Takaisin blogiin

Korroosion hallinta käsittelysuunnittelun, lisäaineiden ja algoritmien avulla

Joey Detiveaux | Area Manager USA Offshore Completion Fluids & Services | 22. heinäkuuta 2022

Korroosion kustannukset

Korroosion hallinta öljy- ja kaasutoiminnoissa on suuri haaste ja liian usein kallista todellisuutta. Vaikka nykyisiä arvioita ei ole saatavilla, korroosion taloudelliset kustannukset koko alalla ja maailmanlaajuisesti ovat todennäköisesti kymmeniä miljardeja dollareita. Usein mainittu 1,4 miljardin dollarin summa on peräisin NACEn vuonna 2002 tekemästä tutkimuksesta Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States (Korroosion kustannukset ja ennaltaehkäisystrategiat Yhdysvalloissa), mutta tämä luku koskee vain Yhdysvaltoja ja on peräisin vuonna 1998 tehdystä tutkimuksesta.[i] Huolimatta korroosiontorjunnan edistymisestä viimeisten kahden vuosikymmenen aikana kyseinen arvio on todennäköisesti aivan liian alhainen, eikä se todellakaan ole osoitus koko teollisuudelle aiheutuvista maailmanlaajuisista kustannuksista vuonna 2022.

Taloudellisuuden lisäksi korroosio aiheuttaa myös toisenlaisen kustannuksen, nimittäin huomattavan riskin henkilöstön ja ympäristön turvallisuudelle. Esimerkiksi syöpyneen korkeapaineventtiilin vikaantuminen voi aiheuttaa työntekijälle vakavia vammoja ja vapauttaa syttyvää tai vaarallista sisältöä.

Yläpuoliset korroosiotyypit

Kuoleman ja verojen tapaan korroosioon liittyy ehdoton varmuus: Kaikki tunnetut materiaalit, olivatpa ne luonnollisia tai keinotekoisia, ruostuvat lopulta riittävän pitkän ajan kuluessa, kivistä ja puusta muoveihin ja metalleihin, myös korroosionkestäviin seoksiin. Itse asiassa monissa sovelluksissa CRA-seokset muodostavat itse asiassa vähemmän vahingollisen oksidikorroosion suojakerroksen, joka estää tuhoisamman korroosion puhkeamisen.

Öljy- ja kaasuteollisuudessa metallien korroosio on ensisijainen huolenaihe. Metallien korroosio on suurin syy siirtoputkien rikkoutumiseen.[ii] Tuotantoputkistoja ja -laitteita vaivaavat korroosiotyypit ovat tuotantovaiheen toiminnassa yleisimmin käsiteltyjä:

• makea korroosio, jonka aiheuttavat hiilihappo ja CO₂;
• hapanta korroosiota, jonka aiheuttaa H₂S;
• mikrobien aiheuttama korroosio, jonka aiheuttavat bakteerit nesteissä;
• hapen aiheuttama korroosio, jonka aiheuttaa nesteisiin liuennut happi;
• galvaaninen korroosio, joka aiheutuu kahden eri metallin ja syövyttävän aineen kosketuksesta; 
• happokorroosio, jonka aiheuttavat kaivojen stimuloinnissa käytettävät hapot; ja
• eroosiokorroosio, jonka aiheuttavat liikkuvat hiukkaset, kuten hiekka.

Veden ja kosteuden läsnäolo on tärkein katalysaattori useimmille näistä korroosiotyypeistä. Muita kemialliseen korroosioon vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa säiliön kemia, reiän paine ja reiän lämpötila. Korroosion mahdollisuus kasvaa kovemmissa porausreikäympäristöissä, kuten syvänmeren HP/HT-lähteissä, ja pitkissä sivuputkissa, joissa mukana kulkeutuva kosteus voi jäädä kiinni putkien liitoksiin ja aiheuttaa halkeilua.

