某油田注水井油管腐蝕失效分析

杜曉杰，楊陽(yáng)，楊中娜，馮電穩(wěn)，賈逸群

（1.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452；2.天津北海油人力資源咨詢(xún)服務(wù)有限公司，天津 300452）

某油田注水井一批油管于2012年7月服役，2020年7月發(fā)現(xiàn)管柱漏失，起出管柱，發(fā)現(xiàn)108 m處油管本體有腐蝕坑，深度位于1 262 m（1#油管）、1 430 m（2#油管）的2根3-1/2”N80油管發(fā)生腐蝕穿孔失效。1#油管位于zone4配水器上部，與配水器之間相隔兩根短節(jié)；2#油管位于zone1配水器下面第一根油管，穿孔油管位于注水量較大的zone4和 zone1的配水器附近。

該注水井注水方式為分層注水，完井方式為套管射孔+防砂篩管+分層配注管柱，分4段注水。該注水井補(bǔ)心海拔47.16 m，最大井斜29.17°@727m，最大狗腿度4.73°@328m。從服役初期至油管失效，酸化作業(yè)共計(jì)19次。該井目前注水量為608 m3·d-1，該井目標(biāo)注入量為700 m3·d-1，井口注入壓力為8.4 MPa，最大井口注入壓力為8.4 MPa。目前瞬時(shí)注采比1.04，累計(jì)注采比0.91。

采用宏觀(guān)分析方法分析腐蝕穿孔情況及內(nèi)外壁形貌，對(duì)油管的材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析、洛氏硬度分析、金相檢驗(yàn)、能譜儀分析、X射線(xiàn)衍射（XRD）分析等綜合分析，以便查明失效原因，防止類(lèi)似問(wèn)題再次出現(xiàn)。

1 宏觀(guān)分析

采用肉眼觀(guān)察油管內(nèi)外壁的穿孔及腐蝕情況，用游標(biāo)卡尺測(cè)量穿孔部位的孔徑大小，并用相機(jī)記錄所觀(guān)察到的現(xiàn)象。1#、2#油管外壁整體呈棕黃色，附著少量黑色污垢，見(jiàn)圖1，可見(jiàn)兩根油管外壁均存在一定程度均勻腐蝕。

圖1 某注水井1#、2#油管

1#油管局部位置有少量較薄的垢層，垢下存在腐蝕坑，外壁可見(jiàn)溝槽狀腐蝕坑，腐蝕孔呈圓形，直徑約2 cm，見(jiàn)圖2。將油管剖開(kāi)，可見(jiàn)內(nèi)壁存在黃褐色均勻腐蝕產(chǎn)物，見(jiàn)圖3，未見(jiàn)明顯局部腐蝕，由此可知1#油管是外腐蝕導(dǎo)致的穿孔。

圖3 1#油管內(nèi)壁形貌

2#油管外壁大部分區(qū)域結(jié)垢嚴(yán)重，且存在片狀黃色腐蝕產(chǎn)物或垢附著管壁，見(jiàn)圖4。2#油管內(nèi)壁附著較厚的垢，存在垢下腐蝕特征，見(jiàn)圖5。部分腐蝕坑呈同心圓狀，坑內(nèi)有黑色油泥狀物質(zhì)。

圖4 2#油管外壁形貌

圖5 2#油管內(nèi)壁和橫截面形貌

2 材質(zhì)分析

從油管管體上截取20 mm×20 mm×5 mm的方形試樣，采用SPECTROLABLAVM11直讀光譜儀對(duì)油管的化學(xué)成分進(jìn)行分析，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A751-14a，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果結(jié)合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)對(duì)N80油管的技術(shù)要求，判斷材質(zhì)合格性。采用R574洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)對(duì)油管環(huán)形試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E18-19，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果結(jié)合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)，判斷油管的硬度是否滿(mǎn)足要求。

表1是2#油管的化學(xué)成分分析結(jié)果。從表1中可以看出，P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.007 6%，S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004 6%，低于API 5CT中對(duì)N80油管相應(yīng)化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的要求，表明該油管的化學(xué)成分滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。

表1 油管化學(xué)成分分析結(jié)果 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

圖6是2#油管中洛氏硬度的檢測(cè)位置圖，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。平均洛氏硬度為17.6，API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中對(duì) N80鋼的硬度值無(wú)要求，相比于L80 的硬度要求（的硬度要求（≤23 HRC），該油管硬度值較高），該油管硬度值較高,滿(mǎn)足API 5CT中對(duì)N80油管的硬度要求。

圖6 硬度試樣測(cè)試位置

表2 油管試樣洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 HRC

3 金相分析

采用ZEISS Observer A1m金相倒置顯微鏡對(duì)2#油管管體取樣進(jìn)行金相分析，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13298—2015、ASTM E45-18。金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，可見(jiàn)2#油管基體組織為鐵素體+珠光體，見(jiàn)圖7，未發(fā)現(xiàn)帶狀組織。2#油管中少量的非金屬夾雜物（D類(lèi)）的存在降低金屬表面狀態(tài)的均勻性，非金屬夾雜物與基體的電極電位不同，形成微電池。當(dāng)微電池遇到腐蝕性的物質(zhì)，就會(huì)形成電化學(xué)腐蝕，破壞材料結(jié)構(gòu)[1]。

