南海西部某油井7″套管腐蝕失效分析

方明新孫愛平申洪臣李 強(qiáng)廖 粵張家梅(.中海石油（中國）湛江分公司，廣東 湛江 54057 ；.中海石油能源發(fā)展股份有限公司采技服油田化學(xué)公司，廣東 湛江54057；）

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南海西部某油井7″套管腐蝕失效分析

方明新2孫愛平2申洪臣1李 強(qiáng)2廖 粵2張家梅2
(1.中海石油（中國）湛江分公司，廣東 湛江 524057 ；2.中海石油能源發(fā)展股份有限公司采技服油田化學(xué)公司，廣東 湛江524057；）

摘 要：南海西部某油田油井套管發(fā)生腐蝕穿孔。結(jié)合現(xiàn)場工況，通過多種試驗(yàn)手段和模擬實(shí)驗(yàn)，確定了7″套管腐蝕穿孔失效腐蝕的原因?yàn)閮?nèi)壁磨損和氧腐蝕共同作用下造成的，內(nèi)壁磨損腐蝕為主因，氧腐蝕起到輔助作用。

關(guān)鍵詞：失效分析 油套管 氧腐蝕 腐蝕穿孔

0 概述

在2011年1月巡檢中發(fā)現(xiàn)南海西部某油井井口區(qū)有異常氣味，套管環(huán)空有可燃?xì)夂虷2S溢出，最高濃度60ppm和40ppm。2012年4月，在對該井進(jìn)行換套管作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)原7"套管第1根套管頂部管已穿透，套管環(huán)空與環(huán)境連通，7"套管所處溫度、壓力均為環(huán)境溫度、壓力。該油井H2S檢測濃度為22000ppm。

1 試驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀分析

送檢7"套管長度1.06m（圖1），從圖1可知，一端為外螺紋接頭，另一端為切割端，其宏觀腐蝕形貌，外壁覆蓋紅棕色疏松腐蝕產(chǎn)物。管體外壁穿透處附近可見針孔狀腐蝕坑，外壁表面整體較平整，穿透處對側(cè)外壁無明顯局部腐蝕痕跡。7"套管單側(cè)腐蝕穿透，兩個穿透區(qū)域軸向總長度約0.98m，均呈梭形，螺紋端的梭形區(qū)域長度約0.51m，最寬處約92mm，切割端梭形區(qū)域長度約0.47m，最寬處約66mm。切割端穿透處管壁邊緣鋒利，有多個外徑1～8mm的孔洞，孔洞處外壁平整，外螺紋接頭端穿透處管體邊緣呈鋸梳齒狀，均為內(nèi)壁腐蝕所致。

圖1 7"套管宏觀形貌

將送檢7"套管沿軸向?qū)ζ食蓛砂?，腐蝕穿透側(cè)為7"套管-1如圖2所示，另一側(cè)為7"套管-2如圖3所示。

圖2 7"套管-1內(nèi)壁宏觀形貌

樣品內(nèi)壁呈黑色和紅棕色，黑色區(qū)域腐蝕產(chǎn)物呈油泥狀，紅棕色區(qū)域?yàn)槭杷筛g產(chǎn)物見圖2（a）。切割端穿透處內(nèi)壁密布腐蝕坑，部分蝕坑穿透管壁形成孔洞見圖2（b）。樣品中部穿透處邊緣內(nèi)壁凹凸不平，沿穿透處邊緣有成串腐蝕穿孔見圖2（c）。外螺紋端穿透處內(nèi)壁密布腐蝕坑，邊緣呈梳齒狀，是由于內(nèi)壁腐蝕后僅殘余下螺紋所致見圖2（d）。與管體穿透處周向呈90°的對剖切口邊緣處內(nèi)壁同樣密布腐蝕坑，但腐蝕坑沿軸向分布見圖2（e）。

