ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЕРОВОДОРОДНОЙ СРЕДЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШЛИПСОВОГО ПАКЕРА

RESEARCH OF THE INFLUENCE OF HYDROGEN SULFIDE CONTENT ON THE CHARACTERISTICS OF STEELS INTENDED FOR THE MANUFACTURE OF THE SLIP PACKER

Maxim Tukmakov

Student, Department of Solid Chemicals Technology, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

Rinat Gelmetdinov

Student, Department of Solid Chemicals Technology, Kazan National Research Technological University,

Russian Federation, Kazan

Yaroslava Pavlova

Student, Department of Solid Chemicals Technology, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

Alexandr Mokeev

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate professor, Department of Solid Chemicals Technology, Kazan National Research Technological University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В данной работе проведены исследования по изучению влияния сероводородной среды на физико-химические и механические характеристики перспективных марок стали с целью замены стандартных конструкционных материалов для решения задачи повышения коррозионной стойкости шлипсового пакера. Исследования основаны на лабораторных опытах, показывающих изменение массы опытных образцов от времени воздействия раствором, содержащим сероводород. Также были выполнены эксперименты по сравнению прочностной характеристики - предел прочности на растяжение до и после выдержки образцов стали в сероводородной среде. В исследованиях использован стандартный материал, применяемый для изготовления элементов шлипсового пакера (марка стали 45), и перспективный материал, выявленный в результате анализа литературных сведений (марка стали 95Х18). По результатам исследования установлено, что стандартные материалы нельзя использовать в скважинах с повышенным содержанием сероводорода из-за поверхностной коррозии, которая способствует разрушению элементов конструкции пакера. Предложенная нами марка стали показала в испытаниях высокие показатели коррозионной стойкости. Учитывая его высокую износостойкость, он был рекомендован для изготовления элементов шлипсовых пакеров, предназначенных для восстановительных работ в скважинах с повышенным содержанием сероводорода.

ABSTRACT

The study of the influence of hydrogen sulfide system on the physical-chemical and mechanical characteristics of prospective steel grades with the aim of replacing standard construction materials to solve the problem of increasing the corrosion resistance of slips packer. The studies are based on laboratory experiments showing changing the mass of experimental prototype from the time the solution containing hydrogen sulfide is matured. Experiments have also been carried out to compare strength characteristic such as tensile strength before and after solution exposure in hydrogen sulfide. The studies used standard materials used for the manufacture of the slips packer (steel grade 45) and perspective materials identified as a result of the analysis of the literature (steel grade 95X18). The study found that the standard materials cannot be used in wells with a high hydrogen sulfide content due to the corrosion of the surface, which contributes to the destruction of the packer design elements. Our proposed steel grade showed high corrosion resistance in the tests. Due to its high durability, it was recommended for the production of slips packers designed to perform well repair operations in wells with a high hydrogen sulfide content.

Ключевые слова: коррозионная стойкость, сероводородная среда, шлипсовый пакер, прочность на растяжение, убыль массы, скорость коррозии.

Keywords: corrosive resistance, hydrosulfuric system, slips packer, tenacity, loss in weight, rate of corrosion.

Введение

Временное разобщение продуктивных пластов является одной из самых распространенных технологических операций при ремонте нефтяных скважин. Оно выполняется с помощью специальных устройств, называемых пакерами. В России на нефтегазовых месторождениях ежегодно устанавливается тысячи пакеров. Доходы от нефтедобычи играют огромную роль в формировании бюджета РФ и играют важнейшую роль в развитии промышленности и экономики нашей страны. По запасам нефти Россия входит в число десяти крупнейших добывающих стран. Однако многие месторождения имеют нефть с высоким содержание сероводорода. Например, Астраханское нефтегазоконденсатное месторождение имеет около 25% сероводорода. Такие нефтяные скважины разрабатываются крайне медленно несмотря на огромное количество запаса- порядка 2,5 триллионов кубометров газа и 400 миллионов тонн нефти.

Сероводород является агрессивным веществом и оказывает сильное коррозионное воздействие на конструкционные материалы скважинного оборудования [1, с. 184]. Это вызывает значительные осложнения при эксплуатации нефтяных скважин и проведении ремонтно-восстановительных работ.

Одним из самых распространенных и эффективных типов пакеров являются шлипсовые пакеры, которые по технологическим требованиям должны выдерживаться в скважинной среде не менее 2-х суток с сохранением физико-механических характеристик [2, c. 47]. Традиционные материалы, которые применяются в серийном производстве шлипсовых пакеров, не удовлетворяют указанному требованию. Основные элементы шлипсового пакера изготавливаются из марки стали 45. Однако данный материал не способен находиться требуемое время в скважинах с высоким содержанием сероводорода. Установлена высокая склонность к разрушению элементов пакера в короткие сроки (менее двух недель) (см. рис. 1).

Рисунок 1. Разрушенные элементы пакера после двухдневного нахождения в среде сероводорода

Учитывая масштабы использования шлипсовых пакеров, задача повышения коррозионной стойкости на сегодняшний день является актуальной.

