摘 要:在某注水井油管起出井下管柱作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)其存在穿孔。采用宏觀觀察、化學(xué)成分 分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測試、附著物分析、結(jié)垢預(yù)測及細(xì)菌檢測、能譜分析、腐蝕模擬 試驗(yàn)等方法,分析了油管穿孔的原因。結(jié)果表明:油管受到井下工況環(huán)境與注入水介質(zhì)成分的影 響,在其內(nèi)壁形成并附著了 CaCO3,BaSO4 等垢層,形成了垢下腐蝕環(huán)境;在 Cl - 、還原菌的雙重作 用下,局部敏感區(qū)域的垢下腐蝕不斷加劇,最終導(dǎo)致該油管發(fā)生了腐蝕穿孔。 

關(guān)鍵詞:井下管柱;腐蝕穿孔;腐蝕模擬試驗(yàn);垢下腐蝕 

中圖分類號(hào):TG178;TG115.5                           文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                      文章編號(hào):1001-4012(2022)09-0066-05

某 注 水 井 在 進(jìn) 行 換 管 柱 作 業(yè) 前 日 配 注 量 為 1080m 3,井口壓力為14.3 MPa,套壓為8 MPa,日 注水量為 540 m 3,注水方式為海水 + 生產(chǎn)污水混 注,管柱采用88.9mm(外徑)的 N80油管,油管采 用的是淬火+回火處理工藝。2020年3月,該井在 起出管柱過程中,發(fā)現(xiàn)井下深度3341m 處油管存 在穿孔現(xiàn)象。為查明該油管發(fā)生穿孔的原因,對(duì)該 穿孔油管進(jìn)行理化檢驗(yàn)及分析,并為預(yù)防后續(xù)管柱 發(fā)生類似問題制定了有效的措施。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

從現(xiàn)場共回收油管2根,分別標(biāo)號(hào)為1 # ,2 # , 其中1 # 油管未發(fā)現(xiàn)穿孔失效,為對(duì)比樣管,位于井 下深度 3350m 處;2 # 油管為穿孔失效管,位于井 下深度3341m 處,兩根油管處于同一個(gè)注水層位。

觀察1 # ,2 # 油管外壁,發(fā)現(xiàn)1 # 油管外壁無明顯 附著物及腐蝕缺陷[1-2],2 # 油管外壁無明顯附著物,除2處穿孔位置外,油管外壁其余表面均未發(fā)現(xiàn)明 顯的腐蝕缺陷,外壁穿孔部位平整(見圖1)。

沿軸向?qū)?1 # ,2 # 油 管 進(jìn) 行 縱 向 解 剖,觀 察 其 內(nèi)壁形貌,1 # ,2 # 油管內(nèi)壁形貌相似,均存在一層 附著物且內(nèi)壁多處有明顯局部腐蝕坑,1 # 油管內(nèi) 壁某些位置 雖 然 未 發(fā) 生 穿 孔,但 局 部 腐 蝕 已 非 常 嚴(yán)重,壁厚減少約90%以上[見圖2a),2b)]。2 # 油管穿孔位 置 的 內(nèi) 壁 附 著 物 明 顯,穿 孔 為 局 部 腐 蝕加深所致,附 近 其 他 位 置 也 發(fā) 現(xiàn) 多 處 局 部 腐 蝕 坑[見圖2c),2d)]。

1.2 化學(xué)成分分析 

采用直讀光譜儀對(duì)1 # ,2 # 油管進(jìn)行化學(xué)成分 分析,結(jié)果如表1所示?？梢? # ,2 # 油管的化學(xué)成 分 均 滿 足 API SPEC 5CT—2018 Casing and Tubing 對(duì) N80鋼的要求。 

1.3 硬度測試 

采用 R574型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)對(duì)1 # ,2 # 油管進(jìn)行硬度測試,測試位置如圖3所示,測試結(jié)果如表2 所示,由 表 2 可 知:1 # ,2 # 油 管 的 硬 度 未 見 明 顯 差異。

1.4 金相檢驗(yàn) 

對(duì)1 # ,2 # 油管分別取樣,采用 ZEISSObserver A1m 型光學(xué)倒置顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn),可見1 # ,2 # 油管基體組織均為回火索氏體(見圖4),其中1 # 油 管存在 B類和 D 類夾雜物,2 # 油管存在 D 類夾雜 物,最大直徑為20.37μm(見表3和圖5)。

1.5 力學(xué)性能測試 

采用ZWICKZ600 型雙立柱萬能材料試驗(yàn)機(jī) 對(duì)1 # ,2 # 油管進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表4所示,可 見1 # ,2 # 油管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率 均滿足 APISPEC5CT—2018 對(duì) N80鋼的要求。

采用 PSW750型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)及 CST-50型 沖擊試樣缺口投影儀對(duì)1 # ,2 # 油管進(jìn)行沖擊試驗(yàn), 沖擊試樣加工尺寸為55mm×10mm×3.3mm(長 ×寬×高),缺口類型為 V 型,刀刃半徑為8 mm,試驗(yàn)溫度為0 ℃,沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,可見 1 # ,2 # 油管的沖擊性 能 均 滿 足 APISPEC5CT— 2018對(duì) N80鋼的要求。

