熱采老井轉火驅生產油管斷裂失效原因分析

,, ,永暉

(中石油新疆油田分公司 工程技術研究院，克拉瑪依 834000)

火驅作為一種頗具特點的熱力采油工藝，具有能量利用率高、技術限制少、適應性廣等特點，綜合了熱驅、氣驅、混相驅和非混相驅的驅油機理，是一種提高采收率的理想方法。近幾年，新疆油田陸續開展了火驅先導性試驗，雖然火驅技術不斷發展，但火驅生產過程中油井管材料的腐蝕失效原因和腐蝕機理尚不明確。

新疆紅淺火驅先導試驗于2009年點火投產，點火前該區塊經歷過注蒸汽熱采，因此地層含水量較高。2013年某火驅生產井修井作業時，在上提油管過程中發生油管斷裂。經井下磨銑作業后，將磨銑的碎片打撈上來。斷裂油管材料為N80，斷裂發生在約560m井深處。隨后對該井進行了套管四十臂井徑測試，結果發現，在554.4～569.0m井段處套管變形及損傷嚴重。為查明該油管斷裂失效原因，對打撈上來的碎片進行了理化檢驗,并在室內模擬火驅工況條件下對N80鋼進行了腐蝕試驗。

1 理化檢驗及結果

1.1 尺寸檢測

圖1 送檢的油管碎片的宏觀形貌Fig. 1 Macrograph of oil pipe fragments for testing

為便于敘述，將4塊送檢的油管碎片標記為4-1，4-2，4-3，4-4，如圖1所示。送檢的4塊碎片表面均腐蝕嚴重，磨銑劃傷痕跡所占比重較小。測量得4塊碎片的剩余壁厚分別為1.58mm(4-1)，3.40 mm(4-2)，1.68 mm(4-3)，0.82 mm(4-4)。其中，4-3碎片多處出現穿孔。

1.2 金相分析

分別在4塊油管碎片上切取試樣進行金相分析，其金相組織如圖2所示。結果表明：這4塊碎片的金相組織均為回火索氏體，晶粒度分別為8.0級(4-1)，9.0級(4-2)，9.0級(4-3)，8.0級(4-4)。由于金相試樣的檢測面具有隨機性，很難根據外觀形貌辨別碎片的縱向和橫向，因此其組織形貌和晶粒度級別的差異可能與檢測面的方向有關。

1.3 微觀分析

分別在4塊油管碎片上取樣，采用掃描電子顯微鏡分析其腐蝕形貌，結果如圖3所示。

在圖3所示位置對油管碎片表面的腐蝕產物進行能譜(EDS)分析，結果如表1所示。由能譜分析結果可知：腐蝕產物主要含有C、O、S、Fe，據此推測其物相可能為FeCO3和Fe的硫化物。

(a) 4-1(b) 4-2(c) 4-3(d) 4-4圖2 油管碎片的金相組織Fig. 2 Microstructure of oil pipe fragments

(a) 4-1(b) 4-2

(c) 4-3(d) 4-4圖3 油管碎片表面的微觀腐蝕形貌及EDS分析位置Fig. 3 Micro morphology of the surface of corroded oil pipe fragments and EDS analysis positions

1.4 X射線衍射分析

分別在4-1、4-2、4-3油管碎片上取腐蝕產物，通過X射線衍射分析其物相組成，分析結果如圖4所示。結果表明，這些油管碎片表面的腐蝕產物主要含有FeCO3和Fe的硫化物。

2 失效原因分析

2.1 模擬火驅工況的室內腐蝕試驗

在TFCZ-35/250及TFCZ-25/250型磁力驅動反應釜[1]中模擬火驅工況對N80鋼進行腐蝕試驗?；痱屔a階段產出氣主要含有CO2、H2S和少量O2。模擬腐蝕環境中,CO2含量為14%(質量分數，下同)，O2含量為1%，H2S含量為0.3%,壓力為3 MPa，流速為2 m/s，溫度為50 ℃，試驗時間168 h。腐蝕介質為根據油層產出水中離子含量配制的水溶液，見表2，其pH為6.9。

表1 油管碎片表面腐蝕產物的能譜分析結果Tab. 1 EDS results of corrosion products on the surface of oil pipe fragments

模擬腐蝕試驗結果表明，N80鋼在模擬火驅工況下的均勻腐蝕速率為0.337 1 mm/a，大于石油管材在含CO2、H2S和O2條件下使用的均勻腐蝕速率判據(0.2 mm/a)[2]。