圖3 7"套管-2宏觀形貌

圖3為7"套管-2宏觀形貌，樣品內(nèi)壁呈黑色和紅棕色，腐蝕產(chǎn)物極少。管體內(nèi)壁密布外徑1～2mm的小腐蝕坑，部分腐蝕坑成串分布，腐蝕明顯較穿透處內(nèi)壁腐蝕輕微。管體中部和外螺紋端內(nèi)壁均可見平行于周向的多條磨蹭痕跡，磨蹭痕跡長度不等，但寬度基本在2～3mm范圍內(nèi)。周向磨蹭痕跡形狀規(guī)則，應(yīng)為工具在套管內(nèi)做自轉(zhuǎn)運(yùn)動造成的。

1.2 微觀分析

1.2.1 穿透處邊緣顯微形貌分析

在7"套管-1穿透處邊緣切取小塊樣品，用丙酮清洗烘干后，采用OLYMPUS體式顯微鏡對其進(jìn)行觀察如圖4所示。

圖4 7"套管-1穿透處邊緣小塊樣品形貌

圖4可見小塊樣品內(nèi)壁凹凸不平，腐蝕孔洞內(nèi)壁口大外壁口小，外壁明顯較內(nèi)壁腐蝕輕微，外壁表面整體較平整，但外壁仍可見外徑小于1mm的腐蝕坑。

1.2.2 掃描電子顯微分析及能譜分析

在7"套管-1穿透處邊緣切取10×15mm的塊狀樣品，用丙酮清洗烘干，在掃描電子顯微鏡下觀察。圖5為樣品顯微形貌和能譜區(qū)域，表1為能譜分析結(jié)果。

由圖5可見7"套管穿透處邊緣內(nèi)壁表面凹凸不平，腐蝕穿孔處附著有疏松的腐蝕產(chǎn)物，部分腐蝕產(chǎn)物由于快要脫落而在掃描電子顯微照片中呈亮白色，將內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物放大觀察，腐蝕產(chǎn)物呈多孔結(jié)構(gòu)，外壁腐蝕產(chǎn)物較少，呈碎屑狀。

圖5 7"套管穿透處顯微形貌

表1 7"套管能譜分析結(jié)果（原子百分比atom%）

分別在內(nèi)壁腐蝕穿孔處的腐蝕產(chǎn)物，穿孔旁內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物和外壁處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。從表1可知內(nèi)壁穿孔處（譜圖1）和其旁邊（譜圖2）的腐蝕產(chǎn)物成分相似，腐蝕產(chǎn)物由Fe、C、O、Na、Mg、Ca、S、Cl組成，以Fe、C、O為主。表1中外壁腐蝕產(chǎn)物（譜圖3）由Fe、C、O、Na、S、Cl組成，以Fe、C、O為主。Mg、Ca等元素可能來源為油田產(chǎn)出水。由此判斷，該油井內(nèi)油套和套管可能均已穿透，這與巡檢時發(fā)現(xiàn)套管環(huán)空有可燃性氣體的情況是吻合的。

在7"套管斷口處切取2塊10×10mm的塊狀樣品，用膠木粉對其進(jìn)行鑲嵌，并用砂紙研磨樣品橫截面，用丙酮清洗烘干后，在掃描電子顯微鏡下觀察。圖6為樣品橫截面顯微形貌和能譜區(qū)域，表2為能譜分析結(jié)果。

圖6 7"套管橫截面顯微形貌

表2 7"套管能譜分析結(jié)果（原子百分比atom%）

圖6為7"套管穿透處橫截面顯微形貌。斷口內(nèi)壁和外壁均存在腐蝕。內(nèi)壁腐蝕坑尺寸較大，外壁腐蝕坑為底大口小的葫蘆狀，腐蝕坑底部寬度0.51mm坑口最窄處寬度0.25mm腐蝕坑深度超過1mm。從表2中可知，分別在內(nèi)壁（譜圖1和譜圖2）和外壁腐蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物（譜圖3）上和腐蝕坑底部緊貼金屬處（譜圖4）進(jìn)行能譜分析。內(nèi)壁坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物較外壁坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物多出Na、Mg、Ca元素，內(nèi)壁腐蝕坑內(nèi)緊貼金屬壁處無Na、Mg、Ca元素。外壁腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、C、O、S、Cl組成，外壁腐蝕坑底緊貼金屬處Cl含量較高，Cl-會促進(jìn)外壁局部腐蝕。

