Corrosione minacce in ben completamento e perché materiali Matter

Gli ambienti a foro inferiore contengono spesso anidride carbonica (CO2), solforo idrogeno (H2S), cloruri e zolfo elementale, ciascuno in grado di accelerare la corrosione. In tali ambienti, un singolo fallimento materiale può portare a perdita di controllo, a costi contenuti e a danni ambientali. La scelta dei materiali resistenti alla corrosione è quindi una decisione economica critica.

Anche con l'inibizione chimica, il rischio di corrosione localizzata, la corrosione di stress cracking (SCC), e la fessura di stress sulfidico (SSC) rimane alta. Nel corso degli ultimi dieci anni, i progressi nella metallurgia e nella scienza composito hanno introdotto una nuova generazione di materiali che offrono una resistenza notevolmente migliorata a questi strumenti di produzione.

Meccanismi di Corrosione chiave in ambienti di Complezione

Prima di esaminare materiali specifici, è importante apprezzare i meccanismi di corrosione primari che le attrezzature di completamento bene devono resistere:

  • Creazione di resistenza di carico (SSC): Occurs in presenza di H2S e stress da trazione. Questa è una forma di embrionamento di idrogeno che può causare un improvviso e catastrofico fallimento in acciai ad alta resistenza.
  • La corrosione perduta di tenuta:[] La dissoluzione uniforme o localizzata del metallo a causa di brine acide o CO2 (corrosione dolce).
  • Stress Corrosion Cracking (SCC): Cracking indotto dall'azione combinata di stress trasile e un ambiente corrosivo (ad esempio, cloruri o H2S).
  • Corrosione di ritaglio e di commozione:[ Attacchi localizzati che si verificano in depositi, in fili, o a guarnizioni in cui condizioni stagnanti permettono alle specie aggressive di concentrarsi.
  • Galvanic Corrosion:[ Quando i metalli dissimili sono in contatto elettrico in un elettrolito, il materiale meno nobile corrode preferibilmente.

I materiali emergenti mirano a risolvere questi meccanismi attraverso una combinazione di chimica lega, controllo microstruttura e ingegneria superficiale.

Materiali tradizionali e loro limitazioni

Storicamente, le apparecchiature di completamento bene si basano su acciai a basso contenuto di lega (ad esempio, L80, C95, P110) con inibitori di corrosione, o su acciai inossidabili 13Cr in ambienti CO2 miti. Mentre i gradi 13Cr forniscono una buona resistenza alla corrosione dolce, sono vulnerabili a pitting e SCC in presenza di cloruri e saldatura H2S.

L'industria ha riconosciuto da tempo che nessun singolo materiale è ideale per tutte le condizioni. La spinta per pozzi orizzontali più lunghi, pressioni più elevate e temperature più elevate ha accelerato la ricerca di materiali che possono resistere ad ambienti estremi pur rimanendo economicamente vantaggiosi e maneggevoli.

Materiali di corrosione-resistant emergenti per la composizione del pozzo

Superalloys su nichel: Spingere la busta di prestazione

I superliti a base di nichel come Inconel 725, Inconel 718 e Hastelloy C-276 sono diventati cavalletti di lavoro per le applicazioni di completamento più esigenti. Queste leghe derivano la loro resistenza alla corrosione e alla resistenza da un alto contenuto di nichel (tipicamente > 50%) combinato con cromo, molibdeno, e spesso niobio o titanio per la precipitazione indurimento.

Gli sviluppi recenti includono Nickel Alloy 725HF (alta fatica) e leghe di espansione controllata che riducono lo stress su guarnizioni e fili. Questi materiali sono ora utilizzati in corpi di confezionamento, maniche scorrevoli, valvole di sicurezza subsuperficie e dispositivi di controllo del flusso.

Risorsa esterna:[ Haynes International – dati in lega C-276

Acciaio inossidabile duplex e super duplex

Gli acciai inossidabili Duplex (ad esempio, UNS S31803) combinano una microstruttura bifase di austenite e ferrite, che produce una maggiore resistenza rispetto ai gradi austenitici e una migliore tenacità dei gradi ferritici.

In un buon completamento, gli acciai inossidabili duplex sono sempre più utilizzati per tubi, involucri e componenti in testa nelle applicazioni subsea e ad alto cloruro. I gradi duplex 25Cr offrono un equilibrio favorevole di costi e prestazioni—circa due o tre volte il costo dell'acciaio al carbonio, ma significativamente meno di leghe di nichel.

Risorsa esterna:[ ]Rolls-Royce – Applicazioni in acciaio inox Duplex[ (nota: aggiornato ad una fonte di materiali credibili; alternativamente usare Outokumpu – Guida in acciaio inox Duplex)

Acciaio inossidabile austenitico ad alto contenuto di molibdeno

Per gli ambienti in cui i gradi duplex sono troppo costosi o non possono fornire una sufficiente resistenza SCC in presenza di cloruri, acciai inossidabili austenitici ad alto contenuto di nichel come la lega 904L (UNS N08904) e la lega superamento 254SMO (UNS S31254) stanno guadagnando attenzione.

