渤海某油田回注井油管連接件腐蝕分析

張 浩

（中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452）

0 引言

為了污水回注節(jié)能環(huán)保的同時(shí)，達(dá)到注采平衡，補(bǔ)充地層能量；中海油渤海油田為了滿足油田穩(wěn)產(chǎn)除了油井外投用相應(yīng)的污水回注井。不同注水井的根據(jù)油田不同地層開發(fā)配制了注水層位。某渤海油田生產(chǎn)污水回注井，該井配制了不同注水層位，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)不能有效的將生產(chǎn)污水配注到需求地層。基于此，油田現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該井實(shí)施修井作業(yè)，發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的油管連接件腐蝕，并對(duì)此進(jìn)行分析，查找腐蝕原因并給出應(yīng)對(duì)措施。

1 研究對(duì)象

作業(yè)過程取出油管單根，從上層開始取，取到第45根油管開始直到井底的所有油管單根，在兩根油管的連接處均發(fā)現(xiàn)油管本體完好、連接件腐蝕的現(xiàn)象。

從該現(xiàn)象可以看出正是因?yàn)檫B接件連接處的腐蝕導(dǎo)致了油管連接不能密封，注水通過連接件腐蝕處漏出，導(dǎo)致配注的污水不能回注到相應(yīng)的地層。具體照片如下：

圖1（a）為腐蝕失效件現(xiàn)場(chǎng)井下取出時(shí)的形貌狀態(tài)。圖1（b）為腐蝕件取回40d后的宏觀形貌。取回后，研究件在空氣中長(zhǎng)期放置，大氣腐蝕的影響也較為明顯，腐蝕件表面存在較為致密的腐蝕產(chǎn)物。

圖1（a）為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)當(dāng)場(chǎng)拍照的注水井油管連接件的表觀形態(tài)。明顯看出連接件兩端腐蝕嚴(yán)重、中間較為輕微；腐蝕狀態(tài)的走向是兩邊向中間擴(kuò)散、縱向發(fā)展，局部點(diǎn)腐嚴(yán)重。根據(jù)腐蝕形態(tài)來看，油管連接件腐蝕并不是整個(gè)面上都有，呈現(xiàn)的狀態(tài)具有方向性；而對(duì)應(yīng)的注水井油管灌注相對(duì)得到保護(hù)，腐蝕較輕微。

2 腐蝕件測(cè)試數(shù)據(jù)

2.1 元素分析

試驗(yàn)儀器：金屬光譜分析儀

試驗(yàn)對(duì)象：油管短節(jié)、連接件

具體如表1所示。

表1 測(cè)試件化學(xué)元素組成

數(shù)據(jù)分析： 二者材質(zhì)相近， 碳含量在0.25%～0.6%之間，屬于中碳鋼。中碳鋼焊接性能較差，印證油管之間采用螺紋連接、而不是焊接。從二者腐蝕的情況來看，油管得到保護(hù)、連接件發(fā)生腐蝕，說明二者材質(zhì)或者金相組織可能不同。

表2 油管、連接件試樣硬度測(cè)試數(shù)據(jù)表

2.2 硬度測(cè)試

試驗(yàn)儀器：維氏、洛氏硬度儀

試驗(yàn)對(duì)象：油管短節(jié)、連接件

分別截取油管和連接件試樣，進(jìn)行磨平、拋光制樣；進(jìn)行硬度測(cè)試，以表2中分別是兩種試樣的維氏硬度和洛氏硬度測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)以上硬度測(cè)試對(duì)比，可以看出油管的硬度高于連接件。

在不考慮加工硬化的影響因素下，維氏硬度與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系如下：

從而根據(jù)維氏硬度值，計(jì)算出來理想狀態(tài)下的油管近似拉伸強(qiáng)度約925.96MPa、連接件的近似拉伸強(qiáng)度約882.84MPa。對(duì)比二者近似強(qiáng)度，顯然油管的近似強(qiáng)度比連接件要高約43MPa。

2.3 拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器：金屬拉伸試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)對(duì)象：油管短節(jié)、連接件。

