某油田注水井P110鋼級(jí)油管接箍開裂失效分析

趙存耀，齊亞猛

(1.寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900； 2.寶山鋼鐵股份有限公司研究院 上海 201900)

0 引 言

油管是石油和天然氣開采的重要物資，是在鉆探完成后將原油和天然氣從油氣層運(yùn)輸?shù)降乇淼墓艿?，其質(zhì)量影響油氣的開發(fā)生產(chǎn)效率。油管在使用過程中會(huì)發(fā)生失效，黃電源等研究了某油井φ73.02 mm×5.51 mm 80S油管的腐蝕失效的原因[1]，發(fā)現(xiàn)80S油管所用的1Cr鋼種在高濃度的CO2與Cl-等多元素共存的腐蝕環(huán)境中使用時(shí)，井下的高溫條件加速油管材料的陽極溶解，從而最終因腐蝕速度過快而發(fā)生油管早期失效。魏然等研究了海上某油田油管短時(shí)間內(nèi)腐蝕穿孔失效原因[2]，發(fā)現(xiàn)穿孔失效的主要原因是管材存在磷化物氧化物等夾雜引發(fā)點(diǎn)蝕并產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕。該點(diǎn)蝕使夾雜物周圍形成閉塞區(qū)，電化學(xué)腐蝕使閉塞區(qū)內(nèi)部酸度增大產(chǎn)生氫致開裂，加速油管腐蝕穿孔。高森等研究了長(zhǎng)慶區(qū)域某氣水平井連續(xù)油管斷裂失效原因[3]，確定了套管變形引起的連續(xù)油管刮傷為該井連續(xù)油管斷裂失效的主要原因。油管失效不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡事故。

1 油管接箍開裂失效情況

某油田注水井選用Φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格的P110 鋼級(jí)加厚油管進(jìn)行注水作業(yè)時(shí)，因不能有效注水而起出油管。在提升油管過程中，發(fā)現(xiàn)第8根至20根(距井口86～200 m直井段)范圍內(nèi)的13根加厚油管的接箍出現(xiàn)縱向貫穿開裂，開裂形貌如圖1所示。

圖1 油管接箍縱向開裂形貌

2 開裂油管接箍裂紋形貌分析

油管開裂接箍宏觀形貌如圖2所示。

圖2 開裂接箍裂紋表面形貌

從圖2可見，裂紋已貫穿了接箍部位的管壁，接箍表面存在鉗印，開裂處內(nèi)外表面無異常磨損。接箍上的裂紋表面比較平整，為典型脆性斷裂特征。裂紋起始于外表面，并向內(nèi)壁及兩側(cè)呈放射性擴(kuò)展。接箍?jī)?nèi)部均有輕微的局部腐蝕，斷口被一層黃灰色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，可見明顯的裂紋源(放射條紋收斂處)、擴(kuò)展區(qū)及最終瞬斷區(qū)。

貫穿裂紋附近橫截面上發(fā)現(xiàn)微裂紋，其形貌如圖3所示。從圖3可見，裂紋呈分支狀擴(kuò)展，其形貌與硫化物應(yīng)力開裂(SSC)裂紋類似。

圖3 開裂接箍微裂紋形貌

對(duì)開裂接箍外觀及尺寸進(jìn)行了檢查，接箍表面無明顯碰撞痕跡，螺紋完好未發(fā)生粘扣。通過對(duì)工廠端J值等尺寸進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見表1。接箍由于已貫穿開裂，其外徑值大于標(biāo)準(zhǔn)所要求的94.10 mm的上限值。

表1 接箍參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果

3 理化性能試驗(yàn)分析

3.1 化學(xué)成分

分別從開裂的接箍和管體上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。從表2可見，其硫、磷含量均符合API Spec 5CT—2018 《套管和油管規(guī)范》對(duì)P110鋼級(jí)的要求。

表2 管體與接箍化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3.2 力學(xué)性能

從接箍上取沖擊、硬度試樣，從管體上取拉伸及硬度試樣，分別依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A 370、ASTM E23和ASTM E18進(jìn)行拉伸性能、沖擊性能和硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可見，接箍和管體的力學(xué)性能均符合API Spec 5CT—2018 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P110鋼級(jí)油管的要求。

表3 接箍及管體力學(xué)性能

4 金相試驗(yàn)及能譜分析

4.1 金相試驗(yàn)

分別從開裂的接箍和管體上切取金相試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)。經(jīng)過金相試驗(yàn)，接箍及管體材料中的夾雜物未見異常，接箍及管體材料的金相組織如圖4所示。從圖4可見，接箍及管體的內(nèi)壁、中部和外壁均為正常均勻的回火索氏體組織+少量貝氏體組織。

圖4 管體與接箍材料的金相組織

4.2 腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)接箍上裂紋的起始位置和擴(kuò)展部位腐蝕產(chǎn)物膜均進(jìn)行了EDS能譜分析，分析結(jié)果如圖5所示。從圖5可見，腐蝕產(chǎn)物中均含有較高含量的S元素，說明腐蝕產(chǎn)物中存在硫化物。另外，在腐蝕產(chǎn)物中還存在Cl元素，因而，腐蝕產(chǎn)物含有氯化物。

