MC-2井區J55尾管腐蝕成因分析

王繼波，張城舉

1.寧夏西北三蘭石油開發有限公司(寧夏銀川750001)

2.西安石油大學材料科學與工程學院(陜西西安710065)

MC-2井區J55尾管腐蝕成因分析

王繼波1，張城舉2

1.寧夏西北三蘭石油開發有限公司(寧夏銀川750001)

2.西安石油大學材料科學與工程學院(陜西西安710065)

采用水質檢測、能譜分析、金相組織分析、XRD等手段，對環池油田MC-2井區J55尾管的作業介質環境、管材成分、管材組織及性能、腐蝕產物等進行了分析。結果表明，MC-2井區油井采出水的礦化度高，含有多種腐蝕性介質;H2S含量及硫酸鹽還原菌(SRB)的存在造成H2S分壓較高，CO2腐蝕被抑制，J55尾管的腐蝕以H2S腐蝕為主，并在最外層形成硫化鐵腐蝕產物膜。介質中Cl-的作用使得H2S腐蝕膜被破壞，從而基體材料被進一步腐蝕。而且Cl-滲入腐蝕產物膜內，在基體材料內形成點蝕，加速腐蝕向基體材料內部擴展，并最終形成穿孔。

尾管;腐蝕成因;穿孔;失效分析

目前，隨著石油的不斷開采，井下油管在含有硫化氫、二氧化碳、氯離子等腐蝕介質的地層液體中受到嚴重腐蝕給油田的生產帶來障礙，使修井作業產生困難，造成巨大的經濟損失［1］。油井管在井下腐蝕的主要形式是H2S腐蝕和CO2腐蝕，二者共存的腐蝕形式是最為普遍的也是最復雜的［2-3］。H2S和CO2共同作用下的腐蝕研究較少，K.Masamura［4］及石油管材研究所學者等研究指出，在H2S與CO2共存體系中，在各自分壓以及溫度的作用下，在腐蝕形式及產物上有所區別［5］。

環池油田MC-2井區開發于2006年，多為直井或斜井，井深在2 500～3 000m范圍，采用兩層套管固井方式。井區自投入生產以來一直伴隨著嚴重的腐蝕套損問題，有腐蝕穿孔現象發生，防護措施難度較大，且修井周期越來越短，加大了井下作業工作量和修井成本。通過水質分析、尾管材質分析、腐蝕產物分析等手段，確定該井區的腐蝕機理，明確油管腐蝕因素及影響程度，為后續修井作業中合理選材提供技術支持。

1 實驗

MC-2井尾管采用鋼級為J55，外徑73.03mm，壁厚5.51mm。井下工作僅為62天，取出的尾管樣品腐蝕嚴重，外表面多處點蝕，去除點蝕坑處的堆積腐蝕產物后，觀察到坑點在一些位置成串分布，外觀形貌如圖1所示。

圖1 被腐蝕的J55油管

為確定該井區尾管的腐蝕原因，分別進行了采出水成分及尾管成分檢測、腐蝕產物能譜分析。現場提取MC-2井區的采出水，按照石油行業標準SY/T 5523油田水分析方法進行了檢測分析。采用宏觀及微觀方法分析了腐蝕產物的形態。采用直讀光譜分析儀和熒光能譜分析儀分析了J55尾管的化學成分。在MC-2尾管樣品上切取金相樣品，依據GB/T 13298、GB/T 6394、GB/T 10561標準進行金相分析，對不同腐蝕產物層進行了EDS點分析，獲得了特征能譜圖。另外對腐蝕產物進行了XRD分析，確定了腐蝕產物的物相。

2 結果分析與討論

2.1 采出水的礦化度

采出水水質分析結果見表1，結果顯示水質的礦化度為49 262mg/L，處于較高水平。水質中含有主要腐蝕性介質包括:Cl-、CO2、H2S、SRB、HCO3-、SO42-等。

表1 MC-2井區水質分析結果

表2 J55尾管的化學成分/%

2.2 尾管的化學成分

J55尾管的化學成分分析結果見表2，材料化學成分符合API 5CT標準要求。

2.3 J55尾管材料的金相組織

J55尾管的金相組織為珠光體加鐵素體，晶粒度為9級，帶狀組織2級，非金屬夾雜物分別為A0.5、B0.5、C0.5，金相組織形貌如圖2所示。其金相組織為珠光體加鐵素體的組織，由于珠光體相是鐵素體與滲碳體的共析體，因此其內部存在較嚴重的微電偶腐蝕，滲碳體作為陰極易加速珠光體中鐵素體的腐蝕。

圖2 樣品金相組織形貌

2.4 腐蝕產物及管垢分析

J55尾管處取樣如圖3所示，外表面腐蝕嚴重，樣品內表面為均勻腐蝕，產物膜厚度在1～2mm，存在一處刺漏穿孔。清理外表面腐蝕產物后，可以看到管子表面已經在腐蝕作用下，形成大量的腐蝕坑，腐蝕坑成平行軸向成串分布，如圖4所示。

