某注水井油管穿孔失效原因分析

張繼剛， 陳欽偉， 劉洪文， 趙 飛， 楊 麗， 楊 陽

（1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452； 2. 中海石油（中國） 有限公司天津分公司， 天津 300452； 3. 中海油（天津） 管道工程技術(shù)有限公司， 天津 300452）

某注水井于2009 年11 月26 日啟泵投產(chǎn)，該井采用Y 型電泵分采管柱， 初期生產(chǎn)層位為NmⅠ2小層。 運行期間， 該井多次出現(xiàn)產(chǎn)液量下降與井底流壓降低現(xiàn)象。 2011 年5 月該井轉(zhuǎn)注后注水層位為NmⅠ2（1 791.4～1 797.1 m）、 NmⅠ3、 NmⅡ2（1 878.9～1 882.3 m）小層。 2013 年8 月， 關(guān)閉NmⅠ3、 NmⅡ2小層， 僅對NmⅠ2小層實施注水。2015 年和2018 年1 月吸水剖面結(jié)果均顯示，NmⅠ2 小層為主要吸水層， NmⅠ3 小層不吸水，NmⅡ2 小層有少量吸水。 2018 年5 月管柱穿孔后，配水層油管換成滲氮油管， 單注NmⅠ2小層。 2018年底， 示蹤劑分析結(jié)果顯示該井注入水推進不均勻。 2019 年4 月， 吸水剖面測試結(jié)果顯示 NmⅡ2小層仍有少量吸水， 占總注入量的10.95%。

2020 年12 月， 該井更換管柱， 在起出管柱過程中， 約1 878.22 m 處發(fā)現(xiàn)原井油管有一處穿孔， 漏點下方管柱充滿砂子， 堵塞管柱為穿孔油管下端直至管柱最底端位置 （約1 888.0～1 902.26 m）。 為尋找油管發(fā)生穿孔失效的原因，取回穿孔油管進行失效分析， 為預(yù)防后續(xù)管柱發(fā)生類似問題制定行之有效的預(yù)防或改進措施。

1 宏觀分析及測量

本次共取回油管3 根， 均為直徑88.9 mm EU 倒角N80 油管， 其中穿孔失效油管1 根， 位于井下深度1 878.22 m 處， 其余兩根油管均未發(fā)現(xiàn)穿孔失效但內(nèi)部充滿砂子， 位于井下管柱最底端1 902 m 處； 三根油管外觀整體呈黑色， 表面比較光滑， 且覆蓋一層薄的油污， 未見明顯腐蝕產(chǎn)物和結(jié)垢。

進一步對穿孔油管進行宏觀分析， 穿孔位置位于該油管中間部位， 如圖1 所示， 穿孔形狀呈現(xiàn)橢圓形（長約11 mm， 寬約6 mm）， 穿孔位置外壁一側(cè)存在凹坑， 腐蝕坑邊沿較光滑， 無明顯附著物， 存在局部沖刷特征[1-4]。 油管外壁還發(fā)現(xiàn)兩處光滑凹坑， 如圖2 所示， 均與穿孔位置距離較近， 此外， 油管其余位置未發(fā)生明顯損傷。

圖1 油管外壁穿孔位置宏觀形貌

圖2 油管外壁凹坑宏觀形貌

對油管進行縱向解剖， 觀測其內(nèi)部特征， 油管內(nèi)壁附著一層黑色油污， 穿孔及其周邊光滑平整， 除穿孔位置外， 管體內(nèi)壁未見明顯腐蝕[5-8]及局部變形特征。 圖3 為穿孔位置的內(nèi)壁形貌， 可以推斷穿孔是由外向內(nèi)形成的。

圖3 油管內(nèi)壁穿孔位置宏觀形貌

2 理化性能分析

2.1 化學(xué)成分

采用SPECTROLABLAVM11 直讀光譜儀對油管的化學(xué)成分進行分析， 檢測結(jié)果見表1。 由表1 可見， 油管穿孔部位、 遠離穿孔部位的化學(xué)成分均滿足API 5CT 標(biāo)準(zhǔn)對N80 油管的要求。

表1 油管化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.2 硬度

通過采用R574 洛氏硬度試驗機對油管進行硬度試驗， 檢測的位置如圖4 所示， 分別選取油管穿孔部位、 遠離穿孔部位， 試驗結(jié)果見表2。 由于在API 5CT 標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定N80 油管硬度值， 所以只需對兩個位置進行對比分析。 從表2數(shù)據(jù)可知， 兩位置的硬度值未發(fā)現(xiàn)明顯差異。

圖4 硬度檢測位置

表2 短節(jié)油管試樣洛氏硬度試驗結(jié)果

2.3 金相分析

采用ZEISS Observer A1m 金相倒置顯微鏡在油管穿孔部位、 遠離穿孔部位分別取樣進行金相分析， 金相檢驗結(jié)果見表3。 由于API 5CT 標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定N80 油管金相組織， 故只需對兩位置進行對比分析， 從表3 數(shù)據(jù)可知， 兩位置基體組織均為鐵素體+珠光體， 金相組織如圖5 所示， 均未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物， 兩者組織無差異。