(a) 4-1(b) 4-2(c) 4-3圖4 油管碎片表面腐蝕產物的XRD譜Fig. 4 XRD patterns of corrosion products on the surface of oil pipe fragments

mg/L

圖5和表3為N80鋼腐蝕產物的EDS分析位置及分析結果，圖6為其X射線衍射分析結果。由分析結果可知：N80鋼表面腐蝕產物為FeCO3[3]，沒有出現H2S腐蝕產物成分，表明在該模擬條件下，CO2和O2腐蝕占主導作用。

圖5 模擬腐蝕試驗后N80鋼腐蝕產物膜EDS分析位置Fig. 5 EDS analysis locations of corrosion product membrane on N80 steel after simulated corrosion test

在溫度為50 ℃條件下，N80鋼發生了CO2和O2腐蝕。在酸性介質中O2與H+的去極化作用較強，陽極初生腐蝕產物Fe2+只能與溶液中的CO32-反應生成FeCO3。由于50 ℃下生成的FeCO3腐蝕產物膜軟而無附著力，且致密性、保護性較差，因此N80鋼主要發生均勻腐蝕，腐蝕速率較大[4]。

表3 模擬腐蝕試驗后N80鋼腐蝕產物的能譜分析結果Tab. 3 EDS results of corrosion product membrane on N80 steel after simulated corrosion test

圖6 模擬腐蝕試驗后N80鋼腐蝕產物的XRD譜Fig. 6 XRD pattern of corrosion product on N80 steel after simulated corrosion test

2.2 現場檢測腐蝕原因分析

送檢的4塊油管碎片的組織均為回火索氏體，回火索氏體為N80油管鋼的正常組織，因此排除了由組織缺陷引起油管失效的可能。

1960～2009年該井采用蒸汽吞吐生產，地層含水量較高。后期改為火驅生產，原油燃燒過程中產生大量CO2。CO2極易溶于水，形成具有腐蝕性的碳酸，釋放出強去極化性的氫離子，促進陽極鐵溶解而導致腐蝕。根據該井火驅階段井底壓力(3.8～4 MPa)和CO2氣體含量(質量分數16%～17%)推算出井底CO2分壓約0.6 MPa，超過CO2腐蝕的臨界壓力(0.2 MPa)。能譜分析和X射線衍射分析表明，油管碎片表面的腐蝕產物主要為FeCO3和Fe的硫化物[5]。因此推測，送檢油管碎片均發生了CO2腐蝕和H2S腐蝕。

(1) CO2腐蝕機理

CO2為弱酸性氣體，溶于水后生成碳酸，并電離出H+、HCO3-、CO32-，其中H+主要來源于一級電離[6]。CO2腐蝕是氫去極化腐蝕，在管體夾雜物、晶界等處，被還原成H原子，隨后合成氫氣析出，如式(1)所示。腐蝕的陽極過程是鐵的溶解，生成Fe2+,如式(2)所示。Fe2+進入水溶液與CO32-生成FeCO3，如式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

(2) H2S腐蝕機理

H2S溶于水并電離出H+、HS-和S2-，使溶液呈酸性。H2S在水中的電離反應為

(4)

(5)

H2S腐蝕是一種氫去極化過程，鐵溶解和析氫分別在陽極和陰極上進行，如式(1)和式(2)所示。

H2S溶于水并電離出H+、HS-和S2-，并與陽極反應產物生成不同組分的硫化鐵化合物，如式(6)～(8)所示。

(6)

(7)

FexSy為各種結構硫化鐵的通式，隨著溶液中H2S含量及pH的變化，硫化鐵的組成和結構均不同[7]。

送檢油管碎片可能來自于油管的不同部位，其工作環境略有差異，是造成其表面腐蝕產物中硫化鐵結構不同的原因。井下油管發生了CO2腐蝕和H2S腐蝕，剩余壁厚不足，難以承受油管懸重，最終導致油管斷裂落井。

3 結論

(1) 送檢油管碎片的組織均為回火索氏體。

(2) 油管斷裂的主要原因為井下油管發生了CO2腐蝕和H2S腐蝕，剩余壁厚不足，難以承受油管懸重，導致油管斷裂落井。

(3) 室內模擬腐蝕試驗結果表明，N80油管鋼在溫度為50 ℃時的腐蝕產物主要為FeCO3，其腐蝕以CO2和O2腐蝕為主；而現場腐蝕環境更復雜，腐蝕產物中除了含有FeCO3外,還含有Fe的硫化物。這也說明經歷過蒸汽熱采和火驅兩種工況的N80油管，其腐蝕嚴重程度遠高于單一火驅工況條件下的。因此在蒸汽熱采井轉火驅生產論證時，應客觀評價原有管柱的服役能力。