圖5 斷口腐蝕產(chǎn)物膜EDS能譜分析

為進(jìn)一步確認(rèn)腐蝕產(chǎn)物中是否存在硫化物，對(duì)裂紋表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析，分析結(jié)果如圖6所示。從圖6可見，腐蝕產(chǎn)物中均含有FeS，其含量約為10%～20%，能譜中出現(xiàn)的Fe為基體波峰。

圖6 裂紋表面腐蝕產(chǎn)物XRD分析

5 采出水微生物分析

微生物分析發(fā)現(xiàn)采出水含有超過二十多種微生物，如圖7所示，其中有3種微生物(脫硫單胞菌屬、西瓦氏菌和硫還原彎形菌屬)代謝會(huì)產(chǎn)生H2S，其代謝反應(yīng)過程如下：

圖7 采出水微生物分析結(jié)果

CH3COO-+H++4S+2H2O→2CO2+4H2S

硫酸鹽還原菌SRB是具有能夠?qū)⒀趸瘧B(tài)硫、硫化物或者硫酸鹽作為電子受體還原，進(jìn)而氧化有機(jī)物或氫分子獲取能量用于自身代謝的一類微生物的統(tǒng)稱。

6 分析與討論

由試驗(yàn)分析結(jié)果可知，接箍及管體的化學(xué)成分、金相組織、管體的拉伸性能以及接箍的沖擊韌性均符合API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)P110鋼級(jí)油管的要求。

經(jīng)調(diào)查，油田注水井沒有H2S氣體，然而油管接箍?jī)?nèi)外壁腐蝕產(chǎn)物均存在FeS。由圖6和圖7結(jié)果可知，F(xiàn)eS由硫酸鹽還原菌(SRB)等微生物新陳代謝產(chǎn)生H2S，進(jìn)而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。當(dāng)鋼管暴露于濕H2S環(huán)境，會(huì)發(fā)生以下腐蝕反應(yīng)[4-5]：

陽極反應(yīng)：Fe→Fe2++2e_

電離反應(yīng)：H2S→H++HS-

HS-→H++S2-

陰極反應(yīng)：2H++2e_→Hads+Hads

Hads+Hads→H2↑

Hads?Habs→ diffusion in steel

陽極反應(yīng)產(chǎn)物：Fe2++S2+→FeS

圖8是H2S磨蝕環(huán)境氫滲入機(jī)理示意圖。

圖8 H2S腐蝕環(huán)境氫滲入機(jī)理圖[6]

隨著鋼的溶解，氫離子獲得電子生成氫原子吸附在鋼的表面(圖8)，由于氫原子本身的活性較高，鋼表面形成的氫原子復(fù)合成氫分子。然而，由于硫化氫或硫氫根離子等毒化劑的存在[7-8]，氫原子到氫分子的復(fù)合過程會(huì)受到阻礙，因此，鋼表面會(huì)出現(xiàn)較高濃度的氫原子。由于鋼表面的氫原子濃度高于鋼內(nèi)部的氫原子濃度，氫原子會(huì)在濃度梯度的作用下通過物理吸附和化學(xué)吸附進(jìn)入鋼材的內(nèi)表面，然后脫離鋼表面的吸附進(jìn)入鋼材的內(nèi)部。進(jìn)入鋼材內(nèi)部后，在擴(kuò)散過程中氫原子會(huì)被氫陷阱所捕獲，并在可逆氫陷阱(內(nèi)部晶格間隙)或不可逆氫陷阱(位錯(cuò)、晶界、夾雜物等)處聚集合成氫分子。接箍外表面在下井上扣過程中存在大鉗夾痕，夾痕處形成應(yīng)力集中，氫會(huì)在應(yīng)力梯度的作用下擴(kuò)散到該應(yīng)力集中處并進(jìn)行富集，形成微裂紋。一方面富集的氫原子會(huì)在裂紋尖端復(fù)合成氫分子，隨著更多氫原子的擴(kuò)散和富集，裂紋尖端的氫壓越來越大。另一方面，氫原子擴(kuò)散到裂紋尖端后，會(huì)降低裂紋處鋼材新鮮表面的表面能。根據(jù)以上分析可知，富集到裂紋尖端的氫原子會(huì)促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展[9]，最終導(dǎo)致油管接箍的開裂。

綜上所述，該油田P110油管接箍失效是硫化物應(yīng)力腐蝕所引起的脆性開裂。含硫環(huán)境中服役的管材需要具備抗硫性能，應(yīng)選用抗硫性能的油管。

7 結(jié) 論

1)接箍及管體的化學(xué)成分、金相組織、管體的拉伸性能以及接箍的沖擊韌性均符合API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)P110油管接箍開裂為硫化物應(yīng)力腐蝕開裂所引起，H2S應(yīng)來源于注入水中硫酸鹽還原菌等微生物新陳代謝的產(chǎn)物。