某油井抽油桿腐蝕原因

閆治濤1, 王冰冰1, 張 毅, 賈 朋, 薛世峰

[1.勝利油田東勝精攻石油開發集團股份有限公司, 東營 257061；2.中國石油大學(華東), 青島 266580]

我國機械采油井占油井總數的90%以上，有桿泵采油井占機采井的90%以上，抽油桿作為地面抽油機和井下抽油泵的連接設備，是有桿泵采油的重要組成部分。抽油桿將地面往復動力傳遞到井下抽油桿，而且在抽油桿上升和下降過程中，受拉-壓疲勞應力和原油腐蝕。隨著服役年限增加及下泵深度的增加，抽油桿桿柱斷裂成為影響油田生產的主要因素，也大大增加了油井的維護費用。研究[1-7]發現抽油桿的主要失效原因是疲勞斷裂和腐蝕疲勞斷裂。正常情況下抽油桿的使用壽命在200 d(天)以上，某井的抽油桿斷桿率一直居高不下，起井檢查時發現使用不足100 d的抽油桿出現了深度不同、大小不等的腐蝕坑。國內外對油管腐蝕的研究較多[8-18]，但未見對抽油桿腐蝕原因的相關研究報道。為此，筆者采用紅外光譜分析、離子色譜檢驗、金相檢驗、掃描電鏡分析等方法，分析了抽油桿的腐蝕原因。

1 理化檢驗

1.1 油田采出液成分分析

1.1.1 紅外光譜分析

將采集到的油田采出液在溫度為105 ℃下烘干4 h后進行固含量測試,結果約為2.5%(質量分數,下同)。采用傅里葉變換紅外光譜儀測得油田采出液烘干樣品的紅外譜圖如圖1所示,結果表明油田采出液成分中含有CaCl2。

圖1 油田采出液紅外譜圖Fig.1 Infrared spectrum of oilfield produced fluid

圖2 油田采出液離子色譜圖Fig.2 Ion chromatograms of oilfield producted fluid:a) anion chromatogram; b) cation chromatogram

1.1.2 離子色譜分析

采用電感耦合等離子發射光譜儀(ICP-OES)定量分析采出液成分，結果如表1所示。可見該油田采出液中鈣元素含量約為0.11%，鐵元素含量約為0.007 8%，鉀元素含量約為0.02%，鈉元素含量約為0.71%，硫元素含量約為0.04%。因電感耦合等離子發射光譜主要檢測金屬離子含量，而離子色譜重點檢測陰離子及部分陽離子，雖然兩者得出的結果略微不同，但互為補充。

表1 油田采出液成分定量分析結果(質量分數)Tab.1 Quantitative analysis results of oilfield producted fluidcomposition (mass fraction) %

1.2 抽油桿化學成分分析

在抽油桿桿體上取樣進行化學成分分析，結果如表2所示。可見，抽油桿化學成分滿足GB/T 26075—2019《抽油桿用圓鋼》對20CrMoA鋼D級抽油桿的要求。

表2 抽油桿化學成分分析結果(質量分數)Tab.2 Analysis results of chemical composition ofsucker rod (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

在未使用的抽油桿和腐蝕的抽油桿上分別取樣進行金相檢驗,取樣位置及顯微組織形貌如圖3所示。可見，腐蝕前后抽油桿桿體的顯微組織均為回火索氏體+少量上貝氏體。

圖3 抽油桿取樣位置及顯微組織形貌Fig.3 Sampling positions and microstructure morphology of sucker rod:a) sampling position of unused sucker rod; b) sampling position of corroded sucker rod; c) microstructure morphology of unused sucker rod;d) microstructure morphology of corroded sucker rod

進一步觀察未使用及腐蝕的抽油桿金相試樣組織中非金屬夾雜物形貌，如圖4所示，夾雜物評級為D 0.5級，可知夾雜物等級較低，滿足GB/T 26075—2019對20CrMoA鋼D級抽油桿的要求(不大于2.0)。

圖4 抽油桿非金屬夾雜物形貌Fig.4 Morphology of nonmetallic inclusions in sucker rod:a) unused sucker rod; b) corroded sucker rod

