N80-1油管腐蚀穿孔失效分析.pdf

五油管材与仪器2023年第9卷第5期PETROLEUM TUBULAR GOODS&INSTRUMENTS59失效分析与预防N801油管腐蚀穿孔失效分析泡1-2 和含有腐蚀性气体3-5 而产生的油管和套管腐蚀杨琦,张志猛,袁少锋,王（1.中国石油集团工程材料研究院有限公司，国家市场监管重点实验室（石油管及装备质量安全）陕西西安7 10 0 7 7；2.中国石油长庆油田分公司第十一采油厂甘肃庆阳7 450 0 0；3中石油煤层气有限责任公司北京10 0 0 2 8；4.山西天然气有限公司5.中石油煤层气有限责任公司临汾采气管理区临汾042300;6.中石油煤层气有限责任公司工程技术研究院陕西西安710082)摘要：某气井生产用油管在服役过程中发生腐蚀穿孔。通过宏观形貌分析、微观形貌与能谱分析、化学成分分析、腐蚀产物XRD分析以及金相分析等方法，在油管穿孔处及附近区域取样对腐蚀穿孔失效原因进行了分析。结果表明，高CI-和高矿化度的地层水腐蚀环境是导致该油管腐蚀穿孔的主要原因，非金属夹杂物、组织不均匀和残余应力是油管腐蚀穿孔的次要原因。建议对该气井定期添加缓蚀剂，及时排出井筒内积液，减少油管长期浸泡在地层水腐蚀环境中的情况，同时改进油管生产热处理工艺，改善加厚端组织的不均匀性和残余应力，延长油管服役寿命。关键词：油管失效；局部腐蚀；组织不均匀；残余应力中图法分类号：TE973D0I:10.19459/ki.61-1500/te.2023.05.012Failure Analysis on the Corrosion Perforation of N80-1 TubingYANG Q,ZHANG Zhimeng,YUAN Shaofeng,WANG Gang,SHI Lin,SHI Yuanbao,BAI Tianjiao(1.Key Laboratory of Petroleum Tubular Goods and Equipment Quality Safety for State Market Regulation,CNPC Tubular Goods2.Oil Production Plant No.11,Changqing Oilfield,PetroChina,Qingyang,Gansu 745000,China;5.Gas Production Management Area Of Linfen,PetroChina Coalbed Methane Company Limited,Linfen,Shanxi 042300,China;6.Institute Of Engineering Technology,PetroChina Coalbed Methane Company Limited,Xian,Shaanxi 710082,China)Abstract:The tubing used in production of a gas well was corroded and perforated during service.Through the methods of macroscopic mor-phology analysis,microstructure observation,energy spectrum analysis,chemical composition analysis,XRD analysis of corrosion productsand metallographic analysis,the failure reasons of corrosion perforation were analyzed by using wire cutting sampling at and near the tubingperforation.The results show that the corrosion environment of formation water with high Cl-and high salinity is the main factor leading tothe corrosion perforation of tubing,while non-metallic inclusion,inhomogeneous structure and residual stress are the secondary factors.Itis suggested to add corrosion