某油田生產(chǎn)井中心管腐蝕穿孔失效分析

郭增伍 練 斌 秦立高 楊 陽(yáng) 柴圓圓

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；3.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452；4.海油來(lái)博（天津）科技股份有限公司，天津 300450）

腐蝕現(xiàn)象在海洋環(huán)境中十分常見(jiàn)，根據(jù)誘因和機(jī)理的不同，腐蝕可以分為電偶腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和垢下腐蝕等[1-4]。鑒于油管腐蝕頻繁發(fā)生，尋找腐蝕的原因，有針對(duì)性地提出改進(jìn)措施，可以降低腐蝕發(fā)生的概率，提高生產(chǎn)過(guò)程的安全系數(shù)、減少安全隱患，同時(shí)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。針對(duì)某油田腐蝕嚴(yán)重的中心管開(kāi)展研究，該管柱于2019 年3 月下入井，2023 年5 月進(jìn)行打撈作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其中心管?chē)?yán)重腐蝕穿孔。

1 宏觀分析

清洗去除腐蝕油管表面的污垢后，隨機(jī)抽取1 根油管進(jìn)行切割，觀察油管內(nèi)、外壁宏觀形貌及腐蝕特征，如圖1 所示。

圖1 油管內(nèi)、外壁宏觀形貌

由圖1 可看出：油管外壁表面存在麻點(diǎn)狀小腐蝕坑連成片，此處腐蝕屬于外腐蝕；外壁一側(cè)存在長(zhǎng)條狀孔腐蝕凹坑，且平行軸線方向，接箍附近可見(jiàn)片狀點(diǎn)蝕坑。內(nèi)壁一側(cè)布滿長(zhǎng)條狀腐蝕凹坑，坑長(zhǎng)且深，部分管段已穿孔?？字?chē)砻婀饣纱伺卸ù颂幋┛子蓛?nèi)腐蝕造成[5]，屬于典型沖刷腐蝕形貌特點(diǎn)，且存在單側(cè)趨勢(shì)。剖開(kāi)油管后可觀察到內(nèi)壁下層位置充滿泥沙。

2 材質(zhì)分析

按照API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)N80 油管的技術(shù)要求，判斷材質(zhì)合格性。利用光譜儀對(duì)油管試樣進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)油管化學(xué)成分均滿足API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 油管化學(xué)成分分析結(jié)果 單位：%

3 水質(zhì)分析

3.1 結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

根據(jù)生產(chǎn)井水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，按照《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》（SY/T 0600—2016）標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)水質(zhì)結(jié)垢情況，結(jié)果顯示此生產(chǎn)井中不存在CaCO3、BaSO4、CaSO4、FeCO3等的結(jié)垢趨勢(shì)。

3.2 細(xì)菌實(shí)驗(yàn)分析

提取失效油管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物，并采用去離子水溶解浸泡管內(nèi)腐蝕孔周?chē)母街铮〗菀后w進(jìn)行定性的細(xì)菌測(cè)試，溫度60 ℃，7 d 后讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不存在硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）、鐵細(xì)菌（Iron Bacteria，F(xiàn)B）和腐生菌（Saprophytic Bacteria，TGB）。

4 腐蝕產(chǎn)物分析

從管內(nèi)充滿泥沙等產(chǎn)物的油管內(nèi)壁提取產(chǎn)物，由內(nèi)壁表層向深層取樣，用石油醚、酒精等處理后進(jìn)行微區(qū)化學(xué)分析及X 射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）能譜分析，結(jié)果如表2 和圖2 所示。由表2 可知，內(nèi)表層的主要化學(xué)元素為Fe、C、O，含有微量的Si、Ca、Mg 等，深層微區(qū)的主要化學(xué)元素為Si、O，含有微量的C。結(jié)合XRD 掃描結(jié)果，內(nèi)表層腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3、Fe3O4、CaCO3及鈣鎂鹽等，深層主要為SiO2，推測(cè)內(nèi)表層主要為CO2腐蝕產(chǎn)物[6]。

表2 試樣微區(qū)能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）單位：%

圖2 XRD 掃描結(jié)果

5 腐蝕模擬試驗(yàn)分析

以現(xiàn)場(chǎng)工況為依據(jù)，模擬油管的液相環(huán)境，進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)。掛片選用的是現(xiàn)場(chǎng)管材N80 材質(zhì)現(xiàn)成掛片，測(cè)定油管腐蝕速率。試驗(yàn)條件：溫度90 ℃、壓強(qiáng)13 MPa，氣相環(huán)境為N2+1.61% CO2+34.63 mg·m-3H2S，液相環(huán)境為配水和油管內(nèi)垢樣，實(shí)驗(yàn)時(shí)間7 d。