表3 金相檢驗結(jié)果

圖5 油管不同部位金相組織分析結(jié)果

3 附著物分析

利用Search-Match 軟件并結(jié)合EDS 結(jié)果， 對附著物進行成分分析， 檢測數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)卡片對比如圖6 所示。 選取油管外壁附著物進行微區(qū)化學(xué)成分分析 （EDS）。 結(jié)果顯示， 附著物主要含有C、O、 Al、 Si 元素， 推測與油管外壁所處的環(huán)境有關(guān)， 其中Al、 Si 元素應(yīng)來源于地層油砂物質(zhì)。

圖6 XRD 檢測結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)卡片對比圖

對試樣采用石油醚、 酒精溶解除油， 過濾、干燥處理后進行XRD 測試， 掃描角度3°～80°， 采樣步寬0.02°， 波長1.540 56 nm。 根據(jù)XRD 分析圖譜， 附著物為SiO2、 Al2O3和CaAl2Si2O8·4H2O，均為地層中泥沙成分， 未發(fā)現(xiàn)金屬腐蝕產(chǎn)物成分。

4 微觀分析

對油管穿孔處進行清洗， 進一步開展微觀形貌分析。 圖7 為油管穿孔外壁邊沿EDS 分析結(jié)果。

圖7 油管穿孔外壁邊沿微觀形貌

在低倍形貌下觀察， 發(fā)現(xiàn)孔的外壁邊沿表面整體光滑 （圖7 （a））， 局部位置可見均勻腐蝕產(chǎn)物層脫落后形成的孔洞及凹坑 （圖7 （b）），高倍形貌腐蝕坑特征如圖7 （c）、 圖7 （d） 所示。 對比孔的外壁邊沿、 孔內(nèi)中部及孔內(nèi)底部的EDS 分析結(jié)果， 檢測點位如圖8 所示， 檢測結(jié)果見表4。 從表4 可以看出， 外壁邊沿含有少量Si 元素， 而孔內(nèi)中部及孔內(nèi)底部的Si 元素含量較高， 各位置腐蝕性介質(zhì)S 元素均較低，未發(fā)現(xiàn)Cl 元素。

圖8 EDS 檢測點位示意圖

表4 微區(qū)化學(xué)成分（EDS） 分析結(jié)果

5 失效原因分析

油管穿孔位置與遠離穿孔位置化學(xué)成分均滿足API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)， 且兩處位置的金相組織與硬度未見明顯異常， 排除管材局部缺陷所致。

油管穿孔外壁的附著物主要為SiO2、 Al2O3和CaAl2Si2O8·4H2O， 均為地層中泥沙成分， 未發(fā)現(xiàn)金屬腐蝕產(chǎn)物成分。 穿孔外壁表面整體光滑， 孔外壁邊沿含有少量Si 元素（約1.74%）， 孔內(nèi)中部及孔內(nèi)底部Si 元素含量較高（約6.85%）， 腐蝕性介質(zhì)S、 Cl 元素[9-12]較低， 故穿孔形成應(yīng)與地層出砂相關(guān)。

結(jié)合現(xiàn)場， 2011 年5 月該井轉(zhuǎn)注后注水層位為： NmⅠ2 （1 791.4～1 797.1 m）、 NmⅠ3、 NmⅡ2（1 878.9～1 882.3 m） 小層。 穿孔油管深度約為1 878.22 m， 正好位于NmⅡ小層最上面一根油管。 2013 年8 月， 關(guān)閉NmⅠ3、 NmⅡ2 小層， 僅對NmⅠ2 小層實施注水。 2015 年和2018 年1 月吸水剖面結(jié)果均顯示， NmⅠ2 小層為主要吸水層， NmⅠ3小層不吸水， NmⅡ2小層有少量吸水。 2018 年5 月管柱穿孔后， 配水層油管換成滲氮油管， 單注NmⅠ2小層。 2018 年底示蹤劑分析結(jié)果顯示， 該井注入水推進不均勻。2019 年4 月吸水剖面測試結(jié)果顯示， NmⅡ2 小層仍有少量吸水， 占總注入量的10.95%。

綜上， 自2013 年8 月以來， NmⅡ2 配水器一直處于關(guān)閉狀態(tài)， 但是一直以來該層都存在少量吸水， 推測有注入水從NmⅠ2 小層的吸水剖面串入NmⅡ2 小層的吸水剖面， 上層注水， 下方出砂。 結(jié)合穿孔處下方油管堵滿砂子以及孔周邊Si 含量高、 具有沖刷特征[13-15]等因素， 推測該油管是因串層導(dǎo)致地層出砂， 繼而高速沖刷油管外壁， 最終導(dǎo)致穿孔。

6 結(jié)論及建議

（1） 油管材質(zhì)的分析結(jié)果滿足API 5CT 標(biāo)準(zhǔn)對N80 油管的要求， 油管穿孔局部金相組織與硬度測試結(jié)果未見異常， 與遠離穿孔位置差異不明顯。

（2） 油管穿孔是由外向內(nèi)形成的， 主要是因串層導(dǎo)致地層出砂， 油管外壁局部存在含砂沖刷， 最終導(dǎo)致穿孔。

（3） 將不注水層位的套管換成不帶孔套管，隔離地層物質(zhì)對管柱的沖蝕。

（4） 在不改變當(dāng)前管柱結(jié)構(gòu)的情況下， 采用等壓同注的方式進行注水， 同時提高油管強度等級。