inhibitor regularly to the gas well,discharge the fluid in the wellbore timely,reduce the long-term immersionof the tubing in the formation water corrosion environment,improve the production heat treatment process of the tubing,and reduce the in-homogeneous structure of the upset end and residual stress,to extend the service life of the tubing.Key words:tubing failure;localized corrosion;inhomogeneous structure;residual stress0引言气井在正常生产过程中，因高矿化度地层水的浸刚4，石林，石元宝”，白天骄6山西太原0 30 0 0 0;山西文献标识码：A文章编号：2 0 96-0 0 7 7(2 0 2 3)0 5-0 0 59-0 5Research Institute,Xian,Shaanxi 710077,China;3.PetroChina Coalbed Methane Company Limited,Beijing 100028,China;4.Shanxi Natural Gas Limited Company,Taiyuan,Shanxi 030000,China;问题不可忽视6-7 。油管腐蚀是受诸多因素影响的复杂过程。为了保证油管螺纹连接部位的承载能力，油初投稿收稿日期:2 0 2 2-12-14;修改稿收稿日期：2 0 2 3-0 4-10第一作者简介：杨琦，男，198 7 年生，高级工程师，2 0 14年毕业于西安石油大学油气田开发工程专业，获硕士学位，现主要从事石油管材失效分析及石油管工程技术服务工作。E-mail：y a n g q i o 0 6 c n p c.c o m.c n60管管端加厚工艺被广泛应用于油管的生产9-10 。如果油管制造工艺参数设计不合理，或者生产时制造工艺不符合要求，容易造成油管出现凸棱、结疤、管端飞边、内表面凹坑、组织不均匀和残余应力等缺陷-12 。虽然国内外广泛采用防腐涂层和阴极保护相结合的方法来提高油管使用寿命，但在气井服役环境中，油管加厚端出现组织不均匀、残余应力等缺陷仍然会加速局部腐蚀的发生13某气井生产用油管在服役过程中发生腐蚀穿孔，本文对该腐蚀穿孔失效油管进行了失效原因分析,并提出了改进建议。1油管腐蚀穿孔失效情况某气井完钻井深为410 0 m，水泥返深为52 7.40 m，最大井斜为32.57，于2 0 2 1年11月投产，动态评价属I类井，产气量为2.510*m/d,产水量为14.4m/d,油管压力约为2.2 9 5.0 6 MPa,套管压力为12.9MPa。2022年5月12 日，该井压降速率由0.0 1MPa/d上升至0.20MPa/d，瞬时流量由7 0 0 m/h上升至140 0 m/h，初步判断为井下节流器失效导致瞬时流量突然上升。更换节流器时发现节流器没有损坏，于是进行了提出油管作业。提出油管后，发现第16 9 根（在井下16 35m处)油管发生了腐蚀穿孔，油管穿孔宏观形貌如图1所示。该油管为73.02mm5.51mmR2N80-1EUE油管，累计服役时间为18 6 d。图1腐蚀油管宏观形貌2腐蚀穿孔形貌分析失效油管外表面和螺纹表面发生了轻微腐蚀,在该油管外表面还发现了较浅的管钳夹痕。油管内壁腐蚀形貌呈局部腐蚀特征，内壁有大量的腐蚀坑,如图2 所示。五油管材与仪器管,长时间冲刷油管内壁形成了光滑冲蚀形貌。油管穿孔处距离管端约为18 cm,穿孔位于油管的加厚端过渡区，穿孔尺寸约为11mm6mm,如图3所示。从图3可见，在穿孔区附近的腐蚀坑沿油管轴向呈带状分布，油管穿孔处处于加厚端到加厚消失处之间的过渡区域。此过渡区域经过加厚成型工艺，该过渡区容易存在微观组织不均匀和应力集中等缺陷。在油管的穿孔处沿着轴向有液体浸泡的痕迹，如图4所示。由于油管斜度角约为2 8.8,地层水会在油管底部聚集，此处的浸泡痕迹判断为当地层水液面上升时，地层水沉积在油管的底部。金相化学成分联佳区图3失效油管内壁穿孔处宏观形貌图4失效油管浸泡痕迹用TESCANVEGAII扫描电镜分析油管穿孔处的微观形貌,如图5所示。