試驗(yàn)前，用砂紙逐級(jí)打磨以消除機(jī)加工的刀痕，再將試樣清洗、除油、冷風(fēng)吹干后測(cè)量尺寸并稱重。然后，將試樣相互絕緣安裝在特制的試驗(yàn)架上，放入高壓釜內(nèi)的腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)NACESP0775—2023 中對(duì)碳鋼材質(zhì)生產(chǎn)設(shè)備及管道內(nèi)腐蝕程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)判斷腐蝕程度，如表3 所示。

表3 腐蝕程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 單位：mm·a-1

掛片宏觀形貌顯示，掛片表面均未出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，整體表現(xiàn)為均勻腐蝕。泥沙下掛片腐蝕速率為0.297 1 mm·a-1，比液相腐蝕速率為0.201 5 mm·a-1大，以均勻腐蝕速率來(lái)判定掛片腐蝕等級(jí)，液相和泥沙下的掛片腐蝕速率均屬于嚴(yán)重腐蝕。

綜合以上結(jié)果可知，在該生產(chǎn)井的現(xiàn)場(chǎng)工況存在油砂的情況下，液相環(huán)境整體腐蝕性很強(qiáng)。在泥沙下的掛片隨著液體的沖刷，腐蝕速率更大，說(shuō)明泥沙的沖刷促進(jìn)了腐蝕的發(fā)生。

6 失效原因分析

第一，材質(zhì)方面。該生產(chǎn)井油管的化學(xué)成分符合API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織未見(jiàn)明顯異常，因此排除材質(zhì)方面的原因。

第二，環(huán)境方面。自身水質(zhì)不存在CaCO3、BaSO4、CaSO4、FeCO3結(jié)垢趨勢(shì)，且未發(fā)現(xiàn)存在細(xì)菌的情況，排除細(xì)菌腐蝕方面的原因。

第三，工況及位置方面。根據(jù)該生產(chǎn)井的實(shí)際工況，在純液相環(huán)境下，按照日產(chǎn)液270 m3計(jì)算，2-7/8″EU N80 倒角油管中流速達(dá)到0.75 m·s-1，小于臨界沖蝕速率3.885 m·s-1，可以看出僅有純液相的環(huán)境下不存在沖刷的情況。但是，結(jié)合腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果，管內(nèi)提取物主要成分為SiO2、CaCO3、Ca2SiO4、Mg3(SO4)2(OH)2、FeCO3、Fe3O4。因中心管位于防砂層，推測(cè)其中SiO2、硅酸鹽及堿式硫酸鎂均來(lái)自地層中返砂。當(dāng)管內(nèi)液體攜帶泥沙動(dòng)態(tài)流動(dòng)時(shí)，泥沙不斷沖刷管壁，盡管流速不快，但沙礫的不斷沖刷會(huì)破壞油管表面的致密保護(hù)膜，致使管內(nèi)壁出現(xiàn)長(zhǎng)條溝槽狀凹坑。

第四，腐蝕類(lèi)型方面。油管中均存在明顯的長(zhǎng)條溝槽狀沖刷的情況，除了有泥沙等成分外，腐蝕產(chǎn)物分析還檢測(cè)到FeCO3、Fe3O4，因不存在FeCO3結(jié)垢趨勢(shì)，F(xiàn)eCO3為腐蝕產(chǎn)物，推測(cè)發(fā)生CO2腐蝕所產(chǎn)生。Fe3O4的生成存在2 種可能性：一是油管長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，表面附著的Fe2+被空氣中的氧氣氧化成Fe3+，形成Fe3O4附著于管壁；二是FeCO3在一定溫度和壓力下分解形成，形成過(guò)程為

失效中心管段位于防砂段，管內(nèi)泥沙較多，油管中泥沙堆積幾乎充滿整根油管，采出液攜帶泥沙動(dòng)態(tài)流動(dòng)，不斷沖刷管壁，造成管柱壁厚持續(xù)減薄，破壞了管柱表面產(chǎn)物膜，導(dǎo)致基體裸露于表面。在管柱中存在酸性氣體CO2的情況下，基體發(fā)生CO2腐蝕，使得管壁減薄加重，最終穿孔失效[7]。

7 結(jié)語(yǔ)

該生產(chǎn)井出砂較嚴(yán)重，地層中采出液含砂導(dǎo)致油管內(nèi)壁沖蝕，底部沖刷嚴(yán)重，同時(shí)與CO2腐蝕協(xié)同作用，壁厚減薄嚴(yán)重，最終因管柱穿孔而失效。

針對(duì)管柱穿孔，提出以下建議。第一，改進(jìn)防砂技術(shù)以提升防砂效果，控制采出液中含砂量。第二，僅根據(jù)該管柱研究結(jié)果，考慮CO2、沖刷的影響，建議在易發(fā)生沖刷腐蝕管段（2 344～2 348 m）選用耐蝕性能好的管材，提升油管抗沖刷的性能。第三，重點(diǎn)關(guān)注及跟蹤采出液中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測(cè)，若CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，可采用使用化學(xué)藥劑的方式控制采出液中腐蝕性氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。