某氣田井下管柱的失效原因分析及對(duì)策

羅懿，夏明磊

某氣田井下管柱的失效原因分析及對(duì)策

羅懿，夏明磊

（中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452）

分析某氣田井下管柱失效的根本原因，并提出有效的解決措施，以減少同類事故的再次發(fā)生。采用宏觀分析、拉伸性能、化學(xué)成分分析、金相分析、腐蝕產(chǎn)物分析、水質(zhì)分析及結(jié)垢預(yù)測等方法，對(duì)可能造成某氣田井下管柱腐蝕的原因進(jìn)行深入分析。失效件的拉伸性能、化學(xué)成分及金相顯微組織均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，排除因材質(zhì)缺陷引起腐蝕。宏觀分析表明，油管外螺紋與接箍內(nèi)螺紋及鏜孔處存在縫隙，且在縫隙處未預(yù)涂絲扣螺紋脂，因此在含有大量Cl?的腐蝕性環(huán)境中發(fā)生了縫隙腐蝕。此外，由于該地層水易結(jié)垢，當(dāng)CaCO3垢及砂樣沉積在縫隙處時(shí)，再次構(gòu)成縫隙腐蝕發(fā)生的條件，從而加速腐蝕的進(jìn)行。在下管柱作業(yè)中，在接箍與油管旋合處有必要預(yù)涂螺紋脂，防止服役環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)在縫隙處造成縫隙腐蝕而減少井下管柱的服役壽命。

井下管柱；碳鋼；縫隙腐蝕；螺紋脂；接箍；解決措施

某氣田采用排水采氣方式采氣，于2019年8月具備投產(chǎn)條件，投產(chǎn)8個(gè)月后，還未采出氣體，先后發(fā)現(xiàn)40余口井的井下管柱發(fā)生腐蝕穿孔。統(tǒng)計(jì)資料顯示，腐蝕嚴(yán)重位置位于井下動(dòng)液面附近，在動(dòng)液面上下200 m范圍內(nèi)，全井油管無偏磨、有輕微結(jié)垢現(xiàn)象。為了探究該井下管柱的失效原因，進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律，從而避免再次出現(xiàn)同類事件，筆者對(duì)其中一口井的失效管柱進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。失效管柱泄漏位置位于第71根油管根公扣與第72根油管母扣處。基礎(chǔ)資料顯示，該井日產(chǎn)水量0.54 m3，累計(jì)產(chǎn)水量124.59 m3，管柱材質(zhì)為N80，內(nèi)襯管材質(zhì)為高密度聚乙烯。由于該井尚未采氣，參考已采氣井的氣體組分信息，推測該井氣體組分中二氧化碳的含量約為4%（體積分?jǐn)?shù)）。

1 試驗(yàn)

通常情況下，引起油管腐蝕的因素主要包括以下幾個(gè)方面：管體原材料存在質(zhì)量缺陷，服役環(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)（CO2或H2S等酸性介質(zhì)）或細(xì)菌，環(huán)境易結(jié)垢，引起垢下腐蝕，與服役環(huán)境中其他材料發(fā)生電偶腐蝕等。筆者從宏觀形貌分析入手，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)，以期找到該失效油管的泄漏原因。

1.1 拉伸性能

采用ZWICK Z600雙立柱萬能材料試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)ASTM 370-18“Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products”，在失效油管基材完好處取平行試樣2件進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。

1.2 化學(xué)成分分析

采用SPECTRO LABLAVM1直讀光譜儀，依據(jù)API Spec 5CT-2018“Casing and Tubing”分析失效油管和接箍的化學(xué)成分，取樣部位為無腐蝕的完好區(qū)域。

1.3 硬度分析

采用R574洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)ASTM E18-19“Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials”分析失效油管和接箍的洛氏硬度。

1.4 金相分析

分別對(duì)失效油管和接箍進(jìn)行切割、鑲嵌、研磨、拋光，制成金相分析試樣，使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液侵蝕。采用Zeiss Observer A1m金相倒置顯微鏡，依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行金相分析。

1.5 腐蝕產(chǎn)物分析

在接箍螺紋表面和油管螺紋表面分別取樣，采用石油醚、酒精溶解脫脂，過濾并干燥處理后，使用Bruker D8 Advance型XRD設(shè)備進(jìn)行物相分析。掃描范圍為3°～80°，采樣步寬為0.02，波長為1.540 56 nm。

1.6 腐蝕模擬試驗(yàn)

