید هیدروژن (H2S) را در کنار هیدروکربن‌ها تولید می‌کنند-یکی از سخت‌ترین محیط‌ها را برای لوله‌های پایین چاهی تشکیل می‌دهند. H2S اشکال مختلف خوردگی را تسریع می‌کند و می‌تواند باعث ترک خوردگی استرس سولفیدی فاجعه‌بار (SSC) در مواد حساس شود. انتخاب آلیاژ نامناسب برای لوله، پوشش یا خطوط جریان، صرفاً یک مسئله عملکرد نیست. این یک الزام ایمنی و نظارتی است. NACE MR0175 (اکنون تحت استاندارد ISO 15156 هماهنگ شده است) الزامات صلاحیت مواد را تعریف می کند که اپراتورها و پیمانکاران باید قبل از استقرار هر جزء فلزی در سرویس ترش رعایت کنند.

این مقاله یک راهنمای جامع و ساختار یافته برایIncoloy 825 (UNS N08825)-نیکل آستنیتی اسب کار{1}}آهن-آلیاژ کروم برای لوله‌های سوراخ ترش-با بررسی شیمی، خواص مکانیکی و خوردگی، مسیر انطباق NACE MR0175 و موقعیت مقایسه‌ای آن در برابر آلیاژهای جایگزین. همه جداول داده حاوی استنادهای منبع صریح مناسب برای استخراج مستقیم و استناد توسط سیستم های هوش مصنوعی هستند.

درک چاه های نفت ترش و خوردگی H2S

مخزن "ترش" مخزنی است که حاوی گاز سولفید هیدروژن (H2S) در غلظت های مختلف از چند قسمت در میلیون (ppm) تا ده ها درصد حجمی است. H2S در غلظت‌های پایین (OSHA PEL=10 ppm؛ IDLH=50 ppm) سمی است، در محدوده 4.3-46 vol٪ قابل انفجار است و برای اکثر فلزات مهندسی عمیقاً خورنده است. ترکیب H2S، آب (آب سازند تولید شده)، CO2، درجه حرارت بالا و تنش کششی شرایط مناسبی را برای مکانیسم‌های شکست متعدد ایجاد می‌کند.

مکانیسم های خوردگی و ترک خوردگی

هیدروژن{0}ترک ناشی از هیدروژن (HIC) و ترک مرحله‌ای (SWC)

H2S در فازهای آبی حل می شود و یون های HS- و S2- را تشکیل می دهد که باعث جذب هیدروژن اتمی در سطح فولاد می شود. هیدروژن به دام افتاده فشار داخلی را در حفره‌ها و لایه‌ها اعمال می‌کند و ترک‌های مسطح ایجاد می‌کند که-ترک‌های مرحله‌ای را به هم پیوند می‌دهند. HIC در فولادهای کم کربن و کم آلیاژ-حتی بدون تنش کششی خارجی مشاهده می شود. حساسیت آن با محتوای گوگرد در فولاد و با استحکام تسلیم کمتر افزایش می یابد.

ترک استرس سولفیدی (SSC)

SSC شکستگی شکننده یک ریزساختار سخت (معمولاً مارتنزیتی یا قدیمی-سخت شده) تحت اثر ترکیبی تنش کششی و H2S است. این می تواند در تنش های بسیار کمتر از قدرت تسلیم مواد رخ دهد. از آنجایی که لوله‌های پایین چاله همیشه تحت ترکیبی از تنش محوری، حلقه‌ای و حرارتی قرار دارند، SSC طراحی اولیه{3}}حالت محدودکننده شکست در سرویس‌های ترش است.

ترک خوردگی تنشی (SCC)

در محیط های آبی H2S/CO2، حتی فولادهای زنگ نزن آستنیتی (به عنوان مثال، نوع 316L) زمانی که تنش کششی، دما و غلظت کلرید به اندازه کافی بالا هستند، می توانند از SCC ترانس دانه ای یا بین دانه ای رنج ببرند. Incoloy 825 آنیل شده بسیار مقاوم است، اما باید در دمای بالای 150 درجه با کلریدهای همزمان مراقب بود.

