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0  引言

 

在原油和天然氣開采過程中，油管作為鉆探完成后油氣傳輸?shù)闹匾O(shè)施，可將油氣層中的原油和天然氣輸送到地面管線，在油氣田中廣泛應(yīng)用。相比國外油田，我國油田井下環(huán)境更為復(fù)雜，油管腐蝕問題在我國尤為突出，據(jù)不完全統(tǒng)計，某氣田的80%的修井作業(yè)都與油管的腐蝕失效有關(guān)。油管服役過程中的高溫高壓環(huán)境、多相流流體沖刷、H2S、CO2和高礦化度等因素是造成油管腐蝕的重要原因。油管腐蝕失效的發(fā)生最短時間小于10月，大部分油田通常在投產(chǎn)后1~2年發(fā)生腐蝕失效，腐蝕失效不僅會造成大量油管的損壞，嚴重時會導(dǎo)致油管在井內(nèi)斷裂，從而導(dǎo)致棄井，造成巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，甚至威脅人身安全。因此，研究油管失效的原因非常重要，它可以用來制定預(yù)防措施，避免事故發(fā)生。

 

海上某油田自2008年4月投產(chǎn)，共7個層位在生產(chǎn)，總井數(shù)24口，動用地質(zhì)儲量2383.48萬方，累計產(chǎn)量1089.5萬方，日產(chǎn)油量937方。自2012年以來，該油田每年都會發(fā)生油管腐蝕穿孔，導(dǎo)致油田的停產(chǎn)修井，造成嚴重的經(jīng)濟損失。統(tǒng)計自投產(chǎn)以來該油田的總修井次數(shù)為34次，其中因油管腐蝕穿孔造成的修井高達17次。穿孔主要發(fā)生在RDH上、下油管、油管短節(jié)和油管公扣。根據(jù)現(xiàn)場工況和生產(chǎn)條件調(diào)研，該油田地層壓力為10 MPa，CO2的含量較高，在0.2~4 MPa之間，隨著開采的進行，綜合含水率不斷提高，2020年10月含水率升至95%。統(tǒng)計了該油井分離器自2016年到2020年期間的H2S含量和溫度變化，如圖1(a)所示，該油井H2S含量較低，最低質(zhì)量分數(shù)為3.23×10-6，峰值為5.33 ×10-6，平均質(zhì)量分數(shù)約為4.08 ×10-6。從圖1(b)可知，該油井在2016~2017年6月溫度較穩(wěn)定，維持在85 ℃，2017年9月溫度下降，后續(xù)波動較大，2016至2020年開采期間平均溫度為78.01 ℃。

 

針對該油田油管短節(jié)處發(fā)生的嚴重腐蝕穿孔，使用數(shù)碼相機記錄失效管段的內(nèi)外壁腐蝕形貌，使用游標卡尺記錄失效管段的尺寸大小。使用EDS、ICP和碳硫分析測試儀分析失效管段鋼材的化學元素種類和含量；利用萬能試驗機測量失效管段的力學性能；利用X射線衍射分析儀分析腐蝕產(chǎn)物的化學成分和晶體結(jié)構(gòu)。尋找該油管腐蝕失效的主要原因，為油田出現(xiàn)類似問題提供參考和解決措施。

 

圖 1 海上某油田油井在2016-2020年期間H2S(a)和溫度(b)分布

 

1 宏觀形貌分析

 