分別在油管和接箍上取50 mm×10 mm×3 mm的腐蝕掛片。其中，第1組掛片為單獨(dú)懸掛，第2組掛片用高分子樹脂將油管掛片和接箍掛片粘在一起，中間留有縫隙。參考SY/T 5273—2000《油田采出水緩蝕劑性能評(píng)價(jià)方法》中的室內(nèi)動(dòng)態(tài)腐蝕速率及緩蝕率測定方法，采用高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)釜法模擬腐蝕速率。試驗(yàn)水質(zhì)為根據(jù)水質(zhì)分析報(bào)告配制的生產(chǎn)模擬水，試驗(yàn)溫度為60 ℃，充N2使試驗(yàn)壓力達(dá)到1 MPa，CO2分壓為0.04 MPa，試驗(yàn)流速為0.5 m/s，試驗(yàn)周期為168 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

失效油管和接箍的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可見，腐蝕發(fā)生在油管和接箍的螺紋處，油管的外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋已經(jīng)明顯被破壞，腐蝕形貌呈蚯蚓狀。油管公螺紋和接箍母螺紋的腐蝕形貌一致，且呈對(duì)稱分布。在接箍內(nèi)側(cè)鏜孔處，可觀察到螺紋酯內(nèi)存在混入的顆粒物，此處螺紋酯密封不嚴(yán)，刮去螺紋酯可見鏜孔處內(nèi)壁有輕微的局部腐蝕。油管內(nèi)壁和油管外壁未見明顯腐蝕。油管外壁有白色物質(zhì)，如圖2所示。油管工廠端螺紋密封脂清晰可見，而與之連接的接箍的另一端螺紋脂較少，且表面發(fā)黃，表明已經(jīng)發(fā)生了一定程度的腐蝕，如圖3所示。

圖1 失效件宏觀形貌一

圖2 失效件外壁形貌

圖3 失效件宏觀形貌二

2.2 拉伸性能

失效油管基材的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。結(jié)果表明，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均符合ASTM 370-18“Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products”要求。

表1 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Tensile property test results

2.3 化學(xué)成分分析

失效油管和接箍的化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明，油管和接箍材料各元素含量均符合API Spec 5CT-2018“Casing and Tubing”要求。

2.4 硬度分析

失效油管和接箍的洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果見表3。結(jié)果表明，油管的洛氏硬度值略高于接箍，但API Spec 5CT-2018“Casing and Tubing”對(duì)N80油管和接箍沒有硬度要求。

表2 失效件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.2 Chemical composition of failed parts (mass fraction) %

表3 失效件的洛氏硬度（HRC）

Tab.3 Rockwell hardness of failed parts (HRC)

2.5 金相分析

失效油管和接箍的金相顯微組織如圖4所示。結(jié)果表明，油管金相組織為鐵素體+珠光體，接箍金相組織為回火索氏體，均滿足API Spec 5CT-2018“Casing and Tubing”要求?；鼗鹚魇象w是指馬氏體在500～650 ℃時(shí)高溫回火形成以鐵素體為基體、內(nèi)部分布著細(xì)均勻碳化物顆粒小球狀碳化物（包括滲碳體）的復(fù)相組織，具有良好的綜合性能[1-2]。因此推斷接箍進(jìn)行了熱處理，而油管未進(jìn)行過熱處理。

2.6 腐蝕產(chǎn)物分析

接箍螺紋和油管螺紋表面處產(chǎn)物的XRD譜圖分別見圖5和圖6。結(jié)果表明，接箍螺紋表面處附著物的主要成分為Fe2O3、Fe3C、CaCO3，油管螺紋表面處附著物的主要成分為FeCO3、SiO2、NaCl、CaCO3。其中，SiO2的來源可能是地層出砂或在施工過程中引入。N80鋼中的鐵素體相與Fe3C相比，具有較負(fù)的電位，在腐蝕過程中作為陽極優(yōu)先溶解，F(xiàn)e3C作為陰極保留下來，并積聚在試樣表面[3-4]。CaCO3的存在表明已形成水垢。FeCO3和Fe2O3為常見的腐蝕產(chǎn)物成分[5-6]。此外，F(xiàn)eCO3的存在表明腐蝕與CO2有關(guān)[7-9]。

2.7 水質(zhì)分析及結(jié)垢預(yù)測

圖4 失效件金相顯微組織

圖5 接箍螺紋表面處腐蝕產(chǎn)物的XRD譜圖

圖6 油管螺紋表面處腐蝕產(chǎn)物的XRD譜圖

2.8 腐蝕模擬試驗(yàn)