1.6 附著物分析 

分別選取1 # ,2 # 油管內(nèi)壁附著物進(jìn)行成分分 析。將試樣經(jīng)石油醚+酒精溶解、除油、過濾、干燥 處理后,進(jìn)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 λ 為 1.54056nm,分析結(jié)果如圖6,7所示。 

XRD 分析 結(jié) 果 表 明:1 # 油 管 內(nèi) 壁 附 著 物 主 要為 FeCO3,CaCO3,CaAl2Si2O8,2 # 油 管 內(nèi) 壁 附 著物主 要 為 FeCO3,CaSO4,CaAl2Si2O8 等,推 測 FeCO3 應(yīng) 為 內(nèi) 壁 腐 蝕 產(chǎn) 物,CaCO3,CaSO4 應(yīng) 為 結(jié)垢物,而硅鋁酸鹽 類 物 質(zhì) 的 存 在 應(yīng) 為 地 層 中 返 砂所致。 

1.7 結(jié)垢預(yù)測及細(xì)菌檢測

采用 SY/T0600—2009 《油 田 水 結(jié) 垢 趨 勢 預(yù) 測》中 的 方 法,對(duì) 該 井 注 入 水 分 別 開 展 CaCO3, CaSO4,BaSO4,SrSO4 的結(jié)垢趨勢預(yù)測,結(jié)果如表6 所示。由表6可知:注入水存在 CaCO3,CaSO4 結(jié) 垢趨勢,該結(jié)果與 XRD分析結(jié)果相符。

經(jīng) 檢 測,水 樣 pH 為 7.8,采 用 SY/T0532— 2012《油田注入水細(xì)菌分析方法絕跡稀釋法》中細(xì) 菌的測試計(jì)算方法,得出該水樣存在一定量的硫酸 鹽還原菌(SRB)、無腐生菌(TGB)與鐵細(xì)菌(FB), 其中SRB的檢出數(shù)量為130個(gè)/mL。

1.8 能譜分析 

選取2 # 油管內(nèi)壁某一腐蝕坑進(jìn)行能譜分析,從 內(nèi)向外依次在油管內(nèi)壁基體、內(nèi)壁附著物、內(nèi)壁最外 層沉積物進(jìn)行取點(diǎn)分析,分析位置如圖8所示。由 能譜分析結(jié)果可知:油管基體主要含有 C,O,Mn, Fe等元素;內(nèi)壁附著物主要含有 Fe,C,O,Cl等元 素,且 Cl元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)比較高,會(huì)加劇 腐蝕的發(fā)生;內(nèi)壁最外層沉積物主要含有 Fe,C,O, Si,Al,Ca等元素。

1.9 腐蝕模擬試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究注入水中結(jié)垢物對(duì)管材腐蝕程度 的影響,設(shè)計(jì)兩組腐蝕模擬試驗(yàn),分別定義為 A 組、B組,其中 A 組不加入油管內(nèi)壁附著物,B 組加入 70g內(nèi)壁附著物,試驗(yàn)條件為模擬井下實(shí)際使用工 況條件,溫度為65 ℃,壓力為15 MPa,環(huán)境氣體為 N2,流速為1 m/s,試驗(yàn)時(shí)間為7d,試驗(yàn)水質(zhì)為注 入水。 

掛片試 樣 取 自 油 管 管 體,分 別 用 320 號(hào)、600 號(hào)、800號(hào)和1200號(hào)砂紙逐級(jí)打磨,將試樣清洗、除 油、冷風(fēng)吹干后測量其尺寸和質(zhì)量,再將試樣相互絕 緣地安裝在特制的試驗(yàn)架上,放入高壓釜內(nèi)的腐蝕 介質(zhì)環(huán)境中。試驗(yàn)結(jié)束后,將試樣放入由1L 稀鹽 酸、20g三氧化二銻及50g氧化亞錫配制的酸洗溶 液中劇烈攪拌,直至腐蝕產(chǎn)物被清除。將酸洗后的 試樣進(jìn)行沖洗、中和處理,再?zèng)_洗、脫水后,用電子天 平稱其質(zhì)量,并進(jìn)行結(jié)果計(jì)算。

試樣平均腐蝕速率 Vcorr 的計(jì)算方法為

式中:Vcorr 為平均腐蝕速率;m 為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量; mt 為試驗(yàn)后試樣質(zhì)量;S1 為試樣的總面積;t為試 驗(yàn)時(shí)間;ρ為試樣材料的密度。 最大點(diǎn)蝕速率Vt 的計(jì)算方法為