1.4 掃描電鏡及能譜分析

在腐蝕的抽油桿上取樣,取樣位置如圖3b)所示，對腐蝕坑附近進行掃描電鏡(SEM)分析和能譜(EDS)分析，結果如圖5所示。掃描電鏡分析結果表明腐蝕的抽油桿經過疲勞腐蝕作用出現了少量裂紋和孔洞;能譜分析結果表明抽油桿的腐蝕產物中含有腐蝕性元素氧、硫、氯，其中氯元素的含量較高，還有硅、鋁、鈣、鎂元素等。

圖5 腐蝕抽油桿的SEM形貌及EDS分析結果Fig.5 a) SEM morphology and b) EDS analysis results of corroded sucker rod

圖6 抽油桿腐蝕產物紅外譜圖Fig.6 Infrared spectrum of corrosion products of sucker rod:a) original sample; b) gray sample

1.5 腐蝕產物成分分析

在抽油桿刮取腐蝕產物進行紅外色譜分析，結果如圖6所示。原樣圖譜表明腐蝕產物主要為無機鹽，灰樣圖譜表明腐蝕產物主要是Fe2O3。采用ICP-OES定量分析腐蝕產物成分及其含量，結果如表3所示。可見抽油桿腐蝕產物中含有大量硫元素，推測抽油桿可能與油田采出液中的含硫化合物發生了化學腐蝕。

表3 腐蝕產物成分定量分析結果(質量分數)Tab.3 Quantitative analysis results of corrosion productcomposition (mass fraction) %

2 分析與討論

根據油田采出液的成分分析結果可知，該油井采出液中氯離子的含量為5 224.4 mg·L-1,鈉、鈣離子的含量也相對較高，pH為6.7，而且含有硫元素，腐蝕產物主要是氧化鐵和含硫化合物。基于上述分析認為，該井油管腐蝕的主要原因是氧腐蝕和硫化氫腐蝕。

2.1 氧腐蝕

氧腐蝕是石油工業中常見的一種腐蝕類型，其實質為氧氣溶解于水中，金屬與水中溶解的氧發生電化學腐蝕，腐蝕過程為

Fe→Fe2++2e-

(1)

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

生成的亞鐵離子在水環境中很不穩定，極易發生以下反應

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(3)

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3

(4)

部分Fe(OH)3隨后進一步脫水成為鐵銹或水解成羥基氧化鐵，其反應為

2Fe(OH)3-H2O→Fe2O3·2H2O

(5)

Fe(OH)3-H2O→FeO(OH)

(6)

8FeO(OH)+Fe2++2e-→3Fe3O4+4H2O

(7)

2.2 硫化氫腐蝕

硫化氫在水溶液中會電離出H+,HS-,S2-，離子對金屬的腐蝕是氫去極化過程。硫化氫首先吸附在鐵表面，鐵經過一系列陰離子的吸附和脫附、陽極氧化、水解等過程生成鐵離子或者硫化鐵，反應過程為

Fe+H2S+H2O→FeHS-+H3O+

(8)

FeHS-→FeHS++2e-

(9)

FeHS+H3O+→Fe2++H2S+H2O

(10)

Fe2++HS-→FeS+H+

(11)

2.3 氯離子的影響

氯離子主要來自油氣田水中礦化物和酸化作業中的殘酸，其在抽油桿的腐蝕過程中起催化作用。基于電價平衡，帶負電荷的氯離子極易吸附到金屬表面，阻礙保護性的硫化鐵膜在金屬表面形成。另外，氯離子還能通過金屬表面硫化鐵保護膜的細孔或缺陷滲入膜內，使保護膜發生開裂，導致孔蝕。氯離子一旦與金屬表面接觸，會加速鐵離子溶解，生成易水解的FeCl3，加速金屬腐蝕。

3 結論及建議

(1) 抽油桿腐蝕主要是因油田采出液中溶解氧及硫化氫含量較高，導致的氧腐蝕和硫化氫腐蝕；另外氯離子含量較高加劇了抽油桿的局部腐蝕。

(2) 建議在油井中加入適量緩蝕劑，減輕腐蝕對抽油桿力學性能的影響。