N80油井管腐蝕穿孔原因分析

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(渤海石油裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司， 天津 300280)

該油田油井井深2 028 m，采用電泵采油作業(yè)。采用的2-7/8平式N80油井管，正常工作產(chǎn)液量97.8 m3/d，產(chǎn)油量4.4 t/d，含水95.8%，油井動(dòng)液面1 500 m，油壓0.65 MPa。該井運(yùn)行3個(gè)月后，井下第153支油井管發(fā)生腐蝕穿孔，距接箍端3 m處油井管本體有一個(gè)尺寸約3 mm的小孔。

通過綜合分析來判油井管的腐蝕機(jī)理，以便采用有效措施抑制腐蝕的發(fā)生。

1 試樣的綜合分析

1.1 宏觀形貌分析

油井管規(guī)格為φ73.02 mm×5.51 mm N801鋼級(jí)，油井管腐蝕穿孔形貌見圖1。穿孔尺寸3.0 mm×2.0 mm，該油井管外壁其他部分均未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡，孔洞周圍的管壁壁厚由內(nèi)向外逐漸減薄，說明腐蝕優(yōu)先從油井管內(nèi)壁開始，由內(nèi)向外腐蝕，直至穿孔。

圖1 油井管腐蝕穿孔的宏觀形貌

清洗干凈油井管內(nèi)壁形貌如圖2所示。油井管內(nèi)壁存在明顯的腐蝕坑，點(diǎn)蝕坑最大深度2.5 mm。

圖2 清洗后的油井管內(nèi)壁腐蝕形貌

1.2 力學(xué)性能

對(duì)事故油井管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率均滿足API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，性能合格。

表1 油井管的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3 金相組織

從油井管上切取金相試樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行顯微組織和晶粒度分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3看出，基體組織為珠光體和鐵素體，晶粒度為9.5級(jí)，組織細(xì)小，均勻，性能符合要求。

圖3 油井管基體的金相組織和晶粒度

1.4 相結(jié)構(gòu)分析

用刀片將油井管內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物刮下，用研缽把腐蝕產(chǎn)物制成微細(xì)粉末，然后放入烘箱中去除水分，衍射圖譜如圖4所示。內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的主要物相為FeCO3，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)eS2和Fe7S8。

圖4 油井管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物XRD衍射圖譜

1.5 橫截面形貌和成分分析

油井管腐蝕穿孔部位的橫截面形貌和銹層成分分析如圖5所示。腐蝕產(chǎn)物銹層較薄，與基體結(jié)合緊密，微區(qū)成分分析表明腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe,C，O和少量的S元素，而正常油井管基體的橫截面形貌和銹層成分分析如圖6所示。腐蝕產(chǎn)物銹層較厚，與基體結(jié)合緊密，微區(qū)成分分析表明腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe,O和C元素，未發(fā)現(xiàn)S元素存在于油井管內(nèi)壁銹層中。由于S元素僅存在于油井管腐蝕穿孔部位的銹層中，這說明井液中硫化物分解產(chǎn)生的S2-參與了油井管腐蝕穿孔的失效過程。

圖5 腐蝕穿孔部位橫截面形貌和銹層成分

圖6 正常油井管橫截面形貌和銹層成分

2 腐蝕機(jī)理

從圖2中可以看出，穿孔油井管內(nèi)壁存在臺(tái)地狀形貌、癬狀形貌，腐蝕深度約2 mm，直徑約5 mm，并且沿著油井管長(zhǎng)度方向存在一定量的點(diǎn)蝕坑，最大深度2.5 mm，此為CO2腐蝕的典型特征。另外，結(jié)合前面的腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果，也進(jìn)一步證明油井管內(nèi)壁發(fā)生了CO2腐蝕。

一般情況下，CO2溶解于水中生成H2CO3，H2CO3為二元酸，在相同pH值的情況下，在H2CO3中鋼鐵的腐蝕比鹽酸中更為嚴(yán)重，該腐蝕過程包括：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

總的腐蝕反應(yīng)為：

(7)

CO2會(huì)在油井管內(nèi)壁腐蝕形成一層FeCO3膜，對(duì)基體具有一定的保護(hù)作用。但是這層膜具有陰離子選擇性特征，井液中的S2-會(huì)穿過FeCO3腐蝕產(chǎn)物膜與Fe及Fe2+反應(yīng)生FeS2和Fe7S8，填充在腐蝕產(chǎn)物膜的微觀通道中，使離子傳質(zhì)過程受到阻礙，形成閉塞電池反應(yīng)，在酸性井液條件下，該腐蝕過程包括：

(8)

(9)

在閉塞性的腐蝕孔內(nèi)，點(diǎn)蝕的發(fā)展是一個(gè)自催化過程，溶解的金屬鐵離子濃度增加，為保持電荷平衡，S2-不斷進(jìn)入腐蝕孔，鐵的硫化物水解產(chǎn)生的氫離子，在腐蝕孔內(nèi)形成酸化環(huán)境，進(jìn)一步加速鐵的溶解，使腐蝕孔內(nèi)壁處于活化狀態(tài)。

另外，介質(zhì)流動(dòng)的切向力會(huì)阻礙腐蝕產(chǎn)物膜的形成或?qū)σ研纬傻谋Ｗo(hù)膜有破壞作用，將生成的少量松軟且不致密的保護(hù)膜沖刷掉。在腐蝕產(chǎn)物膜脫落的部位，井液中S2-和水解產(chǎn)生HS-會(huì)吸附在其表面上，反應(yīng)生成鐵的硫化物，而鐵的硫化物是陰極，可與油井管基體形成電偶腐蝕，其電位差為0.2～0.4 V，這種強(qiáng)電偶腐蝕加劇油井管內(nèi)壁形成癬狀的腐蝕坑，導(dǎo)致局部腐蝕穿孔。

3 結(jié)論及建議

(1)油井管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率滿足API有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，基體的金相組織為鐵素體和珠光體，晶粒度9.5級(jí)，性能合格；標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于N80鋼級(jí)的油井管沒有抗腐蝕要求。

(2)從內(nèi)壁腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物分析得知油井管發(fā)生的是CO2腐蝕。在閉塞電池反應(yīng)和電偶腐蝕作用下，油井管內(nèi)壁形成了癬狀腐蝕形貌和較大的腐蝕坑，最大深度2.5 mm，在低pH值的情況下，井液中硫化物分解產(chǎn)生的S2-和HS-參與油井管腐蝕穿孔失效過程。

(3)油井管內(nèi)壁的腐蝕坑沿著軸向排列，形成一條腐蝕帶，這是油井管存在傾斜角度、腐蝕產(chǎn)物沉積在油井管底部造成的。

(4)建議在含有腐蝕介質(zhì)的油井中使用內(nèi)涂層油井管或內(nèi)襯油井管，以延長(zhǎng)作業(yè)周期。