Materiali compositi e sistemi di rivestimento

Mentre i metalli sono stati la scelta tradizionale, ] materiali compositi – in particolare polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) e polimeri rinforzati con fibra di vetro (GFRP) – stanno emergendo per componenti non metallici come centralizzatori, guaine per cavi, e alcuni tipi di schermi.

Uno sviluppo notevole è l'uso di tubolare in tessuto termoplastico, dove una sottile fodera in polimero estruso (ad esempio, chetone in polietere, PEEK, o solfidolo di polifenilene, PPS) è legato alla parete interna del tubo di acciaio. Questi sistemi sono utilizzati in pozzi con grave CO2 o basso pH ambienti.

Risorsa esterna:[ CompositesWorld – Uso dei materiali compositi olio e gas

Rivestimenti e modifiche di superficie

Le tecnologie di rivestimento si sono evolute molto oltre la semplice vernice o zincatura.Per apparecchiature di completamento, diversi approcci avanzati di ingegneria della superficie stanno offrendo una reale protezione della corrosione:

  • AltaVelocità Ossigeno combustibile (HVOF) Rivestimenti termici a spruzzo:[ I rivestimenti in metallo e carburo applicati da HVOF forniscono uno strato denso e a bassa porosità che può sopportare alte usura e corrosione.
  • Nickel-Phosphorus (Ni-P) Rivestimenti senza elettroni:[ Questi rivestimenti sono applicati chimicamente e forniscono spessore uniforme anche su geometrie complesse. Offrono un'eccellente resistenza alla corrosione e possono essere trattati termicamente per migliorare la durezza.
  • Ibridi ceramici derivati da Sol-gel (ad esempio, alumina, zirconia) applicati tramite processi di verniciatura o spruzzo-e-cure creano una barriera densa contro il trasporto ionico. Nuovi rivestimenti ibridi che incorporano particelle ceramiche all'interno di una matrice polimerica combinano flessibilità con resistenza all'abrasione.
  • I rivestimenti termici diffusione zinco (TDZ):[ Questi rivestimenti formano uno strato intermetallico in ferro-zinco che fornisce protezione cattodica, resistendo all'attacco cloruro.

I rivestimenti non sono panacea, possono essere danneggiati dalla manipolazione, dai detriti di bucato o dal ciclo termico. Tuttavia, se abbinati al materiale base appropriato, possono estendere notevolmente la vita dell'attrezzatura, spesso ad una frazione del costo di aggiornamento ad un'alternativa solida ad alto livello.

Lega di resistenza alla corrosione (CRA) Clads e overlays

Per i componenti di grandi dimensioni come le testate, i corpi BOP e le grandi valvole di foraggio, il costo dei solidi CRA è proibitivo. Invece, i produttori usano [ tecnologie di colata e sovrapposizione dove uno strato sottile di lega resistente alla corrosione (ad esempio, lega 625, lega 825) è legato ad un acciaio al carbonio o basso contenuto di lega.

I recenti miglioramenti nei processi di saldatura ad arco di tungsteno a gas automatizzati (GTAW) e di plasma trasferiti (PTA) hanno aumentato i tassi di deposizione e ridotto la diluizione, producendo strati sovrapposizioni con chimica e proprietà prevedibili. I componenti a catena offrono la resistenza meccanica del materiale base a basso costo con una barriera di corrosione che può essere progettata per durare la vita del pozzo.

Selezione dei materiali per specifiche condizioni di pozzo

La scelta del materiale dipende da una valutazione dettagliata dell'ambiente di scarico. I parametri chiave includono [] pressione parziale di H2S e CO2, concentrazione del cloruro, pH, temperatura e presenza di zolfo o mercurio elementale[].

  • L'ambiente dolce (CO2):[] Gli acciai inossidabili martensitici 13Cr rimangono adeguati. Tuttavia, i gradi super 13Cr con carbonio inferiore e aggiunto Mo offrono una migliore saldabilità e resistenza alla pitting.
  • L'agro moderato (H2S < 10 psi) con cloruri:[ I gradi magra duplex (ad esempio, UNS S32101) o 22Cr duplex (S31803) sono spesso convenienti.
  • Alto acido (H2S > 10 psi) e alto cloruro:[ Super-duplex (S32750) o austenitici ad alta lega (254SMO).
  • Extreme HPHT + acido + cloruri:[ Sopralloy di nichel (lega 725, lega 718, C-276) o leghe di titanio (Ti-6Al-4V ELI, Ti-3-2.5) possono essere richiesti.
  • Alternative non metalliche:[] CFRP o tubazioni rivestite per parti meno meccanichemente esigenti.

