某注水井篩管腐蝕斷裂失效分析

馮電穩(wěn),談 濤,楊中娜,楊 陽,徐志剛

(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服務(wù)有限公司,天津 300452)

砂巖油藏分布范圍廣,油井出砂是油氣開采中的普遍現(xiàn)象,在油田開發(fā)過程中,為保持井壁穩(wěn)定和正常開展注水作業(yè),需要采取防砂措施,目前應(yīng)用最廣泛的是機械篩管防砂方式[1-3]。隨著油井注水開發(fā)的進(jìn)行,儲層巖石顆粒會在井下聚集,對篩管形成一定程度的堵塞,并在篩管結(jié)垢,在部分位置產(chǎn)生腐蝕,進(jìn)而引起篩管的腐蝕斷裂失效,嚴(yán)重影響油田的增產(chǎn)提效及安全生產(chǎn)[4-8]。

1 篩管腐蝕斷裂失效情況

某油田注水井于2009年6月開始投注,完井方式為套管射孔,完井層段為L40—L100,完井層位滲透率為171～1 796 md,孔隙度為19.8%～27.3%。管柱分五段注水,初期注入壓力為1.41 MPa,注入量為825 m3/d。

2010年1月采用生產(chǎn)測井儀(Production Logging Tool,簡稱PLT)對油井進(jìn)行測試,結(jié)果顯示,主力層L100吸水量較低,PLT測試工具在井深1 404 m處遇阻。2010年3月實施清砂和過油管射孔作業(yè),清砂至1 437 m深時,過油管射孔井段深度為1 422.6～1 428.6 m,射孔作業(yè)后注水量從1 272 m3/d上升至 1 749 m3/d;2012年5月至2019年10月進(jìn)行多次分層酸化作業(yè),酸化初期酸化效果明顯,但后期由于酸的注入量減少,酸化效果變差。2020年12月進(jìn)行修井作業(yè),發(fā)現(xiàn)油井管柱的篩管外壁結(jié)垢,其盲管腐蝕嚴(yán)重,并存在斷裂脫落現(xiàn)象,現(xiàn)場篩管腐蝕情況見圖1。篩管基管材質(zhì)為L80鋼,篩網(wǎng)材質(zhì)為316L不銹鋼。

圖1 現(xiàn)場篩管腐蝕情況

為了查明篩管發(fā)生腐蝕斷裂的原因及制定有效的預(yù)防措施,采用照相機、掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射儀、直讀光譜儀、洛氏硬度計和金相顯微鏡等儀器設(shè)備,對發(fā)生腐蝕斷裂的篩管進(jìn)行宏觀形貌觀察、材質(zhì)檢測、硬度檢測、金相組織檢測和微觀形貌分析,并對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌分析

從現(xiàn)場共取回3根篩管,其中1根發(fā)生斷裂(標(biāo)記為1號),1根發(fā)生腐蝕穿孔(標(biāo)記為2號),剩余1根未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕缺陷(標(biāo)記為3號)。1號篩管斷裂后脫落的盲管位于井下1 142.645～1 151.750 m處,2號篩管位于井下1 159.848～1 168.453 m處,3號篩管所處位置不詳。

1號篩管外壁及斷口腐蝕形貌見圖2。

圖2 1號篩管外壁及斷口腐蝕形貌

從圖2可以看出,1號篩管接箍部位有明顯的腐蝕坑,篩網(wǎng)部位整體呈現(xiàn)黑色,部分位置布滿著白色附著物及黑色油污,管端部位存在斷裂現(xiàn)象,其他盲管部位存在腐蝕凹坑。仔細(xì)觀察1號篩管斷口處,從橫向來看,整個斷面腐蝕減薄嚴(yán)重,斷口端面比較平滑,呈45°斜角;從縱向來看,篩管外壁凹凸不平,存在許多腐蝕凹坑,并且外壁還有一處長約3 cm的豁口,與向里歪的翹邊相連,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)豁口由腐蝕穿孔點擴(kuò)展開裂所形成。據(jù)此推測,豁口縱向擴(kuò)展延伸,在拉應(yīng)力作用下導(dǎo)致篩管沿軸向發(fā)生斷裂。