Korroosion nousu ja lieventäminen

Öljybuumin alkuvuosina korroosio oli harvoin tuotantoputkien eheyttä ja käyttöikää rajoittava tekijä. Kaivot olivat yleensä suhteellisen lyhytikäisiä ja matalampia ja niiden pohjalämpötila oli alhaisempi kuin nykyisin. Kun vesipitoisuus saavutti kriittisen prosenttiosuuden nesteen kokonaisvirtauksesta, toiminnanharjoittaja usein vain sulki kaivon ja porasi uuden.[iii]

Tällainen kevytmielinen lähestymistapa ei ole enää ajankohtaista, sillä kaivot on nykyään suunniteltu toimimaan paljon pidempään ja korroosion torjunta on ensisijainen tavoite. Useat tekijät ovat vaikuttaneet korroosion viimeaikaiseen lisääntymiseen tuotantovaiheessa, muun muassa seuraavat: erilaisten suolojen käyttö porausnesteissä, syvemmät ja pidemmät porausreiät, suuremmat tuotetun veden määrät, korkeammat H₂S-pitoisuudet kypsissä säiliöissä ja proppanttihiekan käyttö stimuloinnissa.

Hiekan aiheuttaman eroosiokorroosion lieventämiseksi operaattorit ohjaavat tuotantovirran suodattimien, erottimien tai syklonilaitteiden läpi - jälkimmäisistä on nopeasti tulossa alan standardi niiden paremman tehokkuuden, vähäisemmän huollon ja pienemmän tilantarpeen vuoksi. Yksi tällainen laite on patentoitu  TETRA SandStorm^™  -teknologiamme, joka poistaa hiekkaa tuotantovirrasta jopa 100-prosenttisella tehokkuudella ilman paine-eroja, jotka voivat haitata tuotantoa.

Veden kosteudesta ja kemiallisesta reaktiosta johtuvan korroosion hallitsemiseksi porausreikään voidaan syöttää korroosiotyypistä riippuen erikoistuneita lisäaineita. Näitä ovat innovatiiviset korroosionestoaineet, _{hiilidioksidin} ja H₂S puhdistusaineet, biosiidit ja pH stabilisaattorit.

Toinen toimenpide tuotantoputkien korroosion lieventämiseksi on CRA:n, polymeeripinnoitteiden tai lasikuituputkien käyttö. Syvän veden ja erittäin syvän veden sovellusten korkeissa paineissa ja korkeissa lämpötiloissa suositaan kuitenkin martensiittista ruostumatonta terästä ja ruostumattomasta duplex-teräksestä valmistettuja seoksia. CRA-tuotantoputket ovat kalliimpia kuin muut kuin CRA-metalliputket, mutta ne ovat yleensä tehokkaita korroosion hallitsemisessa ... suurimmaksi osaksi.

Arvoituksellinen uusi korroosion muoto

Noin 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa CRA:iden lisääntynyt käyttö syvänmeren HP/HT-porausreikien kaivoissa johti aivan uudenlaiseen korroosioputkien vikaantumiseen. Uutta ilmiötä kutsuttiin nimellä AEAC (Annulus Environmentally Assisted Cracking), koska useimmissa tapauksissa korroosio sai alkunsa porausputken rengasreiän puolelta eikä tuotantopuolelta, jonne korroosiohuolet yleensä keskittyvät, kuten voisi olettaa.[iv]

AEAC:n kasvava esiintymistiheys kehittyi melko kalliiksi suuntaukseksi, mikä sai TETRA Technologiesin ja JFE Steelin tutkijat perustamaan tutkimuskonsortion nimeltä TETRA ChemiMetallurgy Research Alliance. Yhdistetyn kemian ja metallurgian asiantuntemuksensa avulla heidän tavoitteenaan oli määrittää AEAC:n syy ja kehittää ratkaisu.