考慮到油管、連接件的實(shí)際壁厚的差別，連接件帶處的厚度更薄，測(cè)量其厚度小于1.2cm，難于從腐蝕件中截取到標(biāo)準(zhǔn)的拉伸件，因此只能制作非標(biāo)的板狀拉伸試樣。

試樣加工完成，用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比如表3所示，分別是油管和連接件的常溫拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)來看：

（1）油管沒有發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象，連接件拉伸過程發(fā)現(xiàn)屈服現(xiàn)象；

（2）油管的機(jī)械性能更高。

2.4 腐蝕產(chǎn)物分析-掃描電鏡

試驗(yàn)儀器：掃描電子顯微鏡

試驗(yàn)對(duì)象：腐蝕嚴(yán)重的連接件斷口

對(duì)比油管，考慮到連接件發(fā)生了明顯腐蝕。因此，在連接件原始的斷口形貌下，用掃描電鏡掃描，觀察其具體形貌。具體如圖2所示。

從圖2可以看出：

（1）圖2（a）是掃描電鏡放大1000倍的連接件斷面形貌?？梢詮拇藞D看到，腐蝕坑底與腐蝕坑周邊形貌的差別，腐蝕坑底的表面更為粗糙；

表3 油管和連接件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

（2）在此基礎(chǔ)上針對(duì)圖2（a），再進(jìn)一步局部放大，用掃描電鏡進(jìn)一步觀察，如圖2（b）所示?？梢詮膱D中看出，腐蝕坑底部的局部放大圖，能看出細(xì)致的微裂紋的出現(xiàn)；而腐蝕坑底部稍遠(yuǎn)處，有較多的突起小球狀的形貌；

（3）依據(jù)此，可以初步分析，由于腐蝕端口存在微裂紋，表面的腐蝕產(chǎn)物膜不完整，不能很好的保護(hù)金屬基體；腐蝕介質(zhì)由此作為通道進(jìn)入，接觸金屬本體，進(jìn)一步導(dǎo)致基體的腐蝕加劇。

2.5 腐蝕產(chǎn)物分析-能譜分析

試驗(yàn)儀器：能譜分析儀

試驗(yàn)對(duì)象：腐蝕嚴(yán)重的連接件斷口腐蝕產(chǎn)物

對(duì)腐蝕件表面的腐蝕產(chǎn)物也進(jìn)一步進(jìn)行了分析；通過能譜分析，確定其相關(guān)的影響因子。具體如圖3所示。

從以上圖中可以看出：

（1）氧和鐵含量在腐蝕產(chǎn)物中占有較高比重，但是也能看到氯、碳、鉀、鎂、鈣等元素的存在；

（2）由于腐蝕件在大氣中暴露的周期比較長(zhǎng)，因此氧的存在使其產(chǎn)生腐蝕；

（3）其中的氯、碳、鉀、鎂、鈣等元素存在，因?yàn)樽⑺橘|(zhì)本身存在這些離子，這些離子在回注污水中存在，回注污水作為電解質(zhì)存在，使得腐蝕件發(fā)生了電化學(xué)腐蝕。

2.6 電化學(xué)分析

試驗(yàn)儀器：電化學(xué)工作站

試驗(yàn)對(duì)象：油管短節(jié)、連接件

分別針對(duì)腐蝕件的油管和連接件進(jìn)行電化學(xué)分析。具體以5%的氯化鈉水溶液模擬海上油田回注污水；在常溫狀態(tài)下測(cè)試不同材質(zhì)的極化曲線和交流阻抗譜，具體如圖4和圖5所示。

從油管和連接件的極化曲線可看出：（1）油管的腐蝕電位高于連接件；（2）連接件的自腐蝕電流密度約是10倍于油管。油管和油管之間通過連接件來連接，油管的耐腐蝕等級(jí)遠(yuǎn)高于連接件，必然連接件更易于腐蝕。

從油管和連接件的交流阻抗譜圖也可以看出：油管的電阻是連接件的4倍左右。電阻越高，電流越小，腐蝕越難發(fā)生，也印證了連接件的腐蝕更嚴(yán)重于油管。

2.7 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)腐蝕件本身的表面腐蝕形貌和現(xiàn)場(chǎng)的腐蝕工況來看：