圖2是海上某油田失效油管的內(nèi)外壁宏觀形貌示意圖和每處腐蝕穿孔處內(nèi)外壁宏觀形貌。該失效管段總共發(fā)生了13處腐蝕穿孔，根據(jù)腐蝕孔位置的遠近，將腐蝕穿孔分成了8組腐蝕孔，對其編號處理后，記錄每處腐蝕穿孔的內(nèi)外壁宏觀形貌，如圖2(c)所示。使用精度為0.01 mm的游標卡尺計量每個腐蝕孔的長寬和小圓的直徑，結(jié)果如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕穿孔主要呈現(xiàn)圓孔狀和輪癬狀穿孔，這與CO2腐蝕形貌極為相似。觀察橢圓狀的腐蝕孔，可以發(fā)現(xiàn)，橢圓狀腐蝕孔的形成是由兩個互不影響的圓形腐蝕小孔向外發(fā)展，在邊緣處相交后形成。從表1可以發(fā)現(xiàn)，組號為5的腐蝕孔有最大的穿孔面積，腐蝕孔的外表面呈花瓣狀，尺寸大小為18.66 mm×17.71 mm；組號為7的腐蝕孔最小，呈現(xiàn)橢圓狀，尺寸大小為8.48 mm×6.68 mm。對比圖2(c)腐蝕孔的內(nèi)外形貌，可以發(fā)現(xiàn)，所有的腐蝕孔邊緣處內(nèi)壁減薄，管段的腐蝕穿孔是由內(nèi)向外發(fā)展，腐蝕穿孔主要集中在油管的一側(cè)。對腐蝕穿孔側(cè)的另一側(cè)管內(nèi)壁進行了觀測分析，穿孔側(cè)對面管壁存在部分次生小孔，呈閉塞狀態(tài)，但并未發(fā)生穿孔，閉塞孔深度為毫米級，管壁也未發(fā)現(xiàn)明顯減薄，這可能是井斜導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)集中在油管的一側(cè)，從而造成了油管的一側(cè)腐蝕嚴重。油管穿孔處內(nèi)壁存在紅褐色的腐蝕產(chǎn)物和油漬，但試樣表面未發(fā)現(xiàn)犁削溝槽、凹谷、淚滴狀和馬蹄狀，且表面有腐蝕產(chǎn)物積存，故不存在沖刷腐蝕。

 

圖 2 海上某油田油管失效的宏觀形貌

 

（a）失效管段的管外腐蝕穿孔三維模型，（b）失效管段的管內(nèi)腐蝕穿孔三維模型，（c）各編號對應(yīng)的腐蝕穿孔的內(nèi)外壁形貌

 

表 1 海上某油田油管腐蝕穿孔的小孔形狀和尺寸

 

 

2  理化檢驗及結(jié)果

 

2.1 化學成分分析

 

在失效油管短節(jié)未腐蝕區(qū)域的上段、中段和下段處進行取樣，采用280#、500#、1000#的SiC砂紙對試樣進行打磨，除去表面銹跡后，用銼刀劃過試樣表面，將樣品制備成粉末狀，利用硝酸溶解試樣，利用ICP-OES（730，安捷倫，美國）分析失效管段的Cr、Mn等元素的含量，利用碳硫分析儀（CS844，力可，美國）分析該油田失效管段的碳和硫元素含量，其測量結(jié)果如表2所示?，F(xiàn)場資料顯示，失效管段短節(jié)使用的是L80-3Cr材質(zhì)；根據(jù)API Spec 5CT-2015標準，L80-3Cr材質(zhì)的Cr元素含量為2%~4%，但從表中可知，失效管段的上段、中段和下段未腐蝕的試樣的Cr元素含量遠小于2%，故排除失效管段材質(zhì)屬于L80-3Cr材料的可能。查找API Spec 5CT-2015標準和SY/T6875.1-2012《石油天然氣工業(yè)特殊環(huán)境用油井管》標準中的N80鋼的化學元素含量規(guī)定，可以發(fā)現(xiàn)，失效管段短節(jié)的元素含量滿足兩個標準對N80試樣的元素含量規(guī)定，失效油管短節(jié)的材質(zhì)應(yīng)屬于N80鋼材。

 

表 2 海上某油田失效油管短節(jié)不同位置的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）

 

2.2 力學性能測試

 

參考GB/T 228.1-2010標準，在失效油管短節(jié)未腐蝕區(qū)域的上段、中段和下段截取三個平行拉伸試樣。由于油管壁厚較小，試樣的制作選擇片狀拉伸試樣，而非傳統(tǒng)的啞鈴型拉伸試樣，試樣形狀和尺寸如圖3 所示；利用電子萬能試驗機（RGM-6300）進行室溫拉伸試驗，對獲得的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)繪圖，其結(jié)果如圖4 所示；分析材料的力學參數(shù)，結(jié)果如表4所示。由表4可知，失效油管材料的平均抗拉強度為709 MPa，平均屈服強度為626.3 MPa。失效管段的力學性能測試結(jié)果符合API Spec 5ct-2015對N80材料的規(guī)定，結(jié)合化學成分分析結(jié)果，可以明確，該井失效油管為N80材質(zhì)，非L80-3Cr材質(zhì)。

 

