海上某油田井下管柱腐蝕失效分析

王　宏，劉賢賀

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

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海上某油田井下管柱腐蝕失效分析

王宏，劉賢賀

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

摘要：海上某油田在生產過程中連續發現3口油井的井下管柱腐蝕穿孔，為了保證油田安全生產，避免腐蝕進一步發生，對井下管柱進行了腐蝕失效分析。在對井下失效管柱的金屬材質分析、機械性能分析、金相組織檢測和腐蝕產物分析的基礎上，分析了腐蝕的原因。結果表明，CO2腐蝕是管柱腐蝕的主要原因，管柱中的湍流進一步加劇了腐蝕速度。

關鍵詞：井下管柱；CO2腐蝕；穿孔；失效

海上某油田在生產過程中連續發現3口油井的井下管柱腐蝕穿孔，為了避免腐蝕的進一步發生，保證油田的安全生產，獲得可觀的經濟和社會效益，同時為其他油田在油管防腐材質選擇等方面積累經驗。根據油田提供的生產操作數據、套管腐蝕失效部件和單井水樣操作目標，進行井下管柱腐蝕失效分析。

1　井下管柱腐蝕失效分析

1.1化學元素分析

化學組成分析列于表1中。每個元素的含量都滿足API 5CT中N80的含量要求。但是，3號樣品中C、Cu、Ni、Mo和溶解Al的含量與其

表1　樣品的化學元素組成

為了弄清楚材質之間組分差異原因，對2號樣品和3號樣品進行了更多的元素分析，增加元素分析結果如表2所示。

表2　增加的元素分析結果

附加元素分析結果表明：2號樣品和3號樣品在Ti、B和N三種元素含量上存在差異。通過分析結果可以看到，3號樣品是硅脫氧鋼，煉鋼過程中使用矽鐵作為脫氧劑；其他樣品為鋁脫氧鋼，煉鋼過程中使用鋁作為脫氧劑，同時為了改善材質的硬度，對材質進行了硼合金化處理。

1.2硬度測試

對樣品進行硬度（HRC）測試，1號樣品硬度平均值為 18.6，2號樣品硬度平均值為17.2，3號樣品硬度平均值為20.4，4號樣品硬度平均值為19.2，5號樣品硬度平均值為18.1。每個N80樣品的硬度都滿API 5CT的要求，但3號樣品的硬度要稍微大于其他樣品。根據ASTM E140的轉換表格，3號樣品的抗張強度范圍為760～770 MPa，其他4個樣品的抗張強度范圍為720～750 MPa，轉化后的抗張強度值滿足API Spec 5CT中對N80材質抗張強度的要求。

1.3非金屬含量分析

采用JIS G0555標準對5個樣品中的非金屬含量進行測試，測試結果列于表3中。雖然其他樣品含有A1類夾雜物和少量C類夾雜物，但是3號樣品中A1類夾雜是最多的。

表3　樣品的非金屬含量

1.4目視外觀檢查

所有樣品的整體外觀如圖1所示。將樣品縱向切開觀察其內外表面，可知：

圖1　腐蝕失效部件樣品

1號樣品靠近連接部位有一個由于內腐蝕造成的穿孔，但是沒有發現由于油套環空液體造成的外壁腐蝕。在管柱內壁發現許多嚴重的局部腐蝕和腐蝕坑，而連接處相對較少。在公扣端部與連接處末端之間存在嚴重腐蝕失重，局部有腐蝕造成的穿孔。與1號樣品相連的短節未見明顯腐蝕現象。

2號樣品許多內腐蝕穿孔都集中在距離公扣端1.2 m范圍內，且呈現直線排列；同時，公扣端也遭受嚴重腐蝕。另外，沒有發現由于油套環空液體造成的外壁腐蝕；距連接處末端1.2 m范圍內的內表面腐蝕輕微，但是，樣品其他部位存在嚴重的線性溝槽腐蝕，溝槽直徑寬度約為軸向寬度的1/8，同時，在溝槽上還發現了許多穿孔，距離連接處越近，腐蝕越嚴重。

3號樣品的外表面由涂層覆蓋，樣品的內外表面均未見嚴重腐蝕。盡管在樣品內表面發現了局部銹蝕現象，但是樣品的整體外觀狀況很好，該樣品腐蝕狀況與1號樣品相連接短節狀況相同。

4號樣品許多大的穿孔都是內腐蝕造成的，且呈直線分布。沒有發現由于油套環空液體造成的外壁腐蝕，除了連接處外，在樣品內表面發現了很多嚴重的腐蝕穿孔。腐蝕形貌與1號樣品類似。

5號樣品許多內腐蝕穿孔都集中在距離公扣端1.2 m范圍內，且呈現直線排列；同時，公扣端也遭受了嚴重腐蝕。但是，沒有發現由于油套環空液體造成的外壁腐蝕；在距離母扣端2 m范圍內腐蝕輕微，除了連接處外，其他部位也發現了許多較嚴重的坑蝕，有的穿孔，有的未穿孔。