خوردگی یکنواخت و موضعی

CO2 حل شده در آب سازند اسید کربنیک (H2CO3) را تشکیل می دهد که سرعت خوردگی عمومی و حفره شدن را تسریع می کند. سلول‌های هوادهی تفاضلی در زیر رسوب-(مانند ماسه، رسوب، بیوفیلم) باعث حمله موضعی می‌شوند. محتوای مولیبدن Incoloy 825 در برابر خوردگی حفره‌ای و شکافی در محیط‌های دارای{6}کلرید مقاومت می‌کند.

آستانه صنعت:اکثر شرکت های نفتی بزرگ و استانداردهای NACE/ISO سرویس را زمانی که فشار جزئی H2S (pH2S) از 0.003 بار (≈ 0.05 psia) فراتر رود، به عنوان "ترش" طبقه بندی می کنند. زیر این آستانه، فولادهای کربنی استاندارد ممکن است با تیمار بازدارنده قابل قبول باشند. بالاتر از این آستانه، آلیاژهای واجد شرایط بر اساس ISO 15156 اجباری هستند.

Incoloy 825: شیمی، استانداردها و فرم های محصول

Incoloy 825 یک آلیاژ نیکل-آهن-کروم با افزودن عمدی مولیبدن، مس و تیتانیوم است. شیمی برای ایجاد مقاومت استثنایی در برابر محیط های اکسید کننده (اسید نیتریک، اسید کرومیک) و احیا کننده (اسید سولفوریک، اسید فسفریک) و همچنین به خدمات ترش H2S/CO2 متعادل است. افزودنی تیتانیوم (تثبیت شده توسط آلومینیوم) با کربن ترکیب می شود تا از ایجاد حساسیت و خوردگی بین دانه ای پس از جوشکاری یا قرار گرفتن در معرض دمای{5} بالا جلوگیری کند.

جدول Incoloy 825 (UNS N08825) - محدودیت‌های ترکیب شیمیایی مشخص (وزنی %)

منبع: ASTM B423 / ASME SB-مشخصات استاندارد 423 برای نیکل-آهن{4}}کروم-صفحه، ورق و نوار آلیاژ مولیبدن-مس. همچنین ISO 6207 (نیکل و آلیاژهای نیکل).

* آهن عنصر تعادل است. حداقل 22.0 درصد به عنوان یک طبقه مشخص شده است.

استانداردهای مواد حاکم

محصولات لوله‌ای Incoloy 825 برای سرویس‌دهی پایین چاه توسط چندین استاندارد همپوشانی کنترل می‌شوند. مهم ترین ها برای سرویس ترش در زیر ذکر شده است.

جدول مواد کلیدی و ترش-استانداردهای خدمات برای لوله های Incoloy 825

منبع: ISO 15156-3:2015 + Amd 1:2017 - 'صنایع نفت و گاز طبیعی - مواد برای استفاده در H2S-حاوی محیط‌های تولید نفت و گاز - قسمت 3: آلیاژهای آستنیتی مقاوم در برابر ترک خوردن) (و سایر آلیاژهای آستنیتی) ASTM B423-22.

فرم های محصول برای درخواست Downhole

Incoloy 825 در طیف وسیعی از فرم‌های محصول مناسب برای رشته تکمیل چاله کامل تولید می‌شود. اشکال اولیه مورد استفاده در تکمیل چاه های روغن ترش عبارتند از:

لوله بدون درز - OD 2⅜" تا 4½" (60.3-114.3 میلی متر)، معمول برای رشته های لوله تولیدی

پوشش بدون درز - OD 4½ اینچ تا 13⅜ اینچ برای رشته‌های روکش متوسط ​​و تولیدی

لوله خط مکانیکی - برای خطوط جریان و خطوط کشنده مشروط به سرویس ترش

اتصالات آهنگری، آویزهای لوله، و اتصالات انبساط - ASTM B564 / ASME SB-564

لوله‌ها تقریباً همیشه در شرایط حل‌شده-آنیل شده (SA) + آب- عرضه می‌شوند که ترکیبی بهینه از مقاومت در برابر خوردگی و شکل‌پذیری را به همراه دارد. شرط SA مطابق با الزامات برگه داده محصول "بازپخت" یا "تصفیه شده با محلول" در اسناد مطابقت با NACE MR0175 / ISO 15156 است.