對1號篩管進(jìn)行縱向解剖,并將篩網(wǎng)與基管分離,進(jìn)一步觀察篩管內(nèi)壁及篩網(wǎng)的腐蝕形貌特征,1號篩管內(nèi)壁及篩網(wǎng)腐蝕形貌見圖3。從圖3可以看出,1號篩管的篩孔已被黑色物質(zhì)堵塞,其腐蝕較輕;盲管腐蝕嚴(yán)重,其內(nèi)壁出現(xiàn)不均勻的腐蝕凹坑,腐蝕凹坑呈“馬蜂窩”狀分布;在篩網(wǎng)與基管中間發(fā)現(xiàn)一層黑色的物質(zhì)將篩網(wǎng)及基管網(wǎng)眼堵塞,造成防砂過濾效果變差。

圖3 1號篩管內(nèi)壁及篩網(wǎng)腐蝕形貌

2號篩管外壁和內(nèi)壁的腐蝕形貌分別見圖4和圖5。從圖4可以發(fā)現(xiàn),在篩管中間位置處有腐蝕穿孔的現(xiàn)象,并呈現(xiàn)出臺階狀腐蝕形貌特征;穿孔由外腐蝕引起,且穿孔點周圍存在一些大小不一的腐蝕凹坑;與1號篩管的篩網(wǎng)腐蝕情況相似,2號篩管的篩網(wǎng)同樣布滿著白色附著物及黑色油污,網(wǎng)眼堵塞嚴(yán)重。

圖4 2號篩管外壁腐蝕形貌

圖5 2號篩管內(nèi)壁腐蝕形貌

從圖5來看,2號篩管內(nèi)壁穿孔點周圍比較光滑平整,內(nèi)壁部分位置存在腐蝕凹坑,坑內(nèi)填滿黑色的腐蝕產(chǎn)物,呈現(xiàn)臺階狀腐蝕形貌特征,再結(jié)合其外壁的腐蝕形貌特征,可以看出2號篩管同時存在外腐蝕和內(nèi)腐蝕,造成穿孔的主要原因為外腐蝕。

2.2 材質(zhì)化學(xué)成分分析

對3根篩管基管的材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分檢測,結(jié)果見表1。結(jié)果顯示,1號、2號和3號篩管基管的材質(zhì)化學(xué)成分均滿足L80鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 篩管基管材質(zhì)化學(xué)成分 w,%

2.3 硬度檢測分析

對3根篩管基管進(jìn)行硬度測試,試驗結(jié)果見表2。由表2可以看出,3根篩管基管的硬度均符合L80鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 篩管基管試樣硬度

2.4 金相組織分析

分別從3根篩管基管中取樣,采用金相倒置顯微鏡對試樣進(jìn)行金相組織分析,試樣金相組織見圖6,金相檢驗結(jié)果表明,1號、2號和3號篩管的金相組織均為回火索氏體。

圖6 篩管基管試樣金相組織

2.5 注入水水質(zhì)分析

表3 現(xiàn)場注入水水質(zhì)分析結(jié)果

2.6 腐蝕產(chǎn)物分析

分別選取1號和2號篩管內(nèi)壁與外壁的附著物進(jìn)行成分分析。對試樣進(jìn)行除油、過濾及干燥處理后進(jìn)行XRD測試,掃描角度2θ為3°～80°,采樣步寬為0.02°,波長λ為1.540 56 nm。XRD分析結(jié)果表明:1號篩管盲管外壁黑色附著物主要為FeCO3,KCl,SiO2和Ca2Al2SiO6(OH)2等物質(zhì);篩網(wǎng)外壁白色附著物主要為KCl,SiO2和K3Al(SO4)3,其中K3Al(SO4)3為析出的結(jié)晶鹽;1號篩管基管內(nèi)壁腐蝕凹坑內(nèi)產(chǎn)物主要為FeCO3和SiO2等物質(zhì);2號篩管外壁腐蝕穿孔處附著物主要為FeCO3,SiO2及KAlSi3O8等物質(zhì)。

2.7 微觀形貌分析及元素分析

采用掃描電鏡對1號篩管的斷口進(jìn)行分析,斷口處微觀形貌見圖7。從圖7可以看出,裂紋源位于縱向豁口穿孔點附近,穿孔點附近存在蝕坑,蝕坑底部存在龜裂層,其中部分龜裂層已經(jīng)脫落,形成更深的蝕坑。

