海上某油田井下管柱腐蝕失效分析

王　宏，劉賢賀

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

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海上某油田井下管柱腐蝕失效分析

王宏，劉賢賀

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

摘要：海上某油田在生產(chǎn)過(guò)程中連續(xù)發(fā)現(xiàn)3口油井的井下管柱腐蝕穿孔，為了保證油田安全生產(chǎn)，避免腐蝕進(jìn)一步發(fā)生，對(duì)井下管柱進(jìn)行了腐蝕失效分析。在對(duì)井下失效管柱的金屬材質(zhì)分析、機(jī)械性能分析、金相組織檢測(cè)和腐蝕產(chǎn)物分析的基礎(chǔ)上，分析了腐蝕的原因。結(jié)果表明，CO2腐蝕是管柱腐蝕的主要原因，管柱中的湍流進(jìn)一步加劇了腐蝕速度。

關(guān)鍵詞：井下管柱；CO2腐蝕；穿孔；失效

海上某油田在生產(chǎn)過(guò)程中連續(xù)發(fā)現(xiàn)3口油井的井下管柱腐蝕穿孔，為了避免腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，保證油田的安全生產(chǎn)，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，同時(shí)為其他油田在油管防腐材質(zhì)選擇等方面積累經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)油田提供的生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)、套管腐蝕失效部件和單井水樣操作目標(biāo)，進(jìn)行井下管柱腐蝕失效分析。

1　井下管柱腐蝕失效分析

1.1化學(xué)元素分析

化學(xué)組成分析列于表1中。每個(gè)元素的含量都滿(mǎn)足API 5CT中N80的含量要求。但是，3號(hào)樣品中C、Cu、Ni、Mo和溶解Al的含量與其

表1　樣品的化學(xué)元素組成

為了弄清楚材質(zhì)之間組分差異原因，對(duì)2號(hào)樣品和3號(hào)樣品進(jìn)行了更多的元素分析，增加元素分析結(jié)果如表2所示。

表2　增加的元素分析結(jié)果

附加元素分析結(jié)果表明：2號(hào)樣品和3號(hào)樣品在Ti、B和N三種元素含量上存在差異。通過(guò)分析結(jié)果可以看到，3號(hào)樣品是硅脫氧鋼，煉鋼過(guò)程中使用矽鐵作為脫氧劑；其他樣品為鋁脫氧鋼，煉鋼過(guò)程中使用鋁作為脫氧劑，同時(shí)為了改善材質(zhì)的硬度，對(duì)材質(zhì)進(jìn)行了硼合金化處理。

1.2硬度測(cè)試

對(duì)樣品進(jìn)行硬度（HRC）測(cè)試，1號(hào)樣品硬度平均值為 18.6，2號(hào)樣品硬度平均值為17.2，3號(hào)樣品硬度平均值為20.4，4號(hào)樣品硬度平均值為19.2，5號(hào)樣品硬度平均值為18.1。每個(gè)N80樣品的硬度都滿(mǎn)API 5CT的要求，但3號(hào)樣品的硬度要稍微大于其他樣品。根據(jù)ASTM E140的轉(zhuǎn)換表格，3號(hào)樣品的抗張強(qiáng)度范圍為760～770 MPa，其他4個(gè)樣品的抗張強(qiáng)度范圍為720～750 MPa，轉(zhuǎn)化后的抗張強(qiáng)度值滿(mǎn)足API Spec 5CT中對(duì)N80材質(zhì)抗張強(qiáng)度的要求。

1.3非金屬含量分析

采用JIS G0555標(biāo)準(zhǔn)對(duì)5個(gè)樣品中的非金屬含量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果列于表3中。雖然其他樣品含有A1類(lèi)夾雜物和少量C類(lèi)夾雜物，但是3號(hào)樣品中A1類(lèi)夾雜是最多的。

表3　樣品的非金屬含量

1.4目視外觀檢查

所有樣品的整體外觀如圖1所示。將樣品縱向切開(kāi)觀察其內(nèi)外表面，可知：

圖1　腐蝕失效部件樣品

1號(hào)樣品靠近連接部位有一個(gè)由于內(nèi)腐蝕造成的穿孔，但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由于油套環(huán)空液體造成的外壁腐蝕。在管柱內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)許多嚴(yán)重的局部腐蝕和腐蝕坑，而連接處相對(duì)較少。在公扣端部與連接處末端之間存在嚴(yán)重腐蝕失重，局部有腐蝕造成的穿孔。與1號(hào)樣品相連的短節(jié)未見(jiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象。

