N80油井管腐蝕穿孔原因分析

,

(渤海石油裝備新世紀機械制造有限公司， 天津 300280)

該油田油井井深2 028 m，采用電泵采油作業。采用的2-7/8平式N80油井管，正常工作產液量97.8 m3/d，產油量4.4 t/d，含水95.8%，油井動液面1 500 m，油壓0.65 MPa。該井運行3個月后，井下第153支油井管發生腐蝕穿孔，距接箍端3 m處油井管本體有一個尺寸約3 mm的小孔。

通過綜合分析來判油井管的腐蝕機理，以便采用有效措施抑制腐蝕的發生。

1 試樣的綜合分析

1.1 宏觀形貌分析

油井管規格為φ73.02 mm×5.51 mm N801鋼級，油井管腐蝕穿孔形貌見圖1。穿孔尺寸3.0 mm×2.0 mm，該油井管外壁其他部分均未發現明顯的腐蝕痕跡，孔洞周圍的管壁壁厚由內向外逐漸減薄，說明腐蝕優先從油井管內壁開始，由內向外腐蝕，直至穿孔。

圖1 油井管腐蝕穿孔的宏觀形貌

清洗干凈油井管內壁形貌如圖2所示。油井管內壁存在明顯的腐蝕坑，點蝕坑最大深度2.5 mm。

圖2 清洗后的油井管內壁腐蝕形貌

1.2 力學性能

對事故油井管進行拉伸試驗，結果見表1。由表1可以看出，屈服強度、抗拉強度和延伸率均滿足API相關標準的要求，性能合格。

表1 油井管的力學性能試驗結果

1.3 金相組織

從油井管上切取金相試樣，經預磨、拋光后用質量分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，在光學顯微鏡下進行顯微組織和晶粒度分析，試驗結果如圖3所示。由圖3看出，基體組織為珠光體和鐵素體，晶粒度為9.5級，組織細小，均勻，性能符合要求。

圖3 油井管基體的金相組織和晶粒度

1.4 相結構分析

用刀片將油井管內壁的腐蝕產物刮下，用研缽把腐蝕產物制成微細粉末，然后放入烘箱中去除水分，衍射圖譜如圖4所示。內壁腐蝕產物的主要物相為FeCO3，Fe3O4，FeS2和Fe7S8。

圖4 油井管內壁腐蝕產物XRD衍射圖譜

1.5 橫截面形貌和成分分析

油井管腐蝕穿孔部位的橫截面形貌和銹層成分分析如圖5所示。腐蝕產物銹層較薄，與基體結合緊密，微區成分分析表明腐蝕產物主要含有Fe,C，O和少量的S元素，而正常油井管基體的橫截面形貌和銹層成分分析如圖6所示。腐蝕產物銹層較厚，與基體結合緊密，微區成分分析表明腐蝕產物主要含有Fe,O和C元素，未發現S元素存在于油井管內壁銹層中。由于S元素僅存在于油井管腐蝕穿孔部位的銹層中，這說明井液中硫化物分解產生的S2-參與了油井管腐蝕穿孔的失效過程。

圖5 腐蝕穿孔部位橫截面形貌和銹層成分

圖6 正常油井管橫截面形貌和銹層成分

2 腐蝕機理

從圖2中可以看出，穿孔油井管內壁存在臺地狀形貌、癬狀形貌，腐蝕深度約2 mm，直徑約5 mm，并且沿著油井管長度方向存在一定量的點蝕坑，最大深度2.5 mm，此為CO2腐蝕的典型特征。另外，結合前面的腐蝕產物分析結果，也進一步證明油井管內壁發生了CO2腐蝕。

一般情況下，CO2溶解于水中生成H2CO3，H2CO3為二元酸，在相同pH值的情況下，在H2CO3中鋼鐵的腐蝕比鹽酸中更為嚴重，該腐蝕過程包括：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

總的腐蝕反應為：

(7)

CO2會在油井管內壁腐蝕形成一層FeCO3膜，對基體具有一定的保護作用。但是這層膜具有陰離子選擇性特征，井液中的S2-會穿過FeCO3腐蝕產物膜與Fe及Fe2+反應生FeS2和Fe7S8，填充在腐蝕產物膜的微觀通道中，使離子傳質過程受到阻礙，形成閉塞電池反應，在酸性井液條件下，該腐蝕過程包括：

(8)

(9)

在閉塞性的腐蝕孔內，點蝕的發展是一個自催化過程，溶解的金屬鐵離子濃度增加，為保持電荷平衡，S2-不斷進入腐蝕孔，鐵的硫化物水解產生的氫離子，在腐蝕孔內形成酸化環境，進一步加速鐵的溶解，使腐蝕孔內壁處于活化狀態。

另外，介質流動的切向力會阻礙腐蝕產物膜的形成或對已形成的保護膜有破壞作用，將生成的少量松軟且不致密的保護膜沖刷掉。在腐蝕產物膜脫落的部位，井液中S2-和水解產生HS-會吸附在其表面上，反應生成鐵的硫化物，而鐵的硫化物是陰極，可與油井管基體形成電偶腐蝕，其電位差為0.2～0.4 V，這種強電偶腐蝕加劇油井管內壁形成癬狀的腐蝕坑，導致局部腐蝕穿孔。

3 結論及建議

(1)油井管的屈服強度、抗拉強度和延伸率滿足API有關標準的要求，基體的金相組織為鐵素體和珠光體，晶粒度9.5級，性能合格；標準中對于N80鋼級的油井管沒有抗腐蝕要求。

(2)從內壁腐蝕形貌和腐蝕產物分析得知油井管發生的是CO2腐蝕。在閉塞電池反應和電偶腐蝕作用下，油井管內壁形成了癬狀腐蝕形貌和較大的腐蝕坑，最大深度2.5 mm，在低pH值的情況下，井液中硫化物分解產生的S2-和HS-參與油井管腐蝕穿孔失效過程。

(3)油井管內壁的腐蝕坑沿著軸向排列，形成一條腐蝕帶，這是油井管存在傾斜角度、腐蝕產物沉積在油井管底部造成的。

(4)建議在含有腐蝕介質的油井中使用內涂層油井管或內襯油井管，以延長作業周期。