腐蝕掛片宏觀形貌如圖7所示，腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果見表5。由圖7可知，不論是單個(gè)掛片還是間隙型掛片，都發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。其中，單個(gè)掛片的腐蝕形貌表現(xiàn)為局部腐蝕，平均腐蝕速率為0.251 2 mm/a，而間隙型掛片的腐蝕形貌表現(xiàn)為點(diǎn)蝕，平均腐蝕速率高達(dá)1.255 1 mm/a。根據(jù)Q/HS 2064—2011《海上油氣田金屬材料腐蝕失效分析指南》，對(duì)平均腐蝕和局部腐蝕的腐蝕程度有明確規(guī)定，當(dāng)平均腐蝕速率<0.025 mm/a時(shí)，腐蝕程度為低度腐蝕；當(dāng)平均腐蝕速率為0.025～0.125 mm/a時(shí)，腐蝕程度為中度腐蝕；當(dāng)平均腐蝕速率為0.125～0.25 mm/a時(shí)，腐蝕程度為重度腐蝕；當(dāng)平均腐蝕速率>0.25 mm/a時(shí)，腐蝕程度為嚴(yán)重腐蝕。從模擬結(jié)果來看，單個(gè)掛片和間隙型掛片的腐蝕程度均為嚴(yán)重腐蝕，且當(dāng)油管和接箍之間存在縫隙時(shí)，腐蝕速率大大增加。

表4 地層水質(zhì)中的離子質(zhì)量濃度

Tab.4 Ion mass concentration in formation water sample mg/L

圖7 不同掛片的腐蝕形貌

3 失效原因及應(yīng)對(duì)措施探討

由上述檢測結(jié)果分析可知，失效油管和接箍的拉伸性能、化學(xué)成分及金相顯微組織均滿足對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，洛氏硬度值無明顯異常，因此可以排除由材料缺陷引起泄漏的可能。從宏觀分析結(jié)果可知，接箍油管旋合處存在縫隙，且在縫隙處沒有預(yù)涂螺紋脂，在縫隙處產(chǎn)生了明顯的腐蝕現(xiàn)象。FeCO3、CaCO3的存在，表明腐蝕與CO2有一定的關(guān)聯(lián)，且環(huán)境中存在結(jié)垢現(xiàn)象。經(jīng)與現(xiàn)場管理人員確認(rèn)，在下井柱過程中，現(xiàn)場作業(yè)人員由于對(duì)螺紋脂的作用認(rèn)識(shí)不到位，為了節(jié)省時(shí)間，在油管出廠端涂覆螺紋脂過程中只是象征性地刷一下螺紋脂，螺紋脂具有潤滑、密封、防腐等工作，在用量少的情況下，起不到有效的密封作用。

表5 腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 Corrosion rate test results

API螺紋旋合示意圖[11]如圖8所示。由圖8可見，API螺紋起密封作用的是螺紋中間幾牙，前幾牙是導(dǎo)向螺紋，后幾牙與接箍鏜孔處存在間隙，加厚油管和不加厚油管的密封機(jī)理都如此。當(dāng)密封不嚴(yán)時(shí)，腐蝕性介質(zhì)金屬便會(huì)進(jìn)入縫隙。縫隙腐蝕一般表現(xiàn)為縫隙內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，而在縫隙外部表面的腐蝕一般較輕。通常情況下，縫隙腐蝕的形成條件需要同時(shí)滿足3個(gè)因素：首先，縫隙寬度一般為0.025～0.1 mm，有介質(zhì)滯留在縫內(nèi)；其次，金屬或合金，易鈍化的金屬或合金更容易發(fā)生縫隙腐蝕；最后，存在腐蝕性介質(zhì)，包括酸性、中性或淡水介質(zhì)，含氯離子的溶液更易發(fā)生縫隙腐蝕[12-17]。失效油管和接箍的螺紋所處環(huán)境中存在大量Cl?，且兩螺紋嚙合時(shí)的縫隙介于0.025～ 0.1 mm，構(gòu)成了發(fā)生縫隙腐蝕的條件。由于縫隙內(nèi)、外氧氣的濃度不同，造成氧濃差電池，使縫隙內(nèi)金屬的電位低于縫隙外金屬的電位，縫隙中金屬的不斷水解形成金屬陽離子，縫隙內(nèi)部的電勢升高，形成電場，縫隙外的陰離子在電場的作用下向縫隙內(nèi)部遷移。遷移性大的Cl－會(huì)借助電泳作用遷移進(jìn)縫隙內(nèi)部，以保持電荷平衡[18-20]。環(huán)境中生成的CaCO3水垢，這些金屬鹽在縫隙中的流動(dòng)性差，水解后導(dǎo)致縫隙中液體pH不斷下降，使處于縫隙中的金屬總是處于活化狀態(tài)[21-22]。當(dāng)大量金屬溶解后，縫隙變大，縫隙腐蝕速度減緩。由于該地層水易結(jié)垢，當(dāng)CaCO3垢及砂樣沉積在縫隙處時(shí)，再次構(gòu)成縫隙腐蝕發(fā)生的條件，從而加速腐蝕的進(jìn)行[23-27]。

