南海西部某油井7″套管腐蝕失效分析

方明新孫愛平申洪臣李 強廖 粵張家梅(.中海石油（中國）湛江分公司，廣東 湛江 54057 ；.中海石油能源發展股份有限公司采技服油田化學公司，廣東 湛江54057；）

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南海西部某油井7″套管腐蝕失效分析

方明新2孫愛平2申洪臣1李 強2廖 粵2張家梅2
(1.中海石油（中國）湛江分公司，廣東 湛江 524057 ；2.中海石油能源發展股份有限公司采技服油田化學公司，廣東 湛江524057；）

摘 要：南海西部某油田油井套管發生腐蝕穿孔。結合現場工況，通過多種試驗手段和模擬實驗，確定了7″套管腐蝕穿孔失效腐蝕的原因為內壁磨損和氧腐蝕共同作用下造成的，內壁磨損腐蝕為主因，氧腐蝕起到輔助作用。

關鍵詞：失效分析 油套管 氧腐蝕 腐蝕穿孔

0 概述

在2011年1月巡檢中發現南海西部某油井井口區有異常氣味，套管環空有可燃氣和H2S溢出，最高濃度60ppm和40ppm。2012年4月，在對該井進行換套管作業過程中發現原7"套管第1根套管頂部管已穿透，套管環空與環境連通，7"套管所處溫度、壓力均為環境溫度、壓力。該油井H2S檢測濃度為22000ppm。

1 試驗及結果

1.1 宏觀分析

送檢7"套管長度1.06m（圖1），從圖1可知，一端為外螺紋接頭，另一端為切割端，其宏觀腐蝕形貌，外壁覆蓋紅棕色疏松腐蝕產物。管體外壁穿透處附近可見針孔狀腐蝕坑，外壁表面整體較平整，穿透處對側外壁無明顯局部腐蝕痕跡。7"套管單側腐蝕穿透，兩個穿透區域軸向總長度約0.98m，均呈梭形，螺紋端的梭形區域長度約0.51m，最寬處約92mm，切割端梭形區域長度約0.47m，最寬處約66mm。切割端穿透處管壁邊緣鋒利，有多個外徑1～8mm的孔洞，孔洞處外壁平整，外螺紋接頭端穿透處管體邊緣呈鋸梳齒狀，均為內壁腐蝕所致。

圖1 7"套管宏觀形貌

將送檢7"套管沿軸向對剖成兩半，腐蝕穿透側為7"套管-1如圖2所示，另一側為7"套管-2如圖3所示。

圖2 7"套管-1內壁宏觀形貌

樣品內壁呈黑色和紅棕色，黑色區域腐蝕產物呈油泥狀，紅棕色區域為疏松腐蝕產物見圖2（a）。切割端穿透處內壁密布腐蝕坑，部分蝕坑穿透管壁形成孔洞見圖2（b）。樣品中部穿透處邊緣內壁凹凸不平，沿穿透處邊緣有成串腐蝕穿孔見圖2（c）。外螺紋端穿透處內壁密布腐蝕坑，邊緣呈梳齒狀，是由于內壁腐蝕后僅殘余下螺紋所致見圖2（d）。與管體穿透處周向呈90°的對剖切口邊緣處內壁同樣密布腐蝕坑，但腐蝕坑沿軸向分布見圖2（e）。

圖3 7"套管-2宏觀形貌

圖3為7"套管-2宏觀形貌，樣品內壁呈黑色和紅棕色，腐蝕產物極少。管體內壁密布外徑1～2mm的小腐蝕坑，部分腐蝕坑成串分布，腐蝕明顯較穿透處內壁腐蝕輕微。管體中部和外螺紋端內壁均可見平行于周向的多條磨蹭痕跡，磨蹭痕跡長度不等，但寬度基本在2～3mm范圍內。周向磨蹭痕跡形狀規則，應為工具在套管內做自轉運動造成的。

1.2 微觀分析

1.2.1 穿透處邊緣顯微形貌分析

在7"套管-1穿透處邊緣切取小塊樣品，用丙酮清洗烘干后，采用OLYMPUS體式顯微鏡對其進行觀察如圖4所示。

圖4 7"套管-1穿透處邊緣小塊樣品形貌

圖4可見小塊樣品內壁凹凸不平，腐蝕孔洞內壁口大外壁口小，外壁明顯較內壁腐蝕輕微，外壁表面整體較平整，但外壁仍可見外徑小于1mm的腐蝕坑。

1.2.2 掃描電子顯微分析及能譜分析

在7"套管-1穿透處邊緣切取10×15mm的塊狀樣品，用丙酮清洗烘干，在掃描電子顯微鏡下觀察。圖5為樣品顯微形貌和能譜區域，表1為能譜分析結果。

由圖5可見7"套管穿透處邊緣內壁表面凹凸不平，腐蝕穿孔處附著有疏松的腐蝕產物，部分腐蝕產物由于快要脫落而在掃描電子顯微照片中呈亮白色，將內壁腐蝕產物放大觀察，腐蝕產物呈多孔結構，外壁腐蝕產物較少，呈碎屑狀。

