Materials selection for CO₂ transport and injection wells – O2 limits

Bakgrunn og hensikt med prosjektet:
I CO₂-injeksjonsbrønner kan det oppstå situasjoner der formasjonsvann, tettfase-CO₂ og brønnmateriale kommer i kontakt i bunnen av brønnen. Når store mengder CO₂ løser seg i vannfasen blir denne mer korrosiv, noe som kan gi høye korrosjonshastigheter for karbonstål. Rustfrie stålkvaliteter som brukes i mange brønner (13Cr og 22Cr) har vanligvis god korrosjonsmotstand under slike forhold. Dersom CO₂en inneholder urenheter vil disse også løse seg i vannfasen og øke korrosiviteten ytterligere. En av urenhetene det knyttes stor usikkerhet til er O2, spesielt når brønnen er komplettert med rør av 13 % Cr.

I den første CO₂-spesifikasjonen som ble publisert for Peterhead-prosjektet i 2015 var det satt en maksimumsgrense på 1 ppmv O2. Denne grensen ble senere (2016) økt til 5 ppmv etter en forsøkskampanje ved IFE. I «Mulighetsstudien» har det vært diskutert O2-konsentrasjoner i området 1 -10 ppmv.

For å oppnå effektmålet «Realisering av lagringspotensial i Nordsjøen» er det viktig at CO₂-produsentene tilbys en CO₂ -spesifikasjon som er sikker, men samtidig ikke er unødvendig konservativ og kostbar. Hensikten med CO₂ WELLMAT prosjektet har vært å bestemme grenseverdier for O2 for forskjellige materialer som brukes i injeksjonsbrønner og som eksponeres ved forskjellige temperaturer og sammensetning av formasjonsvann. Først når akseptable O2 konsentrasjoner er dokumentert kan det gjøres en kostnadsoptimalisering der en ser på valg av bedre (dyrere) brønnmaterialer vs. bygging og drift av renseanlegg for å ta ut O2 vs. krevende krav til O2 overvåkning og avvisning av CO₂ som er utenfor den akseptable spesifikasjonen.

Hva var målet til prosjektet?
Målet for CO₂WELLMAT prosjektet var å bestemme grenseverdier for O2 under betingelser som var relevante for Northern Light prosjektet. Da prosjekt startet var de eneste forventede urenheten små mengder vann og noen få ppmv O2, en reservoartemperatur på 80 °C (Smeaheia) og opp til 6,7 mmol / kgS alkalinitet (ca. 400 ppmw bikarbonat) i formasjonsvannet. Senere, da injeksjonsområdet ble flyttet til Johansenfeltet (høyere temperatur, 120 °C) og andre typer urenheter ble inkludert i CO₂-spesifikasjonen for Northern Light-prosjektet, ble det diskutert å også inkludere disse i eksperimentene. Dette var ikke mulig da det ville kreve en betydelig modifisering av testoppsettet. Det ble enighet om delvis å kompensere for tilstedeværelsen av sure urenheter ved å redusere alkalinitetsinnholdet i vannfasen.

Hva har prosjektet gjort i form av aktiviteter?
Prosjektets hovedaktiviteter har vært:
Gjennomgang av eksisterende kunnskap inkludert data og erfaringer fra olje-gass produksjon/injeksjon. Viktig fokusområde var hvordan og i hvilken grad erfaringer fra olje-gass produksjon/injeksjon kan anvendes i CO₂ injeksjonsbrønner.
Bestemme eksperimentelt partisjonering av O2 i vann og tettfase-CO₂ for et utvalg betingelser og ved hjelp av modeller estimere verdier ved forskjellige temperaturer (10-120 °C) og trykk (50-150 bar).

Bestemme eksperimentelt O2 konsentrasjonen for initiering og vedlikehold av pittingkorrosjon for forskjellige brønnmaterialer som eksponeres under forskjellige temperaturer, O2 konsentrasjoner og i formasjonsvann med forskjellig alkalinitetsinnhold (forskjellig pH og forskjellig bufferkapasitet).

Bestemme eksperimentelt forhold der det kan oppstå kloridindusert spenningskorrosjon (SCC).

Hva har prosjektet oppnådd?
De opprinnelige prosjektmålene ble oppnådd. Det ble utviklet et testoppsett og en testmetodologi som gjorde det mulig å kjøre forsøk under kontrollert trykk (100 bar), temperatur (opp til 120 °C) og oksygeninnhold (3-100 ppmv i CO₂ føden). Forskjellige varianter av 13Cr og 22Cr ble testet. Det ble generelt funnet lite materialtapskorrosjon, men lokal korrosjon (pitting) ble observert på 13Cr under noen betingelser. Det ble ikke observert spenningskorrosjon.

Akseptable korrosjonsrater og endelige valg av rørmateriale vil ikke bare avhenge av korrosjonshastigheten i oksygenert formasjonsvann, men også av det forventede antallet tilbakestrømminger av formasjonsvann inn i røret samt varigheten av eksponeringen.

Fremtidige planer:
I løpet av prosjektet ble CO₂ spesifikasjonen for Northern Light prosjektet utvidet med flere urenheter og de mulige konsekvensene ble diskutert. Siden det bare ble gjort tester med O2 ble det foreslått å starte et nytt prosjekt hvor testmatrisen/databasen utvides med flere urenheter og et større temperaturområde.