È fondamentale notare che la selezione dei materiali considera anche i requisiti meccanici, la resistenza al bambino, la resistenza alla fatica, e la compatibilità con i sigilli e gli elastomeri.

Sfide di produzione e qualificazione

La fabbricazione di superleghe e acciai duplex richiede un attento controllo della resistenza a caldo, del trattamento termico e dei parametri di saldatura. Ad esempio, leghe di nichel induribili di precipitazioni devono subire un ciclo di invecchiamento specifico per raggiungere la forza desiderata; i tassi di raffreddamento improprio possono portare a fasi di embritling come la fase di saldatura delta ferrite o sigmarite richiedono un eccessivo rapporto di calore in acciaio inossidabile.

I produttori richiedono sempre più test di corrosione in fluidi ben simulati] – tra cui test di velocità di deformazione lenta (SSRT) per SCC, e test di curvatura a quattro punti per SSC. Le tecniche di valutazione non distruttiva, come test a ultrasuoni a schiera phased array (PAUT) e test di corrente esorbitante, sono utilizzati per rilevare i difetti di subsuperfici digitali.

Vantaggi dell'adozione dei materiali emergenti

  • L'attrezzatura estesa Vita:[ Leghe resistenti alla corrosione adeguatamente selezionate possono durare tutta la vita, eliminando la necessità di costosi interventi o sostituzioni.
  • Costi di manutenzione e di intervento ridotti:[ I guasti minori significano meno downtime, meno corse di filiali e minori costi di inibizione chimica.
  • Migliorata sicurezza e protezione ambientale:[] Riduzione del rischio di perdite, disperse e di ben controllo incidenti.
  • Maggiore affidabilità in HPHT e Sour Wells:[ Abilita lo sviluppo di serbatoi che erano in precedenza non economici o tecnicamente infessibili.
  • Soluzioni leggere (Compositi):[] Movimentazione più semplice per equipaggiamenti, carico ridotto su piattaforme offshore e potenziale utilizzo in applicazioni di tubazione a spirale.

Prospettive e direzioni di ricerca future

L'evoluzione dei materiali resistenti alla corrosione per le apparecchiature di completamento è tutt'altro che completa.

  • La produzione additiva (3D Printing) di CRAs: La fusione del letto a polvere laser e la deposizione diretta dell'energia sono in fase di esplorazione per produrre geometrie complesse di controllo della valvola e del flusso che non possono essere lavorate da solidi. Queste tecniche permettono la produzione di forma quasi-net con scarti ridotti, ma la prestazione di corrosione delle leghe CRA stampate (ad es, la Alloy 625) è ancora in corso di indagine.
  • Materiale granuloso e compositivamente Graded:[] Utilizzando tecniche additive o di rivestimento per creare un materiale che passa da un nucleo ad alta resistenza a uno strato superficiale resistente alla corrosione, ottimizzando entrambe le proprietà.
  • I rivestimenti di sigillatura:[] I microcapsule contenenti inibitori di corrosione o agenti di formatura film sono incorporati nel rivestimento; dopo la violazione, rilasciano l'agente curativo per sigillare il danno.
  • Progetto dei materiali computazionali:[] I materiali computazionali integrati (ICME) e l'apprendimento automatico sono utilizzati per prevedere la stabilità della lega e il comportamento della corrosione, accelerando la scoperta di nuove composizioni con proprietà su misura.
  • Leghe anomalo e morfologiche:[ Questi materiali presentano una resistenza alla corrosione eccezionale a causa dell'assenza di confini di grano (nella cassa amorfa) o di una struttura estremamente fine del grano.

La collaborazione tra operatori del settore petrolifero e del gas, fornitori di materiali e istituti di ricerca sarà necessaria per colmare il divario tra innovazione di laboratorio e distribuzione del campo.

Conclusioni

I materiali resistenti alla corrosione per le apparecchiature di buon completamento si sono spostati oltre le tradizionali scelte di acciaio al carbonio e acciaio 13Cr. I superlegati, gli acciai inossidabili duplex e superduplex, l'austeritica ad alto contenuto di lilibdeno, i compositi avanzati e i rivestimenti sofisticati forniscono ora agli ingegneri un kit di strumenti versatile per l'efficienza di affrontare praticamente qualsiasi ambiente corrosivo downhole.

Gli operatori che investono nella comprensione e nell'adozione di questi nuovi materiali saranno meglio posizionati per massimizzare il valore patrimoniale, minimizzare il tempo non produttivo e produrre in modo sicuro risorse dai serbatoi più impegnativi della terra.

Per ulteriori informazioni sugli standard di selezione dei materiali, fare riferimento allo standard NACE: NACE MR0175/ISO 15156.