2號(hào)樣品許多內(nèi)腐蝕穿孔都集中在距離公扣端1.2 m范圍內(nèi)，且呈現(xiàn)直線(xiàn)排列；同時(shí)，公扣端也遭受?chē)?yán)重腐蝕。另外，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由于油套環(huán)空液體造成的外壁腐蝕；距連接處末端1.2 m范圍內(nèi)的內(nèi)表面腐蝕輕微，但是，樣品其他部位存在嚴(yán)重的線(xiàn)性溝槽腐蝕，溝槽直徑寬度約為軸向?qū)挾鹊?/8，同時(shí)，在溝槽上還發(fā)現(xiàn)了許多穿孔，距離連接處越近，腐蝕越嚴(yán)重。

3號(hào)樣品的外表面由涂層覆蓋，樣品的內(nèi)外表面均未見(jiàn)嚴(yán)重腐蝕。盡管在樣品內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)了局部銹蝕現(xiàn)象，但是樣品的整體外觀狀況很好，該樣品腐蝕狀況與1號(hào)樣品相連接短節(jié)狀況相同。

4號(hào)樣品許多大的穿孔都是內(nèi)腐蝕造成的，且呈直線(xiàn)分布。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由于油套環(huán)空液體造成的外壁腐蝕，除了連接處外，在樣品內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)了很多嚴(yán)重的腐蝕穿孔。腐蝕形貌與1號(hào)樣品類(lèi)似。

5號(hào)樣品許多內(nèi)腐蝕穿孔都集中在距離公扣端1.2 m范圍內(nèi)，且呈現(xiàn)直線(xiàn)排列；同時(shí)，公扣端也遭受了嚴(yán)重腐蝕。但是，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由于油套環(huán)空液體造成的外壁腐蝕；在距離母扣端2 m范圍內(nèi)腐蝕輕微，除了連接處外，其他部位也發(fā)現(xiàn)了許多較嚴(yán)重的坑蝕，有的穿孔，有的未穿孔。

1.5微觀檢查

分別針對(duì)5個(gè)樣品腐蝕與未腐蝕的部位進(jìn)行微觀和宏觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)，從檢測(cè)結(jié)果可以看出1、2、4和5號(hào)樣品除穿孔部位外，外表面腐蝕相對(duì)較輕，內(nèi)表面腐蝕較重，并伴有許多穿孔，觀察這些腐蝕嚴(yán)重的部位，發(fā)現(xiàn)腐蝕是從內(nèi)向外發(fā)生的。3號(hào)樣品腐蝕輕微。

圖2為1號(hào)樣品腐蝕嚴(yán)重部位的外表面、中間部分和內(nèi)表面的金相顯微組織檢測(cè)。圖3 為3號(hào)樣品的外表面、中間部分和內(nèi)表面的金相顯微組織檢測(cè)。

1、2、4和5號(hào)樣品金屬本體微觀結(jié)構(gòu)為細(xì)小的回火馬氏體，金屬加工時(shí)采用淬火和回火工藝。3號(hào)樣品為粗大珠光體和貝氏體組成的退火結(jié)構(gòu)，金屬加工時(shí)采用正火和回火工藝。3號(hào)樣品和其他樣品在微觀結(jié)構(gòu)上存在較大差異。

圖2　1號(hào)樣品的微觀檢測(cè)結(jié)果

圖3　3號(hào)樣品的微觀檢測(cè)結(jié)果

1.6腐蝕產(chǎn)物X射線(xiàn)分析

1號(hào)樣品和3號(hào)樣品的X射線(xiàn)腐蝕產(chǎn)物分析譜圖顯示：所有樣品腐蝕產(chǎn)物都含有FeCO3、FeO（OH）、Fe3O4、CaO和CaCO3，未檢測(cè)到氯化物。這意味著濕的CO2是導(dǎo)致所有樣品腐蝕穿孔的重要因素，3號(hào)樣品與其他樣品表面腐蝕產(chǎn)物沒(méi)有明顯差異。

1.7腐蝕產(chǎn)物電子探針顯微分析（EPMA）

采用電子探針對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行顯微分析，在每個(gè)腐蝕產(chǎn)物樣品中，都檢測(cè)到 Fe、C、Cl、Ca和O元素，結(jié)果證明腐蝕是由CO2造成的。進(jìn)一步分析可知：在3號(hào)樣品上還存在Cu、Co 和Mo元素，金屬表面未發(fā)現(xiàn)元素富集的現(xiàn)象。