表4 斷口處元素分析結(jié)果 w,%

3 腐蝕原因分析

通過宏觀形貌分析可知,篩管斷裂主要是由外腐蝕造成的。通過對篩管內(nèi)壁和外壁的腐蝕產(chǎn)物或附著物進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其主要成分為FeCO3,K3Al(SO4)3,Ca2Al2SiO6(OH)2和KAlSi3O8等物質(zhì)。由于篩管外壁的介質(zhì)流速較小,結(jié)垢物質(zhì)容易在篩管外壁聚集,尤其是在盲管部位其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)垢較多。同時水中的Ca2+和Mg2+等成垢離子含量較高,其結(jié)垢傾向較高,當(dāng)遇到水中溶解的CO2時,會形成CaCO3和MgCO3,并沉積附著在管壁上。由于垢層具有良好的封閉作用,使得垢層內(nèi)外介質(zhì)交換受阻,形成局部酸性環(huán)境;另外,由于垢層還具有陰離子選擇性,陽離子不易從垢層內(nèi)部擴(kuò)散到外部,導(dǎo)致腐蝕形成的Fe2+不斷積累,使正電荷過剩,為了保持局部微環(huán)境的電荷平衡,外部具有較強極性和穿透性的Cl-不斷地進(jìn)入垢下區(qū)域,從而在篩管內(nèi)層與垢層之間形成濃差電池,內(nèi)層金屬成為陽極,被不斷地腐蝕[9]。

根據(jù)工況信息,篩管的失效管段位于井段L50層,該處溫度為65 ℃。根據(jù)油井作業(yè)記錄發(fā)現(xiàn),此井段注入率比較低,且實施過CO2調(diào)驅(qū)作業(yè)。因此推測失效篩管所在地層滲透率較低,引起流體流速降低,當(dāng)流速較低時,細(xì)顆粒物更容易深入篩網(wǎng)并形成堵塞。在篩管防砂作業(yè)初期,地層流體攜帶固體顆粒沖擊防砂篩管,當(dāng)固體顆粒的粒徑大于擋砂篩網(wǎng)孔徑時,固體顆粒就無法進(jìn)入篩網(wǎng)內(nèi)部而被擋在篩網(wǎng)外面,較粗的固體顆粒堆積到一定程度后會形成新的擋砂層,但是在篩管防砂作業(yè)后期,一些更細(xì)的固體顆粒會進(jìn)入孔道,造成篩網(wǎng)表面堵塞嚴(yán)重,繼而完全堵塞篩管。另外,根據(jù)其他相關(guān)記錄發(fā)現(xiàn),失效篩管附近存在返砂及冒泡現(xiàn)象,篩管在較高的氣體壓力及多相介質(zhì)下會發(fā)生腐蝕,結(jié)合篩管內(nèi)壁和外壁的腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物分析推斷其為CO2腐蝕。

綜合上述分析可知,篩管斷裂主要是由外腐蝕導(dǎo)致的,篩管外壁主要發(fā)生沉積物下的腐蝕,篩管表面的Cl-加劇了腐蝕,其主要特征表現(xiàn)為腐蝕穿孔;另外,篩管內(nèi)壁存在氣相CO2腐蝕。因此篩管在內(nèi)外腐蝕的共同作用下,其整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn),最終導(dǎo)致篩管斷裂[10-14]。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié) 論

(1)該注水井篩管基管材質(zhì)化學(xué)成分滿足L80鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)該注水井篩管外壁發(fā)生沉積物下腐蝕,內(nèi)壁發(fā)生CO2腐蝕,內(nèi)外腐蝕共同作用導(dǎo)致其管壁減薄,承載能力下降,最后篩管在外力作用下發(fā)生了斷裂。

(3)篩網(wǎng)部位堵塞嚴(yán)重,這與地層滲透率較低、結(jié)垢離子含量較高和固體顆粒的沉積堵塞有一定關(guān)系。

4.2 建 議

(1)為了避免篩管外壁成垢離子聚集,對注入水和地層水進(jìn)行配伍性試驗,對結(jié)垢情況進(jìn)行綜合分析,有效控制注入水中的成垢離子含量,降低因注入水與儲層不匹配而對篩管造成的損害。

(2)加強對注入水中溶解氧、細(xì)菌和CO2等腐蝕性介質(zhì)的監(jiān)測,及時調(diào)整篩管的防腐蝕措施。

(3)關(guān)注油井產(chǎn)出液中的水質(zhì)分析結(jié)果,及時調(diào)整藥劑的加入。