事故背景

某油井于2016年7月投產(chǎn)，該井最大井斜為75°，井斜深度為2851m，井垂深度為1595.01m，油井內(nèi)采出原油中H2S質(zhì)量濃度為116mg·L-1，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為8％，油田地面原油為重質(zhì)油，油層溫度為53~64℃，地層水礦化度為10625mg·L-1。油井的生產(chǎn)層位為60~100，無注水支持，自投產(chǎn)以來共進(jìn)行了兩次酸化作業(yè)。2018年該井日產(chǎn)油體積為37m3·d-1，日產(chǎn)氣體積為198.2m3·d-1，日產(chǎn)水體積為0.48m3·d-1，其中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1％。2018年1月工作人員在油井起出管柱和下管柱作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)距井口2432.56m處的2-7/8″油管存在多處腐蝕并穿孔，該油管材料為L(zhǎng)80鋼。

為查明該油管腐蝕穿孔的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

理化檢驗(yàn)

宏觀觀察

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，2-7/8″油管處于4號(hào)封隔器以上的環(huán)空部分，且有50°左右的井斜。油管腐蝕段長(zhǎng)度為5.85m，油管表面附有紅褐色和黃褐色的腐蝕產(chǎn)物層和油漬。在距離油管頂端0.9m處有兩個(gè)明顯的腐蝕孔，分別呈雨滴狀(最大直徑為1.5mm)和橢圓形(長(zhǎng)軸長(zhǎng)度約為4mm，短軸長(zhǎng)度約為2mm)，腐蝕孔四周管壁由外向內(nèi)減薄，且管壁表面附有質(zhì)地疏松的腐蝕產(chǎn)物，如圖1所示。

圖1 油管腐蝕孔宏觀形貌

油管失效段外壁有多處裂紋，如圖2所示。

圖2 油管外壁裂紋處宏觀形貌

分別用石油醚和酒精清洗油管外壁后，裂紋處的腐蝕產(chǎn)物脫落，形成了新的腐蝕孔或腐蝕坑，如圖3所示。

圖3 油管清洗前后的宏觀形貌

將油管在腐蝕孔密集區(qū)域沿軸向?qū)Π肫书_，由圖4可見，油管內(nèi)壁未腐蝕，但在剖面上存在腐蝕坑，且腐蝕由管外向管內(nèi)的擴(kuò)展，呈現(xiàn)出向外腐蝕特征。

圖4 油管內(nèi)壁宏觀形貌

化學(xué)成分分析

在失效油管未腐蝕處取樣，根據(jù)API SPEC 5CT-2018 Casing and Tubing進(jìn)行化學(xué)成分分析。

表1 失效油管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))％

由表1可見，油管正常管段的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

金相檢驗(yàn)

在失效油管的完好部位取樣，試樣經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光，使用體積分?jǐn)?shù)為4％的硝酸酒精溶液浸蝕后，根據(jù)GB/T 13298-2015?金屬顯微組織檢驗(yàn)方法?采用Zeiss observer A1m型金相倒置顯微鏡觀察顯微組織。

圖5 失效油管的顯微組織形貌

由圖5可見，油管的顯微組織為鐵素體+珠光體，未見明顯的夾雜物。正常情況下，L80鋼顯微組織為回火索氏體+極少量鐵素體+極少量屈氏體。回火索氏體是馬氏體在500~650℃時(shí)回火形成的以鐵素體為基體且內(nèi)部分布著碳化物 (包括滲碳體)球粒的復(fù)相組織，具有更好的力學(xué)性能。由此可見，失效油管金相組織異常。

能譜分析

分別取失效油管外壁表面裂紋處、油管外壁腐蝕孔處、外壁表面黃色處和外壁表面紅色處腐蝕產(chǎn)物試樣，分別編為1，2，3，4號(hào)，采用OXRORD X-MaxN型能譜儀(EDS)對(duì)上述試樣進(jìn)行微區(qū)成分分析，分析位置和分析結(jié)果分別如圖6和表2所示。

圖6 失效油管EDS分析位置

表2 失效油管EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))％

由表2可見，1~4號(hào)試樣中鐵、氧、碳、硅、鋁含量均較高，推測(cè)其中存在鐵的氧化物、鐵碳酸鹽及砂石成分；1~4號(hào)試樣中均含有少量的氯和硫，2號(hào)試樣中含有較多的氟。

物相分析

在1，3，4號(hào)試樣中先后加入石油醚和酒精，分別進(jìn)行過濾、干燥處理后采用D8 Advance型X射線衍射儀對(duì)1~4號(hào)試樣進(jìn)行X射線衍射(XRD)測(cè)試，掃描角度2θ為3°~80°，采樣步寬為0.02，波長(zhǎng)為1.54056nm，結(jié)果如圖7所示。

圖7 1~4號(hào)試樣的XRD測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比

可見1號(hào)試樣的主要物相為Fe3C、FeS，2號(hào)試樣主要物相為Fe3C、Al(OH，F(xiàn))3、FeS，3號(hào)試樣主要物相為FeCO3、CaMg(CO3)2、SiO2，4號(hào)試樣主要物相為SiO2、Fe3O4、FeCO3。

拉伸性能測(cè)試

根據(jù)API SPEC 5CT-2018，在失效油管未腐蝕部位截取尺寸為19mm(寬度)×50.8mm(標(biāo)距)的試樣，采用ZWICK Z600型雙立柱萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 失效油管拉伸性能測(cè)試結(jié)果