圖8 API螺紋旋合示意圖

為了防止同類問題的發(fā)生，提出了如下建議：首先，接頭上扣前，應(yīng)在接箍或管螺紋的整個(gè)嚙合表面上涂覆螺紋脂，以減少螺紋泄漏機(jī)會(huì)。關(guān)于螺紋脂的選用，建議選用水瀝率高的螺紋脂，同時(shí)可考慮采用添加緩蝕劑的螺紋脂，并確保水不能進(jìn)入螺紋中。其次，考慮到施工環(huán)境存在風(fēng)沙大的現(xiàn)象，建議加強(qiáng)施工質(zhì)量，防止砂石進(jìn)入絲扣中。最后，在經(jīng)濟(jì)可行的情況下，可對(duì)螺紋進(jìn)行鍍鎢合金處理，徹底解決其密封問題。此外，建議在井底加入防垢劑，減少垢的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

1）某排水采氣井下管柱泄漏的主要原因是由于在接箍油管旋合的縫隙處未預(yù)涂螺紋脂，在含有大量Cl?的環(huán)境中發(fā)生了縫隙腐蝕。

2）建議在接頭上扣前，嚴(yán)格按照API 5CT的要求在接箍或管螺紋的整個(gè)嚙合表面上均勻地涂覆螺紋脂。

3）宜選用水瀝率高的螺紋脂或添加緩蝕劑的螺紋脂。在經(jīng)濟(jì)可行的情況下，可對(duì)螺紋進(jìn)行鍍鎢合金處理，徹底解決其密封問題。此外，建議在井底加入防垢劑，減少垢的產(chǎn)生，從而延長材料的使用壽命。

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Failure Causes and Countermeasures of Downhole Pipe String in a Gas Field

LUO Yi, XIA Ming-lei

(CNOOC (Tianjin) Pipeline Engineering Technology Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

The work aims to analyze the failure cause of downhole pipe string in a gas field, and put forward effective solutions to reduce the recurrence of similar accidents. Through macro analysis, tensile properties, chemical composition analysis, metallographic analysis, corrosion product analysis, water quality analysis and scaling prediction, the possible causes of downhole pipe string corrosion in a gas field were deeply analyzed. The tensile properties, chemical composition and metallographic microstructure of the failed parts met the standard requirements, and the corrosion caused by material defects was excluded. The macro analysis showed that there was a gap between the external thread of the oil pipe and the internal thread of the coupling and the boring, and the screw thread grease was not precoated at the gap, so the gap corrosion occurred in the corrosive environment containing a large amount of Cl?. In addition, because the formation water was easy to scale, when CaCO3scale and sand sample were deposited at the gap, the condition for gap corrosion was constituted again, accelerating the corrosion. It is necessary to precoat thread grease at the screw joint of coupling and oil pipe during operation of downhole pipe string to prevent gap corrosion caused by corrosive medium in service environment and avoid reducing the service life of downhole pipe string.

downhole pipe string; carbon steel; gap corrosion; thread grease; coupling; solutions

TG172

A

1672-9242(2023)01-0090-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.013

2021?10?18；

2021-10-18；

2022?02?21

2022-02-21

羅懿（1989—），女，工程師，主要研究方向?yàn)橛蜌庠O(shè)備設(shè)施失效分析及其數(shù)字化。

LUO Yi (1989-), Female, Engineer, Research focus: failure analysis and digitization of oil and gas equipment and facilities.

羅懿, 夏明磊. 某氣田井下管柱的失效原因分析及對(duì)策[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(1): 090-096.

LUO Yi, XIA Ming-lei.Failure Causes and Countermeasures of Downhole Pipe String in a Gas Field[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 090-096.

責(zé)任編輯：劉世忠