1.2.3 金相顯微分析

分別在7"套管-1穿透處和7"套管-2磨蹭痕跡處切取20×20mm塊狀樣品，對其橫截面進(jìn)行研磨并拋光，用3%硝酸酒精浸蝕后，觀察其金相顯微組織。

7"套管-1穿透處，見圖7（a），7"套管-2磨蹭處，見圖7（b）（c）（d）（e），金相顯微組織均為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，組織均勻，晶粒度6.5級。管體穿透處橫截面內(nèi)壁凹凸不平，外壁可見多個底大口小的腐蝕坑，但外壁輪廓仍是平直的。管體穿透處對側(cè)的內(nèi)壁磨蹭處外壁表面平滑，無腐蝕坑，樣品內(nèi)壁磨蹭痕跡處未見變形層，且邊緣呈圓角，該磨蹭痕跡表面已發(fā)生腐蝕。

圖7 7"套管-1橫截面金相顯微組織

1.3 腐蝕產(chǎn)物分析

分別在7"套管內(nèi)壁和外壁刮取腐蝕產(chǎn)物，用丙酮清洗烘干后，將腐蝕產(chǎn)物研磨成粉末，過300目篩子后，對樣品進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖8、圖9和表3。

由XRD分析結(jié)果可知，7"套管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物成分為74%的Fe3O4，23%的FeO（OH）和1%的FeS，外壁腐蝕產(chǎn)物成分為67%的Fe3O4和32%的FeO（OH）和1%的FeS。7"套管內(nèi)壁和外壁腐蝕產(chǎn)物主要為Fe的氧化物，少量的Fe的硫化物是受到井內(nèi)泄漏的H2S氣體影響。7"套管腐蝕以O(shè)2腐蝕為主。

圖8 7"套管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果

圖9 7"套管外壁腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果

表3 7"套管腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果

2 分析與討論

該井7″套管頂部單側(cè)腐蝕穿透，穿透區(qū)域軸向長度約0.98m，穿透方向由內(nèi)壁向外壁，穿透腐蝕嚴(yán)重，該處內(nèi)壁密布腐蝕坑，穿透處對側(cè)內(nèi)壁可見沿周向的多條平行的磨蹭痕。該油井內(nèi)含有22000ppm的H2S，由于油套管均已蝕穿，且現(xiàn)場在套管環(huán)空檢測到可燃?xì)怏w，在井口檢測到H2S，說明7″套管有一段時間是與井內(nèi)腐蝕性氣體H2S接觸的，同時，套管均已蝕穿，套管環(huán)空內(nèi)液體為海水，環(huán)空與大氣連通，該處溫度和壓力均與環(huán)境相同。

宏觀分析和微觀分析均表明穿透處的破壞由內(nèi)壁向外壁。能譜分析和XRD分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物以Fe的氧化物為主并含有少量Fe的硫化物，套管內(nèi)壁以氧腐蝕為主。

井下管線發(fā)生腐蝕通常是由于管線處于腐蝕環(huán)境中，如井下濕環(huán)境及腐蝕性氣體，但是，由于管內(nèi)周向環(huán)境基本相同，極少發(fā)生管體單側(cè)腐蝕現(xiàn)象。針對A2井7″套管內(nèi)壁發(fā)生單側(cè)腐蝕的情況，進(jìn)行分析。

在鉆井過程中，下入套管后繼續(xù)進(jìn)行鉆井作業(yè)，鉆柱與套管間有可能發(fā)生偏磨，造成套管損傷。在修井過程中，工具串進(jìn)出井內(nèi)，也有可能與套管發(fā)生摩層，造成套管內(nèi)壁損傷。

A2井7″套管穿透側(cè)對面一側(cè)內(nèi)壁可見平行于周向的多處條狀磨蹭痕跡，且造成該磨蹭痕跡后套管又受到了一段時間的腐蝕。套管穿透側(cè)內(nèi)壁局部減薄，穿透處邊緣極薄。