圖5 7"套管穿透處顯微形貌

表1 7"套管能譜分析結果（原子百分比atom%）

分別在內壁腐蝕穿孔處的腐蝕產物，穿孔旁內壁腐蝕產物和外壁處進行能譜分析，結果見表1。從表1可知內壁穿孔處（譜圖1）和其旁邊（譜圖2）的腐蝕產物成分相似，腐蝕產物由Fe、C、O、Na、Mg、Ca、S、Cl組成，以Fe、C、O為主。表1中外壁腐蝕產物（譜圖3）由Fe、C、O、Na、S、Cl組成，以Fe、C、O為主。Mg、Ca等元素可能來源為油田產出水。由此判斷，該油井內油套和套管可能均已穿透，這與巡檢時發現套管環空有可燃性氣體的情況是吻合的。

在7"套管斷口處切取2塊10×10mm的塊狀樣品，用膠木粉對其進行鑲嵌，并用砂紙研磨樣品橫截面，用丙酮清洗烘干后，在掃描電子顯微鏡下觀察。圖6為樣品橫截面顯微形貌和能譜區域，表2為能譜分析結果。

圖6 7"套管橫截面顯微形貌

表2 7"套管能譜分析結果（原子百分比atom%）

圖6為7"套管穿透處橫截面顯微形貌。斷口內壁和外壁均存在腐蝕。內壁腐蝕坑尺寸較大，外壁腐蝕坑為底大口小的葫蘆狀，腐蝕坑底部寬度0.51mm坑口最窄處寬度0.25mm腐蝕坑深度超過1mm。從表2中可知，分別在內壁（譜圖1和譜圖2）和外壁腐蝕坑內腐蝕產物（譜圖3）上和腐蝕坑底部緊貼金屬處（譜圖4）進行能譜分析。內壁坑內腐蝕產物較外壁坑內腐蝕產物多出Na、Mg、Ca元素，內壁腐蝕坑內緊貼金屬壁處無Na、Mg、Ca元素。外壁腐蝕產物主要由Fe、C、O、S、Cl組成，外壁腐蝕坑底緊貼金屬處Cl含量較高，Cl-會促進外壁局部腐蝕。

1.2.3 金相顯微分析

分別在7"套管-1穿透處和7"套管-2磨蹭痕跡處切取20×20mm塊狀樣品，對其橫截面進行研磨并拋光，用3%硝酸酒精浸蝕后，觀察其金相顯微組織。

7"套管-1穿透處，見圖7（a），7"套管-2磨蹭處，見圖7（b）（c）（d）（e），金相顯微組織均為網狀鐵素體+珠光體，組織均勻，晶粒度6.5級。管體穿透處橫截面內壁凹凸不平，外壁可見多個底大口小的腐蝕坑，但外壁輪廓仍是平直的。管體穿透處對側的內壁磨蹭處外壁表面平滑，無腐蝕坑，樣品內壁磨蹭痕跡處未見變形層，且邊緣呈圓角，該磨蹭痕跡表面已發生腐蝕。

圖7 7"套管-1橫截面金相顯微組織

1.3 腐蝕產物分析

分別在7"套管內壁和外壁刮取腐蝕產物，用丙酮清洗烘干后，將腐蝕產物研磨成粉末，過300目篩子后，對樣品進行XRD分析，結果見圖8、圖9和表3。

由XRD分析結果可知，7"套管內壁腐蝕產物成分為74%的Fe3O4，23%的FeO（OH）和1%的FeS，外壁腐蝕產物成分為67%的Fe3O4和32%的FeO（OH）和1%的FeS。7"套管內壁和外壁腐蝕產物主要為Fe的氧化物，少量的Fe的硫化物是受到井內泄漏的H2S氣體影響。7"套管腐蝕以O2腐蝕為主。

圖8 7"套管內壁腐蝕產物XRD分析結果

圖9 7"套管外壁腐蝕產物XRD分析結果

表3 7"套管腐蝕產物分析結果

2 分析與討論

該井7″套管頂部單側腐蝕穿透，穿透區域軸向長度約0.98m，穿透方向由內壁向外壁，穿透腐蝕嚴重，該處內壁密布腐蝕坑，穿透處對側內壁可見沿周向的多條平行的磨蹭痕。該油井內含有22000ppm的H2S，由于油套管均已蝕穿，且現場在套管環空檢測到可燃氣體，在井口檢測到H2S，說明7″套管有一段時間是與井內腐蝕性氣體H2S接觸的，同時，套管均已蝕穿，套管環空內液體為海水，環空與大氣連通，該處溫度和壓力均與環境相同。