式中:ht 為試驗(yàn)后試樣表面最大點(diǎn)蝕深度。

試驗(yàn)結(jié)果顯示:A 組試樣表面均被一層灰黑色 物質(zhì)覆蓋,經(jīng)能譜分析可知其主要含有 C,O,Fe,Ca 等元素,推測其中較高含量的 Ca元素來源于水質(zhì) 結(jié)垢,說明水質(zhì)的結(jié)垢沉積速率較快。進(jìn)一步觀察 試樣表面,未見明顯點(diǎn)蝕坑,整體呈現(xiàn)均勻腐蝕特征 [見圖9a)]。將試樣酸洗并中和后,稱其質(zhì)量并計(jì) 算其腐蝕速率,結(jié)果如表7所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) Q/HS 2064—2011《海上油氣田生產(chǎn)工藝系統(tǒng)內(nèi)腐蝕控制 及效果評(píng)價(jià)要求》中對(duì)碳鋼材料的腐蝕程度的劃分, 可知注入水環(huán)境下,A 組試樣的平均腐蝕程度為中 度腐蝕。 

與 A 組試樣相比,B 組試樣均呈現(xiàn)點(diǎn)蝕特征, 且試樣 表 面 的 附 著 物 較 多。參 照 GB/T18590— 2001《金屬和合金的腐蝕 點(diǎn)蝕評(píng)定方法》,采用顯 微鏡觀察試樣表面點(diǎn)蝕分布情況并計(jì)算點(diǎn)蝕密度, 測量點(diǎn)蝕深度,計(jì)算腐蝕速率,結(jié)果如表7所示。根 據(jù)標(biāo)準(zhǔn) Q/HS2064—2011要求中對(duì)碳鋼材料的腐 蝕程度的劃分,可知結(jié)垢物存在的環(huán)境下,B組試樣 的最大點(diǎn)蝕速率均為嚴(yán)重腐蝕。

2 綜合分析 

油管的化學(xué)成分、硬度、拉伸性能、沖擊性能均滿 足 APISPEC5CT—2018的要求,排除由于材料問題 引起的腐蝕失效。根據(jù)宏觀形貌來看,油管外壁光 滑,無明顯附著物,內(nèi)壁附著有較厚的垢層,垢層下可 見局部腐蝕坑,腐蝕坑為由內(nèi)向外擴(kuò)展,說明該油管 穿孔是內(nèi)腐蝕導(dǎo)致的,且具備垢下腐蝕特征。內(nèi)壁附 著物主要為 FeCO3,CaCO3,CaAl2Si2O8,判斷其主要 來源于CO2 腐蝕產(chǎn)物、CaCO3 結(jié)垢物、地層物質(zhì)。根 據(jù)水質(zhì)分析可知:注入水存在 CaCO3,CaSO4 結(jié)垢趨 勢,與垢樣分析結(jié)果相匹配,細(xì)菌檢測可見少量SRB, 會(huì)對(duì)局部腐蝕產(chǎn)生一定的加速作用。高溫、高壓腐蝕 模擬試驗(yàn)顯示,當(dāng)試樣表面附著有結(jié)垢物時(shí),會(huì)產(chǎn)生 嚴(yán)重的點(diǎn)蝕,這也進(jìn)一步驗(yàn)證了油管垢下腐蝕這一結(jié) 論。該油管在長期服役過程中,受到井下工況環(huán)境與 注入水 介 質(zhì) 成 分 的 影 響,油 管 內(nèi) 壁 形 成 并 附 著 了CaCO3,BaSO4 等垢層,隨著油管服役時(shí)間的延長,垢 層厚度逐漸增加,最終形成了垢下腐蝕環(huán)境[3-5]。

在垢下腐蝕環(huán)境下,氧濃差電池形成,陽離子向 富氧區(qū)的陰極富集,陰離子(如 Cl - )向貧氧區(qū)的陽 極富集,Cl - 在腐蝕膜局部富集并引起點(diǎn)蝕,進(jìn)而破 壞腐蝕膜,從而加速了油管的局部敏感區(qū)域腐蝕。 另外,水質(zhì)中含有 SRB,垢下環(huán)境有利于細(xì)菌的滋 生,微生物腐蝕[6-10]也會(huì)加劇腐蝕的發(fā)生。

3 結(jié)論及建議 

油管受井下工況環(huán)境與注入水介質(zhì)成分的影響, 內(nèi)壁形成并附著了 CaCO3,BaSO4 等垢層,形成垢下 腐蝕。在Cl - 和SRB的雙重作用下,局部敏感區(qū)域的 垢下腐蝕不斷加劇,最終導(dǎo)致油管發(fā)生了腐蝕穿孔。 

建議 定 期 對(duì) 水 質(zhì) 進(jìn) 行 細(xì) 菌 檢 測,包 括 SRB, TGB,FB細(xì)菌等,若水質(zhì)中細(xì)菌含量較高,可以在 注水管柱系統(tǒng)中投加化學(xué)殺菌劑。定期對(duì)油管清洗 除垢或者及時(shí)加入阻垢劑,減少沉積物環(huán)境在特殊 位置的留存時(shí)間,降低垢下腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。建議井下管 柱特殊位置選用耐腐蝕的管材。 

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<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 58卷 > 9期 (pp:66-70)>