某油井L80鋼油管腐蝕穿孔失效分析

羅 懿,張傳旭,金 磊,王海鋒

(中海油(天津)管道技術工程有限公司,天津300452)

某油井于2016 年7 月投產,該井最大井斜為75°,井斜深度為2851 m,井垂深度為1595.01 m,油井內采出原油中H2S質量濃度為116 mg·L－1,CO2質量分數約為8%,油田地面原油為重質油,油層溫度為53～64℃,地層水礦化度為10625 mg·L－1。油井的生產層位為60～100,無注水支持,自投產以來共進行了兩次酸化作業。2018年該井日產油體積為37 m3·d－1,日產氣體積為198.2 m3·d－1,日產水體積為0.48 m3·d－1,其中水的質量分數為1.1%。2018年1月工作人員在油井起出管柱和下管柱作業時發現距井口2432.56 m 處的2-7/8″油管存在多處腐蝕并穿孔,該油管材料為L80鋼。為查明該油管腐蝕穿孔的原因,筆者對其進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

宏觀觀察發現,2-7/8″油管處于4 號封隔器以上的環空部分,且有50°左右的井斜。油管腐蝕段長度為5.85 m,油管表面附有紅褐色和黃褐色的腐蝕產物層和油漬。在距離油管頂端0.9 m 處有兩個明顯的腐蝕孔,分別呈雨滴狀(最大直徑為1.5 mm)和橢圓形(長軸長度約為4 mm,短軸長度約為2 mm),腐蝕孔四周管壁由外向內減薄,且管壁表面附有質地疏松的腐蝕產物,如圖1所示。油管失效段外壁有多處裂紋,如圖2所示。分別用石油醚和酒精清洗油管外壁后,裂紋處的腐蝕產物脫落,形成了新的腐蝕孔或腐蝕坑,如圖3所示。將油管在腐蝕孔密集區域沿軸向對半剖開,由圖4可見,油管內壁未腐蝕,但在剖面上存在腐蝕坑,且腐蝕由管外向管內的擴展,呈現出向外腐蝕特征。

圖1 油管腐蝕孔宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of corroded hole of oil pipe：a）raindrop corrosion pore；b）elliptical corrosion pore

圖2 油管外壁裂紋處宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of cracks on the outer wall of oil pipe

圖3 油管清洗前后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of oil pipe a）before and b）after cleaning

圖4 油管內壁宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of inner wall of oil pipe

1.2 化學成分分析

在失效油管未腐蝕處取樣,根據API SPEC 5CT－2018Casing and Tubing采用SPECTRO LABLAVM11型直讀光譜儀進行化學成分分析。由表1 可見,油管正常管段的化學成分符合API SPEC 5CT－2018的技術要求。

表1 失效油管的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of failed oil pipe（mass fraction） %

1.3 金相檢驗

圖5 失效油管的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of failed oil pipe

在失效油管的完好部位取樣,試樣經鑲嵌、研磨、拋光,使用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后,根據GB/T 13298－2015《金屬顯微組織檢驗方法》采用Zeiss observer A1m 型金相倒置顯微鏡觀察顯微組織。由圖5可見,油管的顯微組織為鐵素體＋珠光體,未見明顯的夾雜物。正常情況下,L80鋼顯微組織為回火索氏體＋極少量鐵素體＋極少量屈氏體[1]。回火索氏體是馬氏體在500～650 ℃時回火形成的以鐵素體為基體且內部分布著碳化物(包括滲碳體)球粒的復相組織,具有更好的力學性能[2]。由此可見,失效油管金相組織異常。

1.4 能譜分析

分別取失效油管外壁表面裂紋處、油管外壁腐蝕孔處、外壁表面黃色處和外壁表面紅色處腐蝕產物試樣,分別編為1,2,3,4 號,采用OXRORD XMax N 型能譜儀(EDS)對上述試樣進行微區成分分析,分析位置和分析結果分別如圖6 和表2 所示。由表2可見,1～4號試樣中鐵、氧、碳、硅、鋁含量均較高,推測其中存在鐵的氧化物、鐵碳酸鹽及砂石成分;1～4號試樣中均含有少量的氯和硫,2號試樣中含有較多的氟。

圖6 失效油管EDS分析位置Fig.6 EDS analysis location of failed pipe：a）No.1 sample；b）No.2 sample；c）No.3 sample；d）No.4 sample

表2 失效油管EDS分析結果(質量分數)Tab.2 EDSanalysis results of failed oil pipe（mass fraction） %

1.5 物相分析

在1,3,4號試樣中先后加入石油醚和酒精,分別進行過濾、干燥處理后采用D8 Advance型X 射線衍射儀對1～4號試樣進行X 射線衍射(XRD)測試,掃描角度2θ為3°～80°,采樣步寬為0.02,波長為1.54056 nm,結果如圖7所示。可見1號試樣的主要物相為Fe3C、FeS,2號試樣主要物相為Fe3C、Al(OH,F)3、FeS,3 號 試 樣 主 要 物 相 為FeCO3、Ca Mg(CO3)2、SiO2,4 號 試 樣 主 要 物 相 為SiO2、Fe3O4、FeCO3。