穿孔附近存在连续的腐蚀坑,沿着油管轴线方向呈带状分布。经过分析对比，油管的外壁穿孔尺寸小于内壁穿孔尺寸，由此可以推断，腐蚀坑首先在内壁形成，然后随着腐蚀的进行，腐蚀坑由小到大、由浅到深，从内壁向外壁逐渐扩展。油管轴线方向2023年10 月1cm内壁孔外壁孔图2 失效油管内壁腐蚀形貌图2 中红色圆圈内较深的腐蚀坑为油管穿孔后，由于套管压力高于油管压力，油套环空内液体高速冲进油VEGAIITESCANSEMMAG:12xDet:SEDetector图5油管穿孔处微观形貌2mmDigitalMicroscopyImaging2023年第9 卷第5期对带状腐蚀坑附近的A处形貌进行扫描，结果如图6所示。Det:SEDetectorSEMMAG:35x图6 A处腐蚀微观形貌该腐蚀坑内壁未发现大片完整的腐蚀产物膜。从表1失效油管化学成分试验结果（质量分数)元素C含量0.30标准要求/在该气井中取地层水样，化验该水样的成分，结果见表2。从表2 可见，该地层水的pH值为6.5,水成分K+Nat含量/(mg L-)6 652在失效油管内壁收集腐蚀产物,用研钵将腐蚀产物研磨成均匀细腻的粉末,用ShimadzuXRD-6100依据SY/T51632018标准进行腐蚀产物的物相分析，结果如图7 所示。从图7 可见，油管内壁的腐蚀产物主要物相为FeCO，和FeOOH,含有少量BaSO480rBaSo.70LFeCO,FeOOH6040302010005101520253035404550556065707580859095100图7 失效油管物相分析用EDS 能谱分析对油管腐蚀穿孔处的表面进行化学成分分析,结果如图8 所示，化学成分含量见表3。从图8 和表3可见，穿孔表面主要元素为C、O、Fe 和Mn，含有少量Cl和Si元素。根据XRD分析结果，表面物质主要为FeCO，以及Fe的氧化物。杨琦等：N80-1油管腐蚀穿孔失效分析图6 可见，A处腐蚀坑由一个大腐蚀坑和两个小腐蚀坑组成，同时在这三个腐蚀坑周围布满了细小的腐蚀点。腐蚀过程是一个从量变到质变的过程。在外界腐蚀环境和材料自身的化学成分、显微组织、应力分布等因素的共同作用下，材料表面萌生腐蚀点。随着腐蚀的进行,腐蚀点由少到多、由小到大，同时相邻小腐蚀点会合并成大的腐蚀坑，随着腐蚀点的合并扩大，最终导致了穿孔的发生。3理化性能分析3.1化学成分分析VEGAITESCANImmDigital Microscopy ImagingSiMn0.401.61Ca2+711829-0696FeCO,34-1266Fe00H39-1469BaSO,20/()61在失效的油管上取样依据GB/T43362016标准进行化学成分分析,结果见表1。从表1可见，失效油管材料的化学成分符合APISpec5CT标准的要求。%PS0.0200.004 20.0300.030表2 地层水化学成分Mg2+CI-12423063Cr0.022/样中主要含有Cl-,Cl-含量为2 30 6 3mg/L,HCO；含量为 2 11 mg/L。SO,2-290FeSiCI341FullScale2201ctsCursor:0.000Mo0.000 5Ni0.023Co,2-0Spectrum4mm5图8 穿孔处EDS分析V0.11HCO;211Electron ImagelFeMn67891011kevTi0.003 8总矿化度23303SpectrumCu0.013/A10.021PH值6.562元素质量百分比4.24原子百分比8.933.2金相分析在失效油管上切取金相试样，依据GB/T13298一2015、G B/T 10 56 12 0 16 和GB/T63942017标准，用MeF2A金相显微镜进行金相组织、非金属夹杂评级和晶粒度等分析。失效油管为N80-1油管,油管的金相组织为多边形铁素体+珠光体+少量贝氏体，如图9所示。金相组织晶粒度为10.0 级，非金属夹杂物等级为D细系0.5,铁素体的自腐蚀电位低于珠光体，发生腐蚀的可能性大于珠光体14图9失效油管的金相组织4腐蚀穿孔失效原因综合分析对腐蚀穿孔失效油管进行了穿孔形貌分析、化学成分分析、金相分析、腐蚀产物XRD分析、穿孔处形貌与能谱分析。结果表明，油管内壁腐蚀形貌呈局部腐蚀特征,外壁穿孔尺寸小于内壁穿孔尺寸，穿孔附近存在连续的腐蚀坑,沿着油管轴线方向呈带状分布。化学成分各元素符合APISpec5CT标准的要求。对地层水取样化验,该地层水的PH值为6.5,水样中主要含有Cl，Cl-含量为2 30 6 3mg/L,HCO；含量为2 11mg/L。