Одним из наиболее перспективных направлений решения этой проблемы является подбор альтернативных конструкционных материалов для изготовления элементов шлипсового пакера. Дополнительными и противоречивыми требованиями являются высокая прочность при статических нагрузках с одной стороны, а с другой стороны возможность разрушения с помощью стандартного бурильного инструмента. Анализ сведений, представленных в литературных источниках, позволил найти наиболее перспективный материал, близко подходящий к указанным выше требованиям: сталь марки 95Х18 [3]. Однако в литературе отсутствуют сведения, подтверждающие эффективность применения данного типа материала в производственной практике. В этой связи целью настоящей работы является исследование влияния сероводородной среды на физико-химические и механические характеристики предложенной марки стали. К числу изучаемых характеристик относятся: убыль массы, скорость коррозии, прочность на растяжение.

Экспериментальная часть

В работе скорость коррозии стали определялась гравиметрическим методом в соответствии с методикой [4, с. 11-17], которая основывается на определении потери массы образца до и после испытаний в исследуемой среде. Испытуемый образец сначала взвешивают на весах с точностью до 0,01 г до выдержки в агрессивной среде, затем погружают в сероводородную смесь и оставляют в насыщенном водном растворе сероводорода до покрытия его поверхности осадком сульфида железа (определяется по окрашиванию в черный цвет).  После этого в полученную смесь добавляют раствор соляной кислоты. Осуществляют выдержку в кислой среде в течении 24 часов.  Сульфидная пленка растворяется с выделением сероводорода, так же растворяется сам металлический образец и происходит процесс диффундирования водорода в материал в присутствии сероводородного раствора. Образующиеся трещины способствуют увеличению площади соприкосновения материала с сероводородной средой. При этом увеличивается и скорость коррозии. Затем испытуемый образец повторно взвешивают и определяют разность массы.

Для приготовления сероводородной среды используют навеску гидросульфита натрия и 36% раствор соляной кислоты. Образец должен быть полностью в смеси. Объем раствора сероводорода подбирается исходя из объема не менее 20 см³ на 1 см² площади экспериментального образца. Найдя объем и установив концентрацию сероводорода С(H2S) = 10000 мг/л, вычисляем его массу (г) и количество (моль).

Испытание на разрыв заключается в растяжении образца (см. рис. 2) с последующим построением графика зависимости удлинения образца (Δl) от прилагаемой нагрузки (P). После этого график перестраивается в диаграмму условных напряжений. Эксперименты на растяжение проводятся по ГОСТ 1497 [6] на разрывной машине QUASAR 100.

Рисунок 2. Схема образца на разрыв

Испытательная машина растягивает образец, находящийся в креплениях. Датчики позволяют отображать изменение растягивающего усилия образца вплоть до его разрушения. Данные с датчика поступают на компьютер и выводятся графически в виде зависимости растягивающего напряжения образца от относительного удлинения рабочей части. По результатам испытаний определяются физико-механические характеристики материала: предел пропорциональности, предел текучести, временное сопротивление (предел прочности).

Результаты экспериментов по определению потери массы и скорости коррозии представлены в таблице. 1. Образцы стали 45 выдерживались в сероводородной среде двое суток. За этот период была обнаружена сильная коррозия образцов со значительной потерей массы примерно на 14,4%. По полученным результатам был сделан вывод, что данный материал не пригоден для использования в сероводородных скважинах. По физико-механическим характеристикам, близким к стали 45, является сталь марки 95Х18.

Таблица 1.

Результаты экспериментального определения убыли массы и скорости коррозии

Анализ полученных результатов показал, что предлагаемая марка стали значительно более устойчива к сероводородным средам по сравнению с традиционно применяемыми материалами (отмечены в таблице как стандартные). Сталь марки 95Х18 имеет потерю массы 8,5% (после 10 суток выдержки в растворе сероводорода) и скорость коррозии 15,2 г/м²*ч.

На следующем этапе исследования была определена зависимость влияния сероводородной среды на физико-механические характеристики предлагаемых материалов по отношению к стандартным. Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Сводная таблица экспериментального определения прочности на растяжение

Скорость коррозии стали марки 95Х18 почти в 2 раза ниже, чем стандартном материале стали 45.

Из полученных данных ясно, что сталь марки 95Х18 прочнее исходного образца стали 45 даже после выдержки в среде сероводорода. Снижение прочности на растяжение за данный период составило 6% против 21,7% у стали 45. Таким образом, можно сделать вывод о возможности применения стали марки 95Х18 в качестве материала фиксатора шлипсового пакера, предназначенного для сред, содержащих сероводород.

На основании полученных результатов можно рекомендовать сталь марки 95X18 для промысловых испытаний в качестве материалов для шлипсового пакера, применяемого на месторождениях с высоким содержанием сероводорода.

Заключение

В ходе исследования изучены физико-химические и механические свойства перспективной марки стали 95Х18 для изготовления элементов шлипсовых пакеров, предназначенных для эксплуатации в нефтяных скважинах с повышенным содержанием сероводорода.

Список литературы:

1. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В /Коррозия и защита от коррозии / Под ред. И.В. Семеновой. — 3-е изд., перераб. И доп. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010.- 416 С.
2. Аванесов В.А. Пакеры для проведения технологических операций и эксплуатации скважин [Текст]: учеб. пособие/ В.А. Аванесов, Е.М. Москалева. – Ухта: УГТУ, 2008. - 91 с.; ил.
3. ГОСТ Р 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. М.Н. Фокин, К.А. Жигалова. Методы коррозионных испытаний металлов. М.: Металлургия, 1986.- 80 с.