1.6 拉伸性能測試

根據API SPEC 5CT－2018,在失效油管未腐蝕部位截取尺寸為19 mm(寬度)×50.8 mm(標距)的試樣,采用ZWICK Z600型雙立柱萬能材料試驗機進行拉伸性能測試,結果如表3所示。可見失效油管除了屈服強度低于API SPEC 5CT－2018 的要求之外,其抗拉強度和斷后伸長率均符合該標準的要求。

2 分析與討論

由化學成分分析結果可知,失效油管的化學成分符合相關標準的要求。由能譜分析結果可知,腐蝕產物中存在碳、氧、硫、氯、氟,表明失效油管所處環境存在H2S、CO2、Cl－和F－等促進腐蝕的因素[3-4]。

圖7 1～4號試樣的XRD測試結果與標準圖譜對比Fig.7 Comparison of XRD test results of No.1-4 samples with standard atlas：a）No.1 specimen；b）No.2 specimen；c）No.3 specimen；d）No.4 specimen

表3 失效油管拉伸性能測試結果Tab.3 Tensile property test results of failed oil pipe

由物相分析結果可知,油管大面積脫落的疏松物質(腐蝕產物)主要成分是Fe3C,同時還有FeS、鐵的氧化物、Al(OH)3和FeCO3。為提高油井產能,生產人員采用酸化作業來清除井筒孔眼中酸溶性顆粒、鉆屑和結垢。當酸化作業結束后,未排凈的殘酸和原油在封隔器以上的環空底部,油管處于封隔器以上的環空部分。由于油管內壁和外壁處原油流速不同,在油管外壁形成了“靜止”的區域,形成液體滯留區,而在油管內壁處原油是流動態,腐蝕速率相對緩慢,因此油管外壁先發生腐蝕。殘酸中含有的H＋、Cl－、F－等易誘發和促進腐蝕的離子,形成了電解質溶液。

腐蝕初期,鐵在電解質溶液中首先發生了溶解,由于L80鋼中的鐵素體比Fe3C 具有更負的電位,在腐蝕過程中鐵素體相作為陽極優先溶解,Fe3C作為陰極保留下來并積聚在試樣表面,形成了疏松的Fe3C[5]。隨著腐蝕時間的延長,Fe2＋和CO2－3的濃度超過FeCO3的溶度積,從而在油管外壁表面沉積形成FeCO3保護膜,但是由于Cl－、F－吸附在油管外壁表面,這妨礙形成完整的FeCO3保護膜,而地層中存在的Ca2＋、Mg2＋置換FeCO3晶體點陣的Fe2＋導致晶格畸變形成Ca Mg(CO3)2,這進一步降低了腐蝕產物的致密性[6-7]。

由于油管外壁附著的不均勻的腐蝕產物和無機鹽垢不致密,缺氧區的垢下金屬會與垢外富氧的陰極區產生電位差形成腐蝕電流,垢下金屬進一步發生陽極溶解,加速金屬腐蝕[8]。雖然環境中的H2S不直接參加陰極反應,但是會作為加速氫離子放電的催化劑加速反應[9]。由于在環空的底部的殘酸和原油處于相對靜止狀態,油管表面附著的微生物會釋放出部分H2S,加上油管所處環境中H2S含量較高,因而發生H2S 腐蝕形成FeS 附著于油管外壁表層。

外壁附著的黃色腐蝕產物中有SiO2和Ca Mg(CO3)2,由此可推測油管外壁表面存在泥沙(酸化作業時由地層返排至環空部位),存在垢下腐蝕。通常情況下,當原油中含水率大于40%時,油管發生CO2腐蝕的傾向才較大,而該油井原油含水量小于10%,發生CO2腐蝕的傾向不大。腐蝕產物中存在一定量的CO2腐蝕產物,推測是由于油氣開采時伴生CO2溶解于水中與鐵腐蝕的中間產物發生反應所導致。

失效油管的顯微組織為珠光體＋馬氏體,并非L80鋼正常的顯微組織(回火索氏體＋極少量鐵素體＋極少量屈氏體),結合失效油管力學性能測試結果可知,油管材料的屈服強度偏低,隨著鐵在電解質中不斷溶解,在環空壓力和油井液柱壓力的共同作用下,疏松多孔的Fe3C 和與鋼鐵表面粘合力差的FeS被“壓迫”在油管外壁的腐蝕坑處,腐蝕介質由外向內滲透,導致腐蝕進一步向管壁內表面發展,而外表面卻保持比較完整。當油管的管壁被全部腐蝕,在油井液柱壓力的作用下,疏松的腐蝕產物脫落,油管就形成了大面積的腐蝕孔直至腐蝕出現穿孔。

3 結論及建議

L80鋼油管失效管段處于相對靜態的環空區域,在CO2腐蝕、H2S腐蝕和垢下腐蝕綜合作用下,油管外壁形成不致密腐蝕產物,殘酸中含有的H＋、Cl－、F－等離子加速了腐蝕進程,在油管外壁形成腐蝕坑,當油管的管壁被全部腐蝕,在油井液柱壓力的作用下,疏松的腐蝕產物脫落,油管就形成了腐蝕孔直至腐蝕出現穿孔。

建議加強對油管材料的控制,同時嚴格控制酸化作業過程,減少酸液的殘留。