1.5微觀檢查

分別針對5個樣品腐蝕與未腐蝕的部位進行微觀和宏觀結構檢測，從檢測結果可以看出1、2、4和5號樣品除穿孔部位外，外表面腐蝕相對較輕，內表面腐蝕較重，并伴有許多穿孔，觀察這些腐蝕嚴重的部位，發現腐蝕是從內向外發生的。3號樣品腐蝕輕微。

圖2為1號樣品腐蝕嚴重部位的外表面、中間部分和內表面的金相顯微組織檢測。圖3 為3號樣品的外表面、中間部分和內表面的金相顯微組織檢測。

1、2、4和5號樣品金屬本體微觀結構為細小的回火馬氏體，金屬加工時采用淬火和回火工藝。3號樣品為粗大珠光體和貝氏體組成的退火結構，金屬加工時采用正火和回火工藝。3號樣品和其他樣品在微觀結構上存在較大差異。

圖2　1號樣品的微觀檢測結果

圖3　3號樣品的微觀檢測結果

1.6腐蝕產物X射線分析

1號樣品和3號樣品的X射線腐蝕產物分析譜圖顯示：所有樣品腐蝕產物都含有FeCO3、FeO（OH）、Fe3O4、CaO和CaCO3，未檢測到氯化物。這意味著濕的CO2是導致所有樣品腐蝕穿孔的重要因素，3號樣品與其他樣品表面腐蝕產物沒有明顯差異。

1.7腐蝕產物電子探針顯微分析（EPMA）

采用電子探針對腐蝕產物進行顯微分析，在每個腐蝕產物樣品中，都檢測到 Fe、C、Cl、Ca和O元素，結果證明腐蝕是由CO2造成的。進一步分析可知：在3號樣品上還存在Cu、Co 和Mo元素，金屬表面未發現元素富集的現象。

2　結論與建議

第一，為了阻止CO2腐蝕，向碳鋼中加入Cr元素是有效的方法。工業應用可知，9Cr鋼可以應用于小于100℃以下環境，13Cr鋼可以應用于150℃以下環境，22Cr鋼可以應用于200℃以下環境，而25Cr鋼可以應用到250℃以下環境。盡管5個腐蝕失效樣品都含有少量的Cr，但其含量較低。3號樣品由于表面曾經進行涂裝，因此相對其他4個樣品腐蝕相對較輕。

第二，考慮到每個短節在井中的腐蝕環境，除與1號樣品連接的短節外，其他短節與封隔器相連的一側腐蝕嚴重。這是由于管徑的變化導致湍流而加速了CO2的腐蝕速率；另外，封隔器和短節之間的電位差也可能導致電偶腐蝕。位于可調活接頭上部的4號樣品與2號樣品、5號樣品具有相同的腐蝕環境。腐蝕形貌顯示，管內形成的湍流是嚴重腐蝕的重要原因。

為了降低流體在管道中的湍流，可以盡量將管道部件（例如油管、封隔器、活動連接等）標準化為統一尺寸。為了降低局部腐蝕，建議油管內壁要保持光滑，盡量降低非金屬夾雜物。

第三，針對井下電偶腐蝕，可以將井下所有工具和管柱使用相同材質，不同電位金屬之間使用過渡金屬連接。

3　結語

通過對井下失效管柱的金屬材質分析、機械性能分析及腐蝕機理探討，找到了腐蝕失效原因，提出了腐蝕控制建議。相關建議執行后，截止到目前，所有井下管柱再未發生過腐蝕穿孔的情況。

參考文獻：

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［3］黃天杰，王峰，殷安會，等.N80鋼在二氧化碳飽和的模擬油田液中的高溫高壓腐蝕行為研究［J］.腐蝕科學與防護技術，2009（5）:486-488.

［4］王宏，劉賢賀，潘涵.海上石油鉆井套管接頭腐蝕穿孔失效分析［J］.兵器材料科學與工程，2015（1）:92-97.

［責任編輯：劉月］

中圖分類號：TE985

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5928（2016）03-31-04

DOI:10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.03.010

收稿日期：2016-04-06

作者簡介：王宏（1973-），男，遼寧本溪人，副教授，博士，研究方向：船舶與海洋結構物性能與安全。劉賢賀（1978-），女，遼寧葫蘆島人，實驗師，學士，研究方向：船舶與海洋工程。他4個樣品的含量差異較大。

The Failure Analysis of the Corrosion of a Sea Oilfield Down-hole Pipe

WANG Hong，LIU Xianhe
（Bohai Shipbuilding Vocational College，Xingcheng 125105，China）

Abstract:In the process of production the author continuously found 3 Wells of down-hole tubing corrosion perforation in certain oilfield offshore.In order to ensure the safety of oil field production，avoid further corrosion，the author conducted corrosion failure analysis of down-hole string.The causes of corrosion are analyzed on the basis of null and void of down-hole string of metal materials analysis，mechanical property analysis，metallography testing and corrosion product analysis.Results showed that CO2corrosion was the main culprit of corrosion of pipe string，the turbulence in the pipe further exacerbated the corrosion speed.

Key words:down-hole string；CO2corrosion；perforation；failure