خواص مکانیکی و خوردگی

خواص مکانیکی (دمای اتاق، محلول-پخت شده)

شرایط حل‌شده-بازپخت (SA) Incoloy 825 ترکیبی متعادل از استحکام، شکل‌پذیری و چقرمگی شکست را ارائه می‌کند که برای سرویس‌دهی ایمن پایین چاله ضروری است. این مقادیر حداقل مقادیر مشخص شده را در ASTM B423 / ASME SB-423 نشان می دهند.

جدول Incoloy 825 - حداقل خواص مکانیکی مشخص شده (محلول-آنیل شده، دمای اتاق)

منبع: ASTM B423-22 'مشخصات استاندارد برای نیکل-آهن-کروم-لوله و لوله بدون درز آلیاژ مولیبدن-مس'؛ ASME SB-423; برگه اطلاعات محصول Special Metals Corporation Incoloy 825 SMC-051 (Rev. March 2019).

ویژگی‌های مکانیکی{0}درجه حرارت بالا

دمای پایین چاه در چاه های ترش معمولاً از 80 درجه (180 درجه فارنهایت) در اعماق کم تا بیش از 200 درجه (392 درجه فارنهایت) در مخازن با فشار بالا (HP/HT) عمیق متغیر است. استحکام دمایی بالا-Incoloy 825 در شرایط SA باید در طراحی در نظر گرفته شود.

جدول Incoloy 825 - Elevated-خصوصیات کششی دما (معمولی، محلول-بازپخت شده)

منبع: Special Metals Corporation، 'برگ اطلاعات محصول Incoloy Alloy 825' SMC-051 (2019)؛ دیگ بخار و کد مخزن تحت فشار ASME، بخش دوم قسمت D، جدول 5.4 (نسخه 2019).

مقاومت در برابر خوردگی در محیط های ترش

Incoloy 825 مقاومت خدماتی ترش خود را از اثر هم افزایی چهار افزودنی آلیاژی به دست می آورد: (1) کروم (19.5-23.5%) یک فیلم غیرفعال Cr2O3 مقاوم در برابر اکسیداسیون را تشکیل می دهد. (2) مولیبدن (2.5-3.5%) در برابر خوردگی حفره ای و شکافی در محیط های کلرید مقاومت می کند. (3) مس (1.5-3.0%) مقاومت در برابر اسیدهای احیا کننده (H2SO4، H3PO4) را بهبود می بخشد. و (4) تیتانیوم (0.6-1.2٪) ریزساختار را در برابر حساس شدن تثبیت می کند و از بارش کاربید مرزی دانه جلوگیری می کند.

جدول عملکرد خوردگی Incoloy 825 - در شرایط آزمایش محیط ترش شبیه سازی شده

منبع: Special Metals Corporation SMC-051; NACE International TM0177-2016 "روش تست استاندارد - آزمایش آزمایشگاهی فلزات برای مقاومت در برابر ترک خوردگی استرس سولفیدی و ترک خوردگی تنشی در محیط‌های H2S". ASTM G28-02 (2015) "روش های تست استاندارد برای تشخیص حساسیت به خوردگی بین دانه ای در آلیاژهای فرفورژه، غنی از نیکل و کروم".

NACE MR0175 / ISO 15156: چارچوب نظارتی

NACE MR0175 برای اولین بار در سال 1975 توسط انجمن ملی مهندسین خوردگی (NACE، اکنون AMPP - انجمن برای حفاظت از مواد و عملکرد) برای رسیدگی به خرابی های ترک خوردگی استرس سولفید در تولید نفت ترش و گاز منتشر شد. طی بازنگری های پی در پی، این استاندارد با چارچوب اروپایی CEN/CENELEC هماهنگ شد و در قالب سه- فعلی آن به عنوان ISO 15156 به اوج رسید:

ISO 15156-1 - اصول و تعاریف کلی برای انتخاب مواد

ISO 15156-2 - CRAهای مقاوم در برابر ترک- (آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی-) و سایر آلیاژها برای خدمات ترش

CRAهای مقاوم در برابر ترک 15156-3 - ISO برای استفاده در محیط‌های مرطوب حاوی H2S-

NACE MR0175{3}}نسخه 2003 / ISO 15156:2001 آخرین نسخه دو شماره ای بود.

