某油井P110油管腐蚀穿孔原因

2020-03-04赵海洋1帆1晟1郭玉洁1彭政德曾德智

机械工程材料 2020年2期

赵海洋1，叶帆1，汤晟1，郭玉洁1，彭政德，曾德智

(1.中石化西北油田分公司工程技术研究院，乌鲁木齐 830011； 2.西南石油大学，油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500)

0 引言

油管是钻井后采油采气用管柱通道。在油气田井下油气采出作业过程中，井下油管服役环境复杂[1-3]，不仅承受高温高压作用，还受到井下地层产出水、CO2和H2S等介质的腐蚀作用，这些因素会导致油管腐蚀甚至穿孔，严重影响油气井正常生产作业，造成重大经济损失[4-5]。

西部油田某裸眼井于2003年9月15日开钻，2004年2月2日完钻。截至2016年9月28日，该井日均产油21.4 t，日均产液24.7 t，平均含水率(质量分数)为13.36%。地层水为CaCl2型，pH为6.7左右，不含氧。该井产油带气，气中含有H2S与CO2，CO2含量较为稳定，体积分数约为4.15%；H2S含量在后期有所增加，最高可达5 450.51 mg·m-3。该井于2017年10月12日修井作业时发现封隔器失封，全井管柱内外壁均发生严重腐蚀，且内壁结垢严重。油管腐蚀情况由上至下加剧，井下2 000 m以上油管腐蚀较轻，仅有腐蚀坑，坑深最大为2 mm；井下4 000 m左右油管腐蚀穿孔严重，孔洞大小超过10 cm。该油管材料为P110钢，原始规格为外径88.9 mm，内径76.0 mm，壁厚6.45 mm，服役温度在120 ℃左右，设计工作寿命为20 a以上，实际工作年限仅为13 a。为查明其腐蚀穿孔原因，作者对深度5 454 m处腐蚀情况最为严重的油管段进行了失效分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

由图1可知，送检失效油管发生了大面积腐蚀穿孔，管壁减薄严重，油管外表面堆积有大量腐蚀产物，由于管柱暴露于空气中时间较长，还可观察到明显的氧化痕迹。

图1 井下5 454 m处油管腐蚀穿孔宏观形貌Fig.1 Macromorphology of corrosion and perforation of tubing at 5 454 m underground

1.2 化学成分

在失效油管母材上采集金属粉末，按照ASTM A751-2008进行化学成分分析。由表1可见，该失效油管各元素含量均符合API SPEC 5CT-2011标准对P110钢的技术要求。

表1 井下5 454 m处失效油管的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of failed tubing at 5 454 m underground (mass) %

图2 井下5 454 m处失效油管的显微组织Fig.2 Microstructure of failed tubing at 5 454 m underground: (a) cross section and (b) longitudinal section

1.3 显微组织

在失效油管母材上截取试样，经360#～1200#砂纸依次打磨并抛光后，根据GB/T 13298-2015,选用体积分数为4%的硝酸酒精溶液进行浸蚀，然后用蒸馏水冲洗、酒精脱水、冷风吹干，采用蔡司Axio Imager A2m型光学显微镜观察显微组织。由图2可知，失效油管的显微组织为铁素体+渗碳体，属于P110钢常见的组织形态，符合标准API SPEC 5CT-2011的要求。

1.4 硬度

根据ISO 11960：2011，在送检油管未穿孔部位取环形试样，采用200HRS-150型洛氏硬度计在试样截面上进行环向硬度测试，测试点编号为A～H，载荷1 470 N，保载时间5 s，每个点测3次取平均值。由表2可知，失效油管的硬度为24.5～32.9 HRC，低于国内外钢铁企业所生产P110钢的硬度上限(37 HRC)，符合规定。

表2 失效油管的硬度测试结果Table 2 Hardness test results of failed tubing HRC

1.5 力学性能

按照GB/T 228.1-2010，在失效油管上截取3个平行拉伸试样，试样形状及尺寸见图3。利用MTS 810型材料试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为5 mm·min-1。按照GB/T 229-2007，截取尺寸为55 mm×10 mm×2.4 mm的冲击试样，开V型缺口，角度45°，宽度10 mm，采用JB-300B型冲击韧度试验机进行室温冲击试验，冲击速度为5.24 m·s-1。由表3可知，失效油管材料的力学性能测试结果符合API SPEC 5CT-2011的要求。

图3 拉伸试样形状与尺寸Fig.3 Shape and dimension of tensile specimen

表3 失效油管力学性能测试结果Table 3 Mechanical property test results of failed tubing

1.6 腐蚀产物形貌及种类

由图4可见，失效油管内、外壁均存在腐蚀坑，坑内有大量黑色物质。利用FEI Quanta450型扫描电子显微镜(SEM)对失效油管内、外壁的腐蚀坑进行微观形貌观察。由图5可见：外壁腐蚀坑内的腐蚀产物疏松、多孔，呈蜂窝状；而内壁腐蚀坑内的腐蚀产物较为致密，表面分布着尺寸较大(最大为38 μm×44 μm)的晶体颗粒。