圖10為某次鉆桿與套管磨損試驗(yàn)樣品，試樣1發(fā)生單側(cè)磨損，磨損處內(nèi)壁局部減薄，且邊緣鋒利，試樣2內(nèi)壁多處發(fā)生磨損，磨損均呈一側(cè)內(nèi)壁損傷嚴(yán)重，對側(cè)損傷較輕的狀態(tài)，說明磨損過程中，套管發(fā)生偏磨，一側(cè)磨損極為嚴(yán)重，對側(cè)可能只留下較輕微的磨蹭痕跡。

圖10 鉆桿與套管磨損試驗(yàn)樣品

該井7″套管損傷形貌與磨損試驗(yàn)樣品損傷形貌相像，一側(cè)內(nèi)壁局部損傷，邊緣鋒利，損傷對側(cè)可觀察到磨蹭痕跡。當(dāng)套管內(nèi)壁發(fā)生磨蹭損傷時，其表面不平整，且有可能形成變形層或硬化層，這些因素均會加速該處腐蝕。

圖11是在該井采油樹上拍攝的腐蝕形貌，在腐蝕區(qū)域邊緣存在一條深深的“斷層”，這是明顯的磨損痕跡，另外，“斷層”至對稱位置以內(nèi)，腐蝕減薄明顯厲害，其它位置減薄較少，這一區(qū)域很規(guī)則，只有磨損最有可能產(chǎn)生此種腐蝕形貌。

圖11 該井采油樹7″套管腐蝕痕跡

結(jié)合前面的分析，該井套管在腐蝕前發(fā)生偏磨損傷的可能性較大，不僅鉆柱可能造成套管損傷，井下工具串在下入或旋轉(zhuǎn)上提過程中也有可能損傷套管內(nèi)壁。

3 結(jié)論

經(jīng)過以上試驗(yàn)和分析，該井7″套管腐蝕穿孔失效分析結(jié)論如下：

（1）7″套管腐蝕穿孔失效是從套管內(nèi)壁開始，然后往外腐蝕造成穿孔，腐蝕的原因?yàn)閮?nèi)壁磨損和氧腐蝕共同作用下造成的，內(nèi)壁磨損腐蝕為主因，氧腐蝕起到輔助作用，其中磨損腐蝕可能是由作業(yè)過程中鉆柱、井下工具串或其它作業(yè)工具在旋轉(zhuǎn)、下井或上提等作業(yè)時造成的；

（2）從該油田其它油井調(diào)研了解到，其它油井7″套管相應(yīng)位置都不存在該井的腐蝕問題，結(jié)合腐蝕原因可知，該井7″套管腐蝕失效為特例，同時鑒于發(fā)生了此種腐蝕問題，說明類似的腐蝕可能還會存在，因此，現(xiàn)場作業(yè)時，應(yīng)該嚴(yán)格按照操作規(guī)章作業(yè)，盡量避免出現(xiàn)類似的腐蝕問題。

中圖分類號：TE985

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.072.06

作者簡介：方明新（1978-），男，廣東惠陽人，大學(xué)本科，工程師，從事研究方向?yàn)橛吞锘瘜W(xué)。

Failure Analysis of Casing Pipe of The Oil Well at Oil Platform

FANG Ming-xin2, SUN Ai-ping2, SHEN Hong-chen1, LI Qiang2, LIAO yue2, ZHANG Jia-mei2
(1.CNOOC Zhanjiang Co., Zhanjiang 524057, China; 2.CNOOC-ETS-Oilfield Technology Services Co., Zhanjiang 524057,China)

Abstract：A west of the south China sea oil field was found oil well casing pipe corrosion perforated.Through a variety of test methods and model experiment, meanwhile, according to the field conditions, determine the reason of 7"oil well casing pipe corrosion perforated was caused by the lining wear and oxygen corrosion of which under the common action, the lining wear it's the major cause, oxygen corrosion was the supporting role.

Keywords:failure analysis; oil well casing pipe; the oxygen corrosion; corrosion perforated