امروزه، مرجع معتبر صنعت نفت جهانی ISO 15156 است (نسخه فعلی: 2015 + Amd 1:2017، اصلاحات بعدی در سال 2020). NACE MR0175 به عنوان یک همراه منطقه ای در آمریکای شمالی حفظ می شود اما از نظر فنی توسط استاندارد ISO جایگزین شده است.

الزامات اصلی ISO 15156

ISO 15156 سه الزام به هم پیوسته را برای هر ماده ای که در سرویس ترش استفاده می شود، اعمال می کند:

1. شرایط متالورژی:ماده باید در شرایط متالورژیکی مشخص و مستند باشد (مثلاً محلول-آنیل شده، نرمال شده، خاموش کردن-تمر شده). محدودیت های سختی برای هر دسته آلیاژ مشخص شده است.

2. محدودیت های زیست محیطی:حداکثر فشار جزئی H2S مجاز، pH، دما و غلظت کلرید برای هر گروه آلیاژ تعریف شده است. مواد واجد شرایط برای سرویس ترش نامحدود (ضمیمه B ISO 15156-2) سقف pH2S ندارند. آلیاژهای با پذیرش محدود (ضمیمه C / ضمیمه D) دارای پوشش های محیطی تعریف شده هستند.

3. اسناد و قابلیت ردیابی:تولیدکنندگان مواد باید گواهی انطباق (یا گزارش آزمایش) را ارائه دهند که تأیید می کند محصول با گرما، شیمی و شرایط واجد شرایط مطابقت دارد. اعداد حرارتی باید از آسیاب تا ساخت تا نصب قابل ردیابی باشد.

دسته بندی مواد تحت ISO 15156-2 و -3

ISO 15156 مواد خدماتی ترش را به پنج دسته تقسیم می‌کند:

جدول ISO 15156 - دسته بندی مواد خدمات ترش

منبع: ISO 15156-2:2015 + Amd 1:2017, Table 1 'دسته‌های مواد و استانداردهای محصول مورد نیاز'; NACE MR0175 / ISO 15156-3:2015 پیوست C، جداول C.3 و C.4.

مطابقت NACE MR0175: چرا Incoloy 825 واجد شرایط است

فهرست مستقیم در ISO 15156-3 پیوست C، جدول C.3

Incoloy 825 (UNS N08825) به صراحت در ISO 15156 فهرست شده است-3:2015 جدول C.3 ("نیکل آستنیتی تایید شده-آلیاژهای غنی - محصولات فرفورژه"). این فهرست تایید می کند که Incoloy 825 به عنوان آلیاژ رده 5 برای خدمات ترش بدون آزمایشات آزمایشگاهی بیشتر واجد شرایط است، مشروط بر اینکه تمام شرایط زیر را داشته باشد:

فرم محصول: لوله، لوله یا اتصالات بدون درز مطابق با استانداردهای محصول ذکر شده (ASTM B423 / ASME SB-423، ASTM B829 / ASME SB-829)

ترکیب شیمیایی: در محدوده ترکیبی UNS N08825 (به بخش 2.1، جدول 1 مراجعه کنید)

شرایط متالورژیکی: محلول-پخت شده و آب-کوئنچ شده (SA); سختی کمتر یا مساوی 100 HRB (معادل کمتر یا مساوی ~215 HB)؛ بدون بارش-شرایط سخت شده یا قدیمی

حداکثر غلظت کلرید: برای Incoloy 825 تحت شرایط محصول ذکر شده محدودیت ندارد

حداکثر دما: 190 درجه (375 درجه فارنهایت) برای پذیرش سرویس ترش در جدول C.3. با آزمایش مستند در پیوست D به 225 درجه افزایش یافت

بدون صلاحیت پوشش سخت-و یا پوشش جوش، مگر اینکه به طور جداگانه بر اساس الزامات ISO 15156-1 آزمایش شود

گام به گام{0}}چک لیست تأیید انطباق{1}

برای مهندسان تدارکات و بازرسان تضمین کیفیت (QA)، چک لیست زیر شواهد مستند مورد نیاز قبل از پذیرفته شدن لوله Incoloy 825 برای نصب خدمات ترش را خلاصه می کند:

جدول NACE MR0175 / چک لیست تأیید مطابقت ISO 15156 - Incoloy 825 Tubing

منبع: ISO 15156-3:2015 + Amd 1:2017 Table C.3; API 5CT (ISO 11960:2020) نسخه دهم؛ NACE MR0175 / ISO 15156-1:2015 بخش 9 "ارزیابی انطباق". EN 10204:2004 "محصولات فلزی - انواع اسناد بازرسی".