图4 失效油管严重腐蚀部位的宏观形貌Fig.4 Macromorphology of the severely corroded part of failed tubing

图5 失效油管内外壁腐蚀产物的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of corrosion products on outer wall (a) and inner wall (b)of failed tubing

利用FEI Quanta450型SEM附带的能谱仪(EDS)对图5中A，B区域进行成分分析。由表4可知，外壁(A区域)和内壁(B区域)腐蚀产物均含有氯元素，且外壁腐蚀产物的氯元素含量远高于内壁的。利用X′Pert MPD PRO型X射线衍射仪(XRD)对油管内外壁腐蚀产物进行物相分析。由图6可知，内、外壁腐蚀产物均含有FeCO3和FeS，内壁腐蚀产物还存在CaCO3，与B区域相对A区域钙元素增加相符。这说明该油管外壁的腐蚀主要是由于油套环空中存在强腐蚀性介质Cl-、CO2和H2S[6]，内壁的腐蚀除了受到酸性介质的影响外，还受到CaCO3结垢物的影响。

表4 失效油管外壁和内壁腐蚀产物的EDS分析结果(质量分数)Table 4 EDS analysis results of corrosion products on outer-wall and inner-wall of failed tubing (mass) %

图6 失效油管外壁和内壁腐蚀产物的XRD谱Fig.6 XRD patterns of corrosion products on outer- wall (a) and inner-wall (b) of failed tubing

由于外壁腐蚀程度更严重，故对外壁腐蚀坑截面进行EDS线扫描分析，以检测腐蚀坑内不同区域(坑底、中部位置、开口区域)各元素含量。由图7可知，腐蚀坑开口区域的硫、氧元素含量较其他区域的更高，腐蚀坑内氯含量整体较高，说明油井地层水中的Cl-在腐蚀坑周围聚集，促进了油管的腐蚀[7]。

图7 失效油管外壁腐蚀坑截面EDS线扫描结果Fig.7 EDS line scanning results of corrosion pit section on outer-wall of failed tubing

2 腐蚀穿孔原因分析

该失效油管的化学成分、硬度、显微组织、拉伸及冲击性能等均符合标准要求，说明油管腐蚀穿孔失效不是由材料缺陷导致的。

该送检油管的服役位置为井下5 454 m处，地层水偏酸性且不含氧，油气中含有的CO2与H2S易溶于水而形成酸性水溶液[8]，这为氢去极化反应提供了条件。同时，失效油管服役温度为100～130 ℃，该温度范围为在Cl-、H2S、CO2酸性工况下碳钢的腐蚀敏感温度区，因此油管用P110钢易发生均匀腐蚀和局部腐蚀[9-10]。

该失效油管内、外壁腐蚀产物主要为FeCO3和FeS，说明在腐蚀初期，油管材料发生了析氢腐蚀，腐蚀过程反应为

(1)

(2)

氢离子是强去极化剂，易夺取电子发生还原反应，促进阳极铁溶解而导致均匀腐蚀[11]。虽然腐蚀反应生成的FeCO3膜覆盖在金属基体表面，能起到一定保护作用，但其覆盖不均匀，反而会形成有较强催化作用的腐蚀微电池，加剧点蚀坑的形成[12]。另外，地层水中含有大量Cl-，该离子会阻止金属基体表面形成钝化膜或破坏钝化膜，从而促进局部腐蚀[13]。Cl-可以穿过FeCO3膜，基于电价平衡吸附到金属基体上并聚集在阳极溶解区，与Fe2+发生水合作用生成FeCl2；而FeCl2又会水解生成H+，降低水的pH，进一步加剧点蚀部位的腐蚀，最终导致油管局部腐蚀穿孔[14]。

CaCO3结垢是油气井生产过程中常见的结垢物，存在以下平衡关系：

(3)

在地层流体(油、水、气)流向井筒上升至地面的过程中，井筒内部压力逐渐降低，CO2分压下降，反应平衡向左偏移，导致输油管内壁产生难溶于水的CaCO3结垢[15]。CaCO3结垢在油管钢基体表面的分布不均匀，垢下易形成闭塞的空间，其中的酸性液体与外界交换困难，而与钢基体形成微电偶腐蚀电池产生Fe2+。随着Fe2+的不断积累，垢下与垢外溶液形成浓度差，垢外的Cl-容易通过CaCO3结垢层而在其下油管钢基体表面发生富集，从而加速垢下点蚀，甚至导致油管局部穿孔[16]。