（1）油管和連接件的連接處發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生了腐蝕失效行為；具體腐蝕為不同金屬間，由于注水水質(zhì)作為電解質(zhì)情況下發(fā)生的電化學(xué)腐蝕，主要表現(xiàn)為局部腐蝕和電偶腐蝕；

（2）根據(jù)腐蝕件，進(jìn)行了失效原因分析。從分析結(jié)果可以看出，連接件和油管二者的化學(xué)組分接近，但是金相組織或材質(zhì)有所區(qū)別，從而導(dǎo)致其機(jī)械性能不同；

（3）對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了分析，腐蝕產(chǎn)物中主要有Fe和O；也存在氯、碳、鉀、鎂、鈣等元素?？紤]到取回的腐蝕件，對(duì)比取出時(shí)候和送回陸地后的表觀形貌差別大，失效件表面在大氣中發(fā)生了全面腐蝕，產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的鐵銹。因此O的腐蝕主要為后期未保護(hù)好連接件產(chǎn)生的腐蝕，而其他存在元素是在地層中由于回注污水中存在的離子，從而組成了電解質(zhì)，形成了腐蝕環(huán)境；

（4）通過電化學(xué)測(cè)試，也可以看出油管和連接件連接，油管腐蝕更為輕微、連接件腐蝕更為嚴(yán)重，二者結(jié)合形成了電偶腐蝕；在兩者和回注污水作為電解質(zhì)情況下，形成電偶腐蝕。在此腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，形成了油管是大陰極，得到保護(hù)；連接件是小陽(yáng)極，加劇腐蝕。這種情況是典型的大陰極-小陽(yáng)極電偶腐蝕現(xiàn)象。此時(shí)，連接件作為陽(yáng)極發(fā)生溶解，陰極發(fā)生了吸氧腐蝕；

（5）油管和連接件通過螺紋連接緊固，在緊固的過程中，連接處存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，也導(dǎo)致腐蝕的加劇。

3 腐蝕原因

（1）化學(xué)組分相近的油管和連接件，二者可能由于熱處理工藝的差別，導(dǎo)致了金相組織不同，或本身材質(zhì)不同，導(dǎo)致了其機(jī)械性能的差別；

（2）回注污水作為電解質(zhì)的存在，在油管和連接件的腐蝕點(diǎn)位以及自腐蝕電流密度不同的情況下，發(fā)生的電偶腐蝕，導(dǎo)致了腐蝕電位更低、自腐蝕電流密度更大的連接件腐蝕的加劇，在此過程中大陰極-小陽(yáng)極的腐蝕形態(tài)，反而保護(hù)了油管，使得其腐蝕減輕。

4 措施建議

（1）選材

盡量選擇油管和連接件相同的材質(zhì)，盡量避免二者之間的電位差導(dǎo)致的電偶腐蝕；

（2）表面處理技術(shù)

考慮到同名金屬間的螺紋連接可能會(huì)出現(xiàn)粘扣的現(xiàn)象；可以對(duì)油管、連接件的金屬表面進(jìn)行表面處理；例如油管表面磷化工藝，能增強(qiáng)耐蝕性能；連接件表面鍍銅，能有效提高抗粘扣的能力等；

（3）其他油管連接件連接

可以考慮油管連接選擇，復(fù)合材料的油管連接件，如橡膠-金屬?gòu)?fù)合連接件；提高連接件連接的密封性和螺紋連接處的腐蝕；

（4）生產(chǎn)過程的注意

修井作業(yè)時(shí)，在裝配油管-連接件-油管過程中，嚴(yán)格規(guī)范操作，避免機(jī)械損傷或者應(yīng)力集中。如果預(yù)緊力過大，則容易造成應(yīng)力腐蝕。

另外，考慮到回注污水中混合有除氧的海水，在海水除氧過程中要盡量保證除氧充分，避免吸氧腐蝕的發(fā)生。