2　結(jié)論與建議

第一，為了阻止CO2腐蝕，向碳鋼中加入Cr元素是有效的方法。工業(yè)應(yīng)用可知，9Cr鋼可以應(yīng)用于小于100℃以下環(huán)境，13Cr鋼可以應(yīng)用于150℃以下環(huán)境，22Cr鋼可以應(yīng)用于200℃以下環(huán)境，而25Cr鋼可以應(yīng)用到250℃以下環(huán)境。盡管5個(gè)腐蝕失效樣品都含有少量的Cr，但其含量較低。3號(hào)樣品由于表面曾經(jīng)進(jìn)行涂裝，因此相對(duì)其他4個(gè)樣品腐蝕相對(duì)較輕。

第二，考慮到每個(gè)短節(jié)在井中的腐蝕環(huán)境，除與1號(hào)樣品連接的短節(jié)外，其他短節(jié)與封隔器相連的一側(cè)腐蝕嚴(yán)重。這是由于管徑的變化導(dǎo)致湍流而加速了CO2的腐蝕速率；另外，封隔器和短節(jié)之間的電位差也可能導(dǎo)致電偶腐蝕。位于可調(diào)活接頭上部的4號(hào)樣品與2號(hào)樣品、5號(hào)樣品具有相同的腐蝕環(huán)境。腐蝕形貌顯示，管內(nèi)形成的湍流是嚴(yán)重腐蝕的重要原因。

為了降低流體在管道中的湍流，可以盡量將管道部件（例如油管、封隔器、活動(dòng)連接等）標(biāo)準(zhǔn)化為統(tǒng)一尺寸。為了降低局部腐蝕，建議油管內(nèi)壁要保持光滑，盡量降低非金屬夾雜物。

第三，針對(duì)井下電偶腐蝕，可以將井下所有工具和管柱使用相同材質(zhì)，不同電位金屬之間使用過(guò)渡金屬連接。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)井下失效管柱的金屬材質(zhì)分析、機(jī)械性能分析及腐蝕機(jī)理探討，找到了腐蝕失效原因，提出了腐蝕控制建議。相關(guān)建議執(zhí)行后，截止到目前，所有井下管柱再未發(fā)生過(guò)腐蝕穿孔的情況。

參考文獻(xiàn)：

［1］葛彩剛.Cr13鋼在含CO2/H2S介質(zhì)中的腐蝕行為研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2010.

［2］趙華萊.油套管及封隔器用鋼在封隔液環(huán)境下的電偶腐蝕行為研究［D］.成都:四川大學(xué)，2007.

［3］黃天杰，王峰，殷安會(huì)，等.N80鋼在二氧化碳飽和的模擬油田液中的高溫高壓腐蝕行為研究［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2009（5）:486-488.

［4］王宏，劉賢賀，潘涵.海上石油鉆井套管接頭腐蝕穿孔失效分析［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2015（1）:92-97.

［責(zé)任編輯：劉月］

中圖分類(lèi)號(hào)：TE985

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5928（2016）03-31-04

DOI:10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.03.010

收稿日期：2016-04-06

作者簡(jiǎn)介：王宏（1973-），男，遼寧本溪人，副教授，博士，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物性能與安全。劉賢賀（1978-），女，遼寧葫蘆島人，實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，研究方向：船舶與海洋工程。他4個(gè)樣品的含量差異較大。

The Failure Analysis of the Corrosion of a Sea Oilfield Down-hole Pipe

WANG Hong，LIU Xianhe
（Bohai Shipbuilding Vocational College，Xingcheng 125105，China）

Abstract:In the process of production the author continuously found 3 Wells of down-hole tubing corrosion perforation in certain oilfield offshore.In order to ensure the safety of oil field production，avoid further corrosion，the author conducted corrosion failure analysis of down-hole string.The causes of corrosion are analyzed on the basis of null and void of down-hole string of metal materials analysis，mechanical property analysis，metallography testing and corrosion product analysis.Results showed that CO2corrosion was the main culprit of corrosion of pipe string，the turbulence in the pipe further exacerbated the corrosion speed.

Key words:down-hole string；CO2corrosion；perforation；failure