圖3 尾管刺漏處腐蝕解剖形貌

圖4 表面呈串的腐蝕坑

不同腐蝕產物層的EDS能譜分析結果及腐蝕產物的微觀形貌如圖5所示。尾管外表面腐蝕產物的外層硫磷元素含量高，中間層硫含量比較明顯，產物中存在FeS，內層以鐵的氧化物為主。對腐蝕產物進行EDS面掃描分析，結果顯示腐蝕產物以氧化鐵為主，含有一定量的S和Cl元素，同時存在Al，Mg，Si和Ca等礦化物類元素。可以確定腐蝕產物中均有明顯的硫化物腐蝕產物，氯化鐵在近金屬表面形成，次表面以氧化產物為主，在腐蝕產物的最外層硫化物分布較多。

圖5 J55尾管的腐蝕產物EDS點分析譜圖

為確定腐蝕產物的物相，取尾管內壁的腐蝕產物用瑪瑙研缽研磨30min后進行了粉末的XRD檢測，XRD檢測結果如圖6所示，結果顯示含有大量非晶產物，氯化亞鐵相和硫化鐵相的譜峰明顯，并含有SiO2和(NH4)2(CaSO4)5.SO2.H2O復雜螯合物。

圖6 管內壁腐蝕產物XRD分析譜圖

油井采出水樣檢測的結果顯示水質的礦化度高，水樣偏酸性，腐蝕性物質有CO2、H2S、SRB及Cl-、HCO3-、SO42-和硫酸鹽還原菌(SRB)。同時該區塊的作業環境具備產生H2S的溫度和壓力條件，硫酸鹽可以不斷地被細菌分解產生H2S氣體并溶解在水中，形成H2S腐蝕介質。另外根據水質分析給出的H2S和CO2質量濃度值，可確定該區塊的CO2與H2S分壓比小于200，介質中H2S為主導，腐蝕過程受H2S控制，CO2腐蝕被抑制，CO2的存在進一步促進了腐蝕的發展。同時水樣中有大量Cl-，易導致油管表面產生點坑蝕，并不斷擴大形成腐蝕穿孔。

3 結論

MC-2井區油井采出水的礦化度高，水樣偏酸性，存在大量腐蝕性物質CO2、H2S、SRB及Cl-、HCO3-、SO42-和硫酸鹽還原菌(SRB)。由于地層水含有H2S、SO42-、SRB細菌，造成H2S分壓較高，抑制了CO2腐蝕。初期主要以H2S腐蝕為主，在最外層形成硫化鐵腐蝕產物膜。Cl-的存在，首先破壞H2S腐蝕膜對基體材料的保護，使腐蝕持續進行;其次Cl-滲入腐蝕膜內，在基體材料內形成點蝕，加速腐蝕向基體材料內部擴展。另外，珠光體加鐵素體的組織中，珠光體相是鐵素體與滲碳體的共析體，珠光體相內部存在較嚴重的微電偶腐蝕，滲碳體作為陰極會加速珠光體中鐵素體的腐蝕，從而加速了基體材料的腐蝕。

［1］李淑華，朱晏營.井下油管的腐蝕防護［J］.油氣田地面工程，2007，26(12):45-56.

［2］姚曉，馮玉軍.國內外氣田開發中管內CO2腐蝕研究進展［J］.油氣儲運，1996，15(2):97-99.

［3］趙國仙，呂祥鴻，韓勇.某井油管腐蝕原因分析［J］.材料工程，2010，38(3):51-55.

［4］K MaSamura，S Hashizume，J Sakai.Polarization behavior of high-alloy OCTG in CO2environment as affected by chlorides and sulfides［J］.Corrosion，1987(6):359.

［5］周計明.油管鋼在含CO2/H2S高溫高壓水介質中的腐蝕行為及防護技術的作用［D］.西安:西北工業大學，2002.

The working medium，the material composition，microstructure and performance and the corrosion products of the J55 liners used in MC-2 wellblock are analyzed through water quality testing，spectrum analysis，microstructure analysis and XRD.The results show that:the produced water in MC-2 wellblock is of high salinity and there are several corrosion factors in it;the presence of H2S content and sulfate-reducing bacteria(SRB)results in high H2S partial pressure and inhibits CO2corrosion，the corrosion of the liners is mainly H2S corrosion，and iron sulfide corrosion film is formed on the surface of the liners.The effect of Cl-makes the iron sulfide corrosion film destroyed，which leads to the matrix material of the liners further corroded.And the Cl-seeping into the corrosion product film will form pitting in the matrix material，which will accelerate the corrosion inside the matrix material and eventually form perforation in the matrix material.

liner;corrosion cause;perforation;failure analysis

王梅

2015-03-31

王繼波(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事采油工程及油田開發工作。