金相分析显示油管的显微组织为多边形铁素体+珠光体+少量贝氏体，属于正火金相组织，晶粒度为10.0 级，非金属夹杂物等级为D细系0.5。五油管材与仪器表3穿穿孔处表面化学成分C041.820.7766.110.70(a)过渡区(b)管体2023年10 月%油管的腐蚀形貌呈局部腐蚀特征，可以观察到油管SiCI0.680.4820m20umMn1.1951.310.5523.24Fe内壁表面分布有明显的点蚀坑,该井地层水CI-含量为23063mg/L。高浓度的Cl-会使油管发生严重的局部腐蚀。Cl-具有极强的穿透性,更容易进人腐蚀产物,附着在金属表面,形成电偶电池的阳极,而其它未吸附Cl-的部分则成为阴极。电偶电池作用的结果是在金属的表面形成点蚀核，在CI-的自催化作用下腐蚀坑的深度逐渐增加,最后穿透油管管壁形成穿孔。随着Cl-浓度的增大,溶液的导电性增大,加速了电极反应,进而导致腐蚀速率加快。在油管的穿孔处表面发现CI-富集，就是Cl-穿过腐蚀产物膜向金属基体渗透的过程中吸附在腐蚀产物膜上。油管的穿孔附近有沿着油管轴向分布的带状腐蚀坑,其形貌的形成和油管长期被地层水浸泡以及油管的斜度角有关。油管的斜度角约为2 8.8,在重力的作用下,地层水在油管的底部聚集，地层水液膜厚度在油管底部较厚，在油管顶部较薄。因此，在底部的腐蚀性离子含量大，腐蚀最严重，底部出现了腐蚀深坑。即腐蚀介质的差异性导致了带状腐蚀坑的形成。研究表明15-17 ，带状组织会加剧点蚀等局部腐蚀的发生。带状组织等级越高，局部腐蚀倾向越大，带状组织等级越低,均匀腐蚀倾向越大。该油管穿孔附近存在连续的腐蚀坑呈带状分布，主要组织为珠光体与铁素体。由于加厚成型工艺,既存在油管塑性变形导致的宏观残余应力，又存在组织不均匀导致的微观残余应力，热处理参数不合理，残余应力难以消除，带状的流线发生弯曲。加厚端在成型过程产生的残余应力、组织不均匀和油管中存在非金属夹杂都会导致发生腐蚀。在腐蚀环境和这些因素的共同作用下,腐蚀会优先在油管的加厚端过渡区萌生,其腐蚀的主要部位在油管加厚端过渡区的底部。综合以上分析，导致油管发生腐蚀穿孔的主要原因是存在高Cl-和高矿化度的地层水腐蚀环境，次要原因是非金属夹杂物、油管在加厚端的成型过程产生的残余应力和组织不均匀等缺陷。5结论与建议1)腐蚀穿孔失效油管的化学成分符合APISpec5CT标准对N80油管的要求,地层水d的PH值为6.5,油管加厚端组织不均匀，存在非金属夹杂物。2)高Cl-和高矿化度的弱酸性地层水腐蚀环境是导致油管腐蚀穿孔的主要原因，油管的非金属夹杂、油管加厚端成型时导致残余应力和组织不均匀是油管腐蚀穿孔的次要原因。3)建议定期在油管及井筒中加人缓蚀剂,及时排出2023年第9 卷第5期井筒积液,采用合理的热处理工艺使油管加厚过渡区的组织均匀，消除油管的宏观和微观残余应力。参考文献1文怀梁.低碳钢在模拟深地质处置环境中的腐蚀行为D.合肥：中国科学技术大学,2 0 14.2 LOTO R T.Effect of SO2-and CI-anionic attack on the lo-calized corrosion resistance and morphology of 409 ferriticstainless steelJ.Results in Physics,2019,12:738-742.3张旺峰，季根顺,黄淑菊.带状组织对SSCC和CO,腐蚀的影响J.甘肃工业大学学报，1998（4）：2 0-2 3.4 YEVTUSHENKO O,BALER R,PFENNIG A.Corrosion be-haviour of Cr13 steel in CO,saturated brine with high chlorideconcentration J.Materials and 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3,39(8):848-854.63(编辑：葛明君）关于召开“科技期刊创新发展能力提升策略研讨会”的通知为促进中文科技期刊高质量发展，深入探讨创新实践路径，由陕西省科学技术协会支持、中国石油集团工程材料研究院主办、石油管材与仪器编辑部承办的陕西省2 0 2 3年“学术金秋”期刊类高端学术交流活动“科技期刊创新发展能力提升策略研讨会”拟定于2 0 2 3年10 月2 5 2 6 日召开。诚邀各位领导、期刊界同仁、行业内专家、石油管材与仪器期刊编委会及青年编委会委员以及关心期刊发展的作者、读者到会指导。（石油管材与仪器编辑部）