表3 金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖7 2#油管金相分析結(jié)果

4 腐蝕產(chǎn)物分析

從油管內(nèi)外壁分別取少量的腐蝕產(chǎn)物，采用牛津能譜儀（EDS）分析腐蝕產(chǎn)物和垢層的化學(xué)成分。將所取的腐蝕產(chǎn)物依次用石油醚、無(wú)水乙醇清洗，低溫烘干并研磨成顆粒均勻的粉末，用XRD進(jìn)行分析，掃描角度2θ為3°～80°，采樣步寬為0.02，波長(zhǎng)λ=1.540 56 nm。利用Search-Match軟件并結(jié)合EDS的結(jié)果，對(duì)幾組腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析。所取腐蝕產(chǎn)物信息詳見(jiàn)表4。

表4 腐蝕產(chǎn)物取樣信息

采用牛津能譜儀對(duì)1#管段和2#管段內(nèi)外壁不同取樣點(diǎn)的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

表5 1#管段內(nèi)外壁微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果

表6 2#管段內(nèi)外壁微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果

采用XRD技術(shù)對(duì)6個(gè)試樣進(jìn)行分析，不同試樣對(duì)應(yīng)的XRD結(jié)果見(jiàn)圖8至圖13。

圖8 ①號(hào)試樣X(jué)RD結(jié)果

圖9 ②號(hào)試樣X(jué)RD結(jié)果

圖10 ③號(hào)試樣X(jué)RD結(jié)果

圖11 ④號(hào)試樣X(jué)RD結(jié)果

圖12 ⑤號(hào)試樣X(jué)RD結(jié)果

綜合XRD及牛津能譜儀的分析結(jié)果可以得出，1#油管外壁腐蝕產(chǎn)物或垢樣的主要成分是鐵硫化合物及FeCO3；2#油管的內(nèi)壁附著物主要為鈣硅類(lèi)的復(fù)合物、FeCO3、鐵硫化物。FeCO3應(yīng)與介質(zhì)環(huán)境中CO2腐蝕及HCO3-有關(guān)，鐵硫化物應(yīng)與細(xì)菌腐蝕或H2S腐蝕有關(guān)，鈣硅類(lèi)復(fù)合物主要為地層物質(zhì)。

從現(xiàn)場(chǎng)了解到，單井產(chǎn)液中含有一定的CO2和H2S。CO2在水中的高溶解性，導(dǎo)致形成H2CO3，碳酸的水解就釋放出氫離子，氫離子的強(qiáng)去極化性加速陽(yáng)極鐵溶解，從而導(dǎo)致金屬腐蝕，反應(yīng)產(chǎn)物即為FeCO3[2-3]。

H2S溶解于水中，電離形成強(qiáng)的去極化劑H+，發(fā)生陰極析氫反應(yīng)，從而形成鐵的硫化物。

5 失效原因分析

1）根據(jù)理化分析結(jié)果可知，油管的化學(xué)成分滿(mǎn)足API 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求，油管的金相組織為鐵素體+珠光體，少量的無(wú)非金屬夾雜物，未發(fā)現(xiàn)帶狀組織。

2）1#油管穿孔為外腐蝕所致，位于Zone4管柱底部，屬于油、套環(huán)空的底部，雜質(zhì)和固體顆粒容易沉淀附著于油管外壁，且一直處于注水工況，介質(zhì)的流動(dòng)會(huì)加速腐蝕，引起管壁減薄，注入水會(huì)溶解二氧化碳，且產(chǎn)液中含有一定的硫化氫，受注入水中的腐蝕性介質(zhì)及酸化液的共同作用，腐蝕不斷加劇，進(jìn)而導(dǎo)致穿孔。

3）2#油管屬于Zone1管柱最底端封閉，為典型的管柱底部滯留區(qū)，此處介質(zhì)流速低，越往下液體置換越慢，容易滯留固體顆粒或懸浮物等，細(xì)菌產(chǎn)生的黏液會(huì)使細(xì)菌群落在此聚集進(jìn)而發(fā)生細(xì)菌及沉積物腐蝕，且油井管多次進(jìn)行酸化處理，酸化殘留液對(duì)腐蝕也起到加速作用。

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

1）油管化學(xué)成分滿(mǎn)足API 5L標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）Zone4管柱底部油管穿孔為外壁腐蝕所致，受注入水中的腐蝕性介質(zhì)及酸化液的共同作用，腐蝕不斷加劇，進(jìn)而導(dǎo)致穿孔。

3）Zone1管柱最底端油管穿孔為內(nèi)腐蝕導(dǎo)致，主要為沉積物下腐蝕，另外殘酸腐蝕、介質(zhì)沖刷起到加速作用。

6.2 建議

1）應(yīng)定期向注水系統(tǒng)投加殺菌劑，為應(yīng)對(duì)有害細(xì)菌對(duì)殺菌劑的適應(yīng)性，可以考慮間歇性加注兩種殺菌劑，還應(yīng)考慮管柱特殊區(qū)域藥劑被介質(zhì)中各種懸浮物、沉淀物等吸附的可能性。

2）向注水系統(tǒng)加注經(jīng)評(píng)價(jià)過(guò)的防垢劑，并定期對(duì)藥劑進(jìn)行優(yōu)化。

3）避免在油、套管環(huán)空底部形成區(qū)域沉積物，并加強(qiáng)注入水質(zhì)的腐蝕性介質(zhì)監(jiān)測(cè)，降低后續(xù)腐蝕速率。

4）建議在管柱底部區(qū)域選用耐蝕合金鋼以提高油管的防腐性能。

5）建議酸化過(guò)程中加注經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)的緩蝕劑，并持續(xù)加注。