可見失效油管除了屈服強(qiáng)度低于API SPEC 5CT-2018的要求之外，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

分析與討論

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，失效油管的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。由能譜分析結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物中存在碳、氧、硫、氯、氟，表明失效油管所處環(huán)境存在H2S、CO2、Cl-和F-等促進(jìn)腐蝕的因素。

由物相分析結(jié)果可知，油管大面積脫落的疏松物質(zhì)(腐蝕產(chǎn)物)主要成分是Fe3C，同時(shí)還有FeS、鐵的氧化物、Al(OH)3和FeCO3。為提高油井產(chǎn)能，生產(chǎn)人員采用酸化作業(yè)來清除井筒孔眼中酸溶性顆粒、鉆屑和結(jié)垢。當(dāng)酸化作業(yè)結(jié)束后，未排凈的殘酸和原油在封隔器以上的環(huán)空底部，油管處于封隔器以上的環(huán)空部分。由于油管內(nèi)壁和外壁處原油流速不同，在油管外壁形成了“靜止”的區(qū)域，形成液體滯留區(qū)，而在油管內(nèi)壁處原油是流動(dòng)態(tài)，腐蝕速率相對(duì)緩慢，因此油管外壁先發(fā)生腐蝕。殘酸中含有的H+、Cl-、F-等易誘發(fā)和促進(jìn)腐蝕的離子，形成了電解質(zhì)溶液。

腐蝕初期，鐵在電解質(zhì)溶液中首先發(fā)生了溶解，由于L80鋼中的鐵素體比Fe3C具有更負(fù)的電位，在腐蝕過程中鐵素體相作為陽極優(yōu)先溶解，F(xiàn)e3C作為陰極保留下來并積聚在試樣表面，形成了疏松的Fe3C。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)e2+和CO23-的濃度超過FeC3的溶度積，從而在油管外壁表面沉積形成FeCO3保護(hù)膜，但是由于Cl-、F-吸附在油管外壁表面，這妨礙形成完整的FeCO3保護(hù)膜，而地層中存在的Ca2+、Mg2+置換FeCO3晶體點(diǎn)陣的Fe2+導(dǎo)致晶格畸變形成CaMg(CO3)2，這進(jìn)一步降低了腐蝕產(chǎn)物的致密性。

由于油管外壁附著的不均勻的腐蝕產(chǎn)物和無機(jī)鹽垢不致密，缺氧區(qū)的垢下金屬會(huì)與垢外富氧的陰極區(qū)產(chǎn)生電位差形成腐蝕電流，垢下金屬進(jìn)一步發(fā)生陽極溶解，加速金屬腐蝕。雖然環(huán)境中的H2S不直接參加陰極反應(yīng)，但是會(huì)作為加速氫離子放電的催化劑加速反應(yīng)。由于在環(huán)空的底部的殘酸和原油處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，油管表面附著的微生物會(huì)釋放出部分H2S，加上油管所處環(huán)境中H2S含量較高，因而發(fā)生H2S腐蝕形成FeS附著于油管外壁表層。

外壁附著的黃色腐蝕產(chǎn)物中有SiO2和CaMg(CO3)2，由此可推測(cè)油管外壁表面存在泥沙(酸化作業(yè)時(shí)由地層返排至環(huán)空部位)，存在垢下腐蝕。通常情況下，當(dāng)原油中含水率大于40％時(shí)，油管發(fā)生CO2腐蝕的傾向才較大，而該油井原油含水量小于10％，發(fā)生CO2腐蝕的傾向不大。腐蝕產(chǎn)物中存在一定量的CO2腐蝕產(chǎn)物，推測(cè)是由于油氣開采時(shí)伴生CO2溶解于水中與鐵腐蝕的中間產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)所導(dǎo)致。

失效油管的顯微組織為珠光體+馬氏體，并非L80鋼正常的顯微組織(回火索氏體+極少量鐵素體+極少量屈氏體)，結(jié)合失效油管力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可知，油管材料的屈服強(qiáng)度偏低，隨著鐵在電解質(zhì)中不斷溶解，在環(huán)空壓力和油井液柱壓力的共同作用下，疏松多孔的Fe3C和與鋼鐵表面粘合力差的FeS被“壓迫”在油管外壁的腐蝕坑處，腐蝕介質(zhì)由外向內(nèi)滲透，導(dǎo)致腐蝕進(jìn)一步向管壁內(nèi)表面發(fā)展，而外表面卻保持比較完整。當(dāng)油管的管壁被全部腐蝕，在油井液柱壓力的作用下，疏松的腐蝕產(chǎn)物脫落，油管就形成了大面積的腐蝕孔直至腐蝕出現(xiàn)穿孔。

結(jié)論及建議

L80鋼油管失效管段處于相對(duì)靜態(tài)的環(huán)空區(qū)域，在CO2腐蝕、H2S腐蝕和垢下腐蝕綜合作用下，油管外壁形成不致密腐蝕產(chǎn)物，殘酸中含有的H+、Cl-、F-等離子加速了腐蝕進(jìn)程，在油管外壁形成腐蝕坑，當(dāng)油管的管壁被全部腐蝕，在油井液柱壓力的作用下，疏松的腐蝕產(chǎn)物脫落，油管就形成了腐蝕孔直至腐蝕出現(xiàn)穿孔。

建議加強(qiáng)對(duì)油管材料的控制，同時(shí)嚴(yán)格控制酸化作業(yè)過程，減少酸液的殘留。