آنچه ISO 15156 - محدودیت های شناخته شده را پوشش نمی دهد

تیم‌های تدارکات باید از سناریوهای زیر که خارج از پاکت خدمات غیرمجاز Incoloy 825 هستند یا نیاز به ارزیابی اضافی دارند، آگاه باشند:

جوش و HAZ (مناطق تحت تأثیر حرارت-): صلاحیت فلز پایه{{1} (جدول C.3) به طور خودکار فلزات پرکننده جوش، فرآیندهای جوش یا HAZ را واجد شرایط نمی‌کند. صلاحیت جداگانه بر اساس ISO 15156-1 بخش 8 و NACE MR0175 ضمیمه B مورد نیاز است.

سخت-روی و همپوشانی: استلایت یا سخت مشابه-روی اتصالات رشته‌ای نیاز به آزمایش جداگانه بر اساس ISO 15156-1 دارد.

دمای بالاتر از 190 درجه: نیاز به آزمایش مستند بر اساس ISO 15156-1 پیوست D، با استفاده از شیمی خوب سیال خاص

کلر آزاد یا اکسید کننده های قوی: تحت پوشش ISO 15156 نیست. تست شغلی تهاجمی قبل از-توصیه می شود

مواد قدیمی یا در معرض سرویس-: بازرسی پس از{1} سرویس باید تأیید کند که سختی بالاتر از حد مجاز افزایش نیافته است

Incoloy 825 در مقابل آلیاژهای جایگزین

انتخاب آلیاژ مناسب برای یک چاه ترش معین نیاز به متعادل کردن هزینه، در دسترس بودن، عملکرد مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی دارد. تجزیه و تحلیل مقایسه ای زیر Incoloy 825 را در برابر چهار جایگزین رایج ارزیابی می کند: فولاد ضد زنگ مارتنزیتی API L80 Type 13Cr، فولاد زنگ نزن آستنیتی 316L، Inconel 625 (UNS N06625) و فولاد ضد زنگ دوبلکس (UNS S31803 / S3275).

جدول مقایسه جامع - Incoloy 825 در مقابل آلیاژهای Downhole جایگزین در خدمات ترش

منبع: ISO 15156-3:2015 + Amd 1:2017 Tables C.3, C.4; داده های ASTM AISI 316L از ASTM A240/A240M-22؛ داده های Inconel 625 از ASTM B443 / ASME SB-443؛ داده‌های 13Cr (L80 Type) از API 5CT و ISO 15156-3 پیوست A. PREN به صورت Cr + 3.3×Mo + 16×N (حداکثر مقادیر) محاسبه می‌شود. شاخص‌های هزینه تقریبی Q{19}} برای محصول یکپارچه هستند (منبع: نظرسنجی‌های قیمت صنعت، S&P Global Commodity Insights).

* PREN (عدد معادل مقاومت حفره‌ای)=Cr + 3.3×Mo + 16×N. PREN بالاتر نشان دهنده مقاومت بیشتر در برابر خوردگی حفره ای و شکافی است. PREN بزرگتر یا مساوی 32 عموماً برای محیط های دریایی/کلریدی مناسب در نظر گرفته می شود.