宏觀分析和微觀分析均表明穿透處的破壞由內壁向外壁。能譜分析和XRD分析結果表明，腐蝕產物以Fe的氧化物為主并含有少量Fe的硫化物，套管內壁以氧腐蝕為主。

井下管線發生腐蝕通常是由于管線處于腐蝕環境中，如井下濕環境及腐蝕性氣體，但是，由于管內周向環境基本相同，極少發生管體單側腐蝕現象。針對A2井7″套管內壁發生單側腐蝕的情況，進行分析。

在鉆井過程中，下入套管后繼續進行鉆井作業，鉆柱與套管間有可能發生偏磨，造成套管損傷。在修井過程中，工具串進出井內，也有可能與套管發生摩層，造成套管內壁損傷。

A2井7″套管穿透側對面一側內壁可見平行于周向的多處條狀磨蹭痕跡，且造成該磨蹭痕跡后套管又受到了一段時間的腐蝕。套管穿透側內壁局部減薄，穿透處邊緣極薄。

圖10為某次鉆桿與套管磨損試驗樣品，試樣1發生單側磨損，磨損處內壁局部減薄，且邊緣鋒利，試樣2內壁多處發生磨損，磨損均呈一側內壁損傷嚴重，對側損傷較輕的狀態，說明磨損過程中，套管發生偏磨，一側磨損極為嚴重，對側可能只留下較輕微的磨蹭痕跡。

圖10 鉆桿與套管磨損試驗樣品

該井7″套管損傷形貌與磨損試驗樣品損傷形貌相像，一側內壁局部損傷，邊緣鋒利，損傷對側可觀察到磨蹭痕跡。當套管內壁發生磨蹭損傷時，其表面不平整，且有可能形成變形層或硬化層，這些因素均會加速該處腐蝕。

圖11是在該井采油樹上拍攝的腐蝕形貌，在腐蝕區域邊緣存在一條深深的“斷層”，這是明顯的磨損痕跡，另外，“斷層”至對稱位置以內，腐蝕減薄明顯厲害，其它位置減薄較少，這一區域很規則，只有磨損最有可能產生此種腐蝕形貌。

圖11 該井采油樹7″套管腐蝕痕跡

結合前面的分析，該井套管在腐蝕前發生偏磨損傷的可能性較大，不僅鉆柱可能造成套管損傷，井下工具串在下入或旋轉上提過程中也有可能損傷套管內壁。

3 結論

經過以上試驗和分析，該井7″套管腐蝕穿孔失效分析結論如下：

（1）7″套管腐蝕穿孔失效是從套管內壁開始，然后往外腐蝕造成穿孔，腐蝕的原因為內壁磨損和氧腐蝕共同作用下造成的，內壁磨損腐蝕為主因，氧腐蝕起到輔助作用，其中磨損腐蝕可能是由作業過程中鉆柱、井下工具串或其它作業工具在旋轉、下井或上提等作業時造成的；

（2）從該油田其它油井調研了解到，其它油井7″套管相應位置都不存在該井的腐蝕問題，結合腐蝕原因可知，該井7″套管腐蝕失效為特例，同時鑒于發生了此種腐蝕問題，說明類似的腐蝕可能還會存在，因此，現場作業時，應該嚴格按照操作規章作業，盡量避免出現類似的腐蝕問題。

中圖分類號：TE985

文獻標識碼：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.072.06

作者簡介：方明新（1978-），男，廣東惠陽人，大學本科，工程師，從事研究方向為油田化學。

Failure Analysis of Casing Pipe of The Oil Well at Oil Platform

FANG Ming-xin2, SUN Ai-ping2, SHEN Hong-chen1, LI Qiang2, LIAO yue2, ZHANG Jia-mei2
(1.CNOOC Zhanjiang Co., Zhanjiang 524057, China; 2.CNOOC-ETS-Oilfield Technology Services Co., Zhanjiang 524057,China)

Abstract：A west of the south China sea oil field was found oil well casing pipe corrosion perforated.Through a variety of test methods and model experiment, meanwhile, according to the field conditions, determine the reason of 7"oil well casing pipe corrosion perforated was caused by the lining wear and oxygen corrosion of which under the common action, the lining wear it's the major cause, oxygen corrosion was the supporting role.

Keywords:failure analysis; oil well casing pipe; the oxygen corrosion; corrosion perforated