Palapelin ratkaiseminen

Kuten he selittävät vuonna 2009 ilmestyneessä SPE-julkaisussaan, tutkimusryhmä totesi, että AEAC:n pääasiallinen syy ei ole kloridi-ionit ja happi, kuten tavanomainen viisaus antaa ymmärtää, vaan muut epäpuhtaudet viimeistely- ja pakkausnesteissä, nimittäin "rikkiä sisältävät lajit, muut hapettimet kuin happi ja tietyt emäksiset ionilajit".[v] Heidän tutkimuksensa paljasti myös, että eri lähteistä saadut viimeistely- ja pakkausnesteet ovat kemiallisilta ominaisuuksiltaan hyvin erilaisia ja että tuotantotilassa olevien nesteiden kemia ja syövyttävyys eroavat huomattavasti rengasrungossa olevien nesteiden kemiallisesta koostumuksesta ja syövyttävyydestä.

Ratkaisu edellytti ennen kaikkea tiukkaa laadunvarmistusta viimeistely- ja pakkausnesteille sekä parhaiden käytäntöjen mukaista nesteiden hallintaa nesteiden koko elinkaaren ajan. Toiseksi tarvittiin keino määrittää tarkasti muodostuman, kaivon ja putkiston sekä nesteiden yhteensopivuus.

Älykäs yhteensopivuus

Toisen tavoitteen saavuttamiseksi tutkimusallianssi johti TETRA MatchWell^® -nesteiden yhteensopivuusvalitsimen kehittämiseen. Kyseessä on oma ohjelmisto, joka käyttää algoritmeja sovittaakseen viimeistely- ja pakkausnesteet yhteen CRA:n ja porausreiän olosuhteiden kanssa vähentääkseen tuotantoputkien ympäristöstä johtuvan halkeilun mahdollisuutta.

MatchWellin avulla TETRAn insinöörit voivat syöttää muodostuman, kaivon ja putkiston sekä nesteiden eri parametrit (ks. kuvat 1 ja 2). Tämän jälkeen ohjelmisto suorittaa analyysin ja luo nestesuositusraportin (ks. kuva 3).

KUVA 1. TETRA MatchWell -käyttöliittymä, jossa näkyvät kaivon parametrit ja muodostuman ominaisuudet.

KUVIO 2. TETRA MatchWell -käyttöliittymä, jossa näkyvät nesteparametrit.

KUVIO 3. TETRA MatchWellin tuottama nestesuositusraportti.

TETRA MatchWell tarjoaa älykkään, kokonaisvaltaisen lähestymistavan kaivon suunnitteluun, joka sisältää nesteen ja metallurgian rajapinnan kriittiset parametrit ja auttaa asiakkaita välttämään kalliin korroosion ja vähentämään putkiston vikaantumiseen liittyviä HSEQ-riskejä. Se toimii myös turvallisena tietokantana porauskaivon, putkiston, nesteen ja muodostuman tiedoille, minkä ansiosta asiakaspäälliköt pääsevät helposti käsiksi tietoihin ja voivat jakaa niitä asiakkaiden kanssa.

Päätelmä

Tähän mennessä TETRA MatchWell -ohjelmistoa on käytetty tuottamaan Fluid Recommendation -raportteja tuhansille kaivoille, minkä ansiosta toiminnanharjoittajat ovat voineet välttää kalliit korroosion aiheuttamat putkistoviat, kuten AEAC, sekä poistaa korroosiovioista aiheutuvat huomattavat turvallisuus- ja ympäristöriskit.

Loppuviitteet

1. Ks. G. Koch ym., 2016, International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technologies Study, NACE International. Vuoden 2016 tutkimuksen liitteessä A esitetyt kustannuserittelytaulukot toistavat yksinkertaisesti vuoden 2002 tutkimuksen tulokset.
2. Nanan, 2018, "Pitting Corrosion in Oil and Gas Wells and Pipelines", Oilman Magazine, 31. heinäkuuta.
3. Smith, 1999, "Control of Corrosion in Oil and Gas Production Tubing", British Corrosion Journal, Vol. 34, No. 4.
4. S. McKennis ym. 2009, "Chemistry and Mechanisms of Completion/Packer Fluids: Annular Environmentally Assisted Cracking (AEAC) of Martensitic Stainless Steel Tubing-Misconceptions Regarding the Chemical Role of Completion/Packer Fluids," SPE 121433.
5. McKennis ym., 2009.