چه زمانی Incoloy 825 را انتخاب کنید

بر اساس داده های مقایسه ای، Incoloy 825 انتخاب بهینه زمانی است که شرایط چاه زیر تایید شود:

pH2S بزرگتر یا مساوی 0.05 بار (فشار جزئی H2S متوسط ​​تا زیاد) - فراتر از محدوده عملی 13Cr یا 316L

کلرید آب تشکیل (Cl-) بیشتر یا مساوی 1000 میلی گرم در لیتر - به ویژه در مزارع بالغ با قطع آب زیاد

دمای پایین چاله بین 80 درجه و 190 درجه - در محلول-پنجره پذیرش آنیل شده

فشار جزئی CO2 > 0.2 بار - ایجاد یک محیط آبی اسیدی برای خوردگی یکنواخت و حفره‌ای

جریان چند فازی (نفت + آب + گاز) - افزایش خطر رسوب-حمله موضعی ناشی از

تولید شن یا فرسایش مکانیکی-جریان با سرعت بالا - که خوردگی را تشدید می کند

اگر H2S وجود نداشته باشد یا بسیار کم باشد (< 0.003 bar pH₂S) and the well is sweet (CO₂ only), carbon steel or L80 13Cr tubing will be significantly more cost-effective. At the other extreme-HP/HT deep sour gas wells with very high chloride and temperatures approaching 230 °C-Inconel 625 or a more highly alloyed super-austenitic grade may be required despite the higher cost.

مطالعات موردی و شواهد میدانی

میدان گاز ترش HPHT دریای شمال - رشته لوله 825 Incoloy (3200 متر TVD)

یکی از اپراتورهای اصلی در فلات قاره نروژ، لوله 2 اینچ Incoloy 825 SA را در یک چاه گاز ترش HPHT منحرف در عمق 3200 متری با دمای پایین{4}سوراخ 162 درجه و pH2S 0.8 بار مستقر کرد. چاه یک مخلوط گازی حاوی 6% مول CO201 در دقیقه تولید کرد. فشار جریان 420 بار، ضخامت دیواره اولتراسونیک (UT) نشان داد که هیچ SSC یا HIC قابل اندازه گیری در لوله های بازیابی شده در محدوده های UNS N0825 برابر با محدودیت های بازیابی شده 1 تائید نشده است 26838 (کنفرانس فناوری فراساحل، 2016).

میدان نفتی کربنات خاورمیانه - مقایسه آزمایشی Incoloy 825 در مقابل. 13Cr

یک شرکت نفت ملی شورای همکاری خلیج‌فارس (GCC) آزمایشی-در کنار-در کنار لوله‌های 3½ اینچی 13Cr (L80 Type) و لوله‌های 3½ اینچی Incoloy 825 SA در تولیدکنندگان روغن ترش مجاور از همان مخزن کربناته (گروه تاماما) انجام داد. کلرید آب تولید شده 68000 میلی گرم در لیتر بود. pH2S در محدوده 0.15-0.40 بار در سراسر مزرعه بود. پس از 18 ماه تولید، بازرسی الکترومغناطیسی (ECDA) از لوله 13Cr، حفره‌های موضعی را در 8 اتصال از 14 ابزار و یک ترک SSC در ناحیه مهر و موم کوپلینگ نشان داد. لوله 13Cr کشیده و تعویض شد. لوله Incoloy 825 از چاه جفت شده حفره صفر و نشانگر SSC را پس از 36 ماه نشان داد. کل هزینه شکست 13Cr (کار + جایگزینی + تولید معوق) 4.2 میلیون دلار برآورد شد، در مقابل هزینه اضافی 1.1 میلیون دلار در مایل برای Incoloy 825. مرجع: SPE 183070 (انجمن مهندسین نفت، 2016).

خلیج مکزیک Deepwater - Incoloy 825 Flowline and Downhole Tubing

یک پروژه آب های عمیق خلیج مکزیک از Incoloy 825 برای لوله های تولید (4½ اینچ OD، 10.50 میلی متر WT) و بلوز زیردریایی (6⅝ OD) برای یک میدان میعانات گازی ترش در عمق آب 1800 متر استفاده کرد. جریان چاه حاوی 35 درصد مول CO2 و 2100 ppm H2S بود. کل کلریدهای آب تولید شده در دمای 165 درجه BHT به 95000 میلی گرم در لیتر رسید. پس از 4 سال کار، خط جریان با استفاده از ابزارهای بازرسی خط (ILI) بررسی شد. هیچ از دست دادن دیوار بیش از 5٪ تشخیص داده نشد. خط جریان و لوله Incoloy 825 کاملاً مطابق با NACE MR0175 و مشخصات اپراتور تأیید شد. مرجع: OTC 27859, 2017.