圖3 海上某油田失效油管短節(jié)的片狀拉伸試樣的尺寸

 

圖4 海上某油田失效油管短節(jié)不同位置的應(yīng)力應(yīng)變曲線

 

表4 海上某油田失效油管短節(jié)不同位置力學性能參數(shù)

 

2.3 腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

 

利用鑷子分別在該失效油管短節(jié)的上段（1號孔）、中段（5號）和下段（8號）腐蝕穿孔處的內(nèi)壁收集腐蝕產(chǎn)物，使用掃描電子顯微鏡（ZEISSE EVO MA15，卡爾蔡司，德國）觀察該腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌，結(jié)果如圖5所示。其中圖5(a)是1號穿孔處內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌，圖5(b)是5號穿孔處內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌，圖5(c)是8號穿孔處內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌。放大倍數(shù)均為500倍，從圖中觀察到，1號腐蝕產(chǎn)物膜表面有少許突起的顆粒，表面較平整致密，但在腐蝕產(chǎn)物膜中間觀察到一條貫穿腐蝕產(chǎn)物膜，寬度約4 µm的裂隙；5號腐蝕產(chǎn)物膜呈現(xiàn)花朵狀，其表面明暗相間，表明腐蝕產(chǎn)物膜表面平整度較差，凸起位置接受電子較多，成像較亮，凹陷位置接受電子較少，成像較暗，其腐蝕產(chǎn)物膜疏松多孔；8號腐蝕產(chǎn)物膜表面明暗分布更加明顯，其表面顆粒較多，在其表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。當基體在腐蝕環(huán)境中發(fā)生電化學反應(yīng)后，F(xiàn)e失去電子與腐蝕溶液中CO32-、S2-和OH-生成FeCO3、FeS和Fe(OH)2的復(fù)雜腐蝕產(chǎn)物膜，但生成的腐蝕產(chǎn)物膜表面存在裂隙和孔洞，致密性差，腐蝕介質(zhì)可穿過這些通道到達基體表面。與基體繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，從而使金屬基體繼續(xù)發(fā)生腐蝕直至穿孔。此外，腐蝕產(chǎn)物與金屬基體自腐蝕電位不同，兩者接觸可能會產(chǎn)生電偶腐蝕，加劇金屬基體的腐蝕情況。

 

 

圖5 海上某油田失效管段不同位置腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌

(a)1號穿孔處腐蝕產(chǎn)物(b) 5號穿孔處腐蝕產(chǎn)物(c) 8號穿孔處腐蝕產(chǎn)物

 

利用能譜儀（EDS）分析失效管段不同位置腐蝕產(chǎn)物化學元素含量，結(jié)果如表5所示。從表中可知，圖5(a)腐蝕產(chǎn)物中C、O和Fe元素含量較高，腐蝕產(chǎn)物可能由FeCO3、Fe2O3或Fe(OH)2組成，在裂隙處檢測出硫元素含量，表面腐蝕產(chǎn)物可能含有FeS；圖5(b)腐蝕產(chǎn)物在ⅱ區(qū)域觀察到Fe元素質(zhì)量分數(shù)含量最高，這可能與此處腐蝕產(chǎn)物膜最為疏松多孔，F(xiàn)e大量溶出有關(guān)；圖5(c)腐蝕產(chǎn)物中有最大的Ca元素質(zhì)量分數(shù)，腐蝕產(chǎn)物存在一定量的CaCO3顆粒。

 

表5腐蝕產(chǎn)物不同區(qū)域的元素含量分布

 

2.4 腐蝕產(chǎn)物分析

 

采用石油醚和酒精清洗2.3節(jié)所述的1號和8號穿孔處的腐蝕產(chǎn)物表面的油漬，經(jīng)過濾和干燥后利用X射線衍射儀（MPD，PRO，荷蘭）測量腐蝕產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)，掃描角度2θ：5~90°，采樣步長為0.02°，利用MDI Jade 6處理X射線衍射結(jié)果，分析腐蝕產(chǎn)物的化學組成，1號和8號穿孔腐蝕產(chǎn)物對應(yīng)的衍射峰如圖6(a)和圖6(b)所示。由圖6可知，1號腐蝕產(chǎn)物在2θ=31.20°和52.83°出現(xiàn)衍射峰與FeCO3（PDF#29-0696）的（1 0 4）和（1 1 6）晶面相關(guān)；腐蝕產(chǎn)物在2θ=37.39°出現(xiàn)衍射峰對應(yīng)Fe(OH)2（PDF#13-0089）的（1 0 1）晶面；腐蝕產(chǎn)物在2θ=47.10°出現(xiàn)衍射峰與FeS（PDF#49-1632）的（1 0 2）晶面有關(guān)。8號腐蝕產(chǎn)物也存在FeCO3的（1 0 4）晶面的衍射峰和FeS的（1 0 2）晶面衍射峰；與1號腐蝕產(chǎn)物相比，8號腐蝕產(chǎn)物在2θ=29.41°出現(xiàn)衍射峰，這是CaCO3（PDF#05-0586）的（1 0 4）晶面出峰。分析腐蝕產(chǎn)物膜的X射線衍射花樣可知，腐蝕產(chǎn)物膜成分復(fù)雜，由FeCO3、Fe(OH)2、FeS和CaCO3組成；其中，F(xiàn)eCO3的衍射峰有最大的強度，表面腐蝕產(chǎn)物膜主要是以FeCO3為主，這與EDS分析結(jié)果一致。

 

圖6 海上某油田失效管段不同位置腐蝕產(chǎn)物的X射線衍射花樣

(a) 1號腐蝕穿孔；(b) 8號腐蝕穿孔

 

3  失效原因分析

 

理化檢驗結(jié)果表明：失效管段的化學成分和力學性能不符合API Spec 5CT-2015和SY/T 6857.1-2012標準對L80-3Cr規(guī)定，通過對比標準發(fā)現(xiàn)，油管短節(jié)材質(zhì)屬于N80鋼，該N80油管短節(jié)管段與L80-3Cr油管主體材料相連接，N80油管短節(jié)可能由于自腐蝕電位更低從而發(fā)生電偶腐蝕，加劇N80油管短節(jié)的腐蝕穿孔，該井的油管短節(jié)材質(zhì)不符合要求是造成腐蝕穿孔的主要原因。

 

此外，分析了N80材質(zhì)的油管短節(jié)發(fā)生腐蝕失效的原因。該井屬于二氧化碳油氣井，硫化氫含量極低；鋼材發(fā)生CO2腐蝕主要特征就是出現(xiàn)局部點蝕輪癬狀腐蝕和臺地腐蝕，對比N80油管短節(jié)發(fā)生腐蝕后內(nèi)外壁宏觀形貌，結(jié)合腐蝕產(chǎn)物的EDS分析和XRD分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，N80油管短節(jié)主要是發(fā)生CO2腐蝕。CO2氣體本身不具有腐蝕性，溶于水生成H2CO3，電離生成H+、H2CO3和HCO3-等電化學活性物質(zhì)，從而產(chǎn)生較強的腐蝕性，相同pH值下，其腐蝕性甚至要強于鹽酸溶液。鋼管在高含CO2介質(zhì)中的腐蝕是非均質(zhì)過程，是因為表面發(fā)生一系列的電化學反應(yīng)，鋼管腐蝕主要包括H+等物質(zhì)的陰極反應(yīng)和鐵溶解發(fā)生的陽極反應(yīng)，主要反應(yīng)方程如下。

 

陰極反應(yīng)如下：

 

陽極反應(yīng)過程為：

 

在失效管段的下段位置，X射線衍射花樣出現(xiàn)Fe(OH)2晶體峰，這和陳長風提出的CO2腐蝕機理結(jié)果較為吻合，陳長風認為，在生成最終腐蝕產(chǎn)物膜FeCO3之前，首先會生成Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2在腐蝕介質(zhì)中進一步發(fā)生反應(yīng)生成FeCO3腐蝕產(chǎn)物，反應(yīng)方程式如下。

 

 

4  結(jié) 語

 

N80油管短節(jié)處腐蝕穿孔主要以管內(nèi)腐蝕為主，鉆進過程產(chǎn)生的井斜導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)在油管一側(cè)聚集，故腐蝕主要集中于油管一側(cè)。N80油管短節(jié)腐蝕產(chǎn)物主要是FeCO3，油管短節(jié)主要發(fā)生CO2腐蝕，生成的腐蝕產(chǎn)物膜疏松多孔，致密性差，對基體保護效果弱， 基體持續(xù)與腐蝕介質(zhì)接觸，造出油管穿孔失效。