石油与天然气化工  2016, Vol. 45 Issue (2): 50-54
井下油管腐蚀失效分析
吴贵阳 1,2,3, 余华利 1,2,3, 闫静 1,2,3, 刘志德 1,2,3, 杜国滨 1, 霍绍全 1,2,3, 曹军 1,2,3     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 国家能源高含硫气藏开采研发中心;
3. 中国石油天然气集团公司高含硫气藏开采先导试验基地
收稿日期：2015-04-28
作者简介：吴贵阳(1987-)，男，福建泉州人，工程师，毕业于中国石油大学(华东)，现就职于中国石油西南油气田公司天然气研究院，主要从事酸性气田腐蚀与防护方面的科研工作。E-mail:wuguiyang@petrochina.com.
摘要：油气井增产、投产常采用酸化技术，在酸化过程中, 油井管腐蚀失效是油管失效的主要形式之一。通过化学成分分析、金相分析、残余应力测试、腐蚀区域微观分析和油管耐蚀性能评价对酸化过程中呈现规律状螺旋腐蚀失效油管进行的分析表明，失效油管的化学成分、抗拉强度、延伸率、屈服强度、硬度均符合技术协议要求；金相组织由回火索氏体组成，但存在带状偏析，且内部存在拉应力。螺旋状内部拉应力存在形成其特有腐蚀形貌，腐蚀产物主要由CaCO3、Fe2O3组成。现场工况下使用转向酸，在105 ℃时会发生严重腐蚀，腐蚀速率可达到126.45 g/m2·h。
关键词：失效分析    残余应力    井下油管    油气田    螺旋状腐蚀    
Corrosion failure analysis of downhole oil tube
Wu Guiyang1,2,3 , Yu Huali1,2,3 , Yan Jing1,2,3 , Liu Zhide1,2,3 , Du Guobin1 , Huo Shaoquan1,2,3 , Cao Jun1,2,3     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, China;
2. National Energy R & D Center of High Sulfur Gas Exploitation, Chengdu 610213, China;
3. High Sulfur Gas Exploitation Pilot Test Center, CNPC, Chengdu 610213, China
Abstract: Acidizing technology was commonly used in oil and gas well stimulation and production, and corrosion failure of oil tube during the acidification process was a main form of tubing failure. Chemical composition analysis, metallography analysis, residual stress test, microstructure analysis at corroded areas and the adaptability evaluation of oil tube were used to investigate the helical corrosion failure of oil tube during acidification process. The analysis results showed that chemical composition, tensile strength, elongation, yield strength and hardness of the failure oil tube were agreed with technology agreement, and microstructure was tempered sorbitic, but ribbon segregation and residual stress existed in oil tube. Corrosion unique topography was formed by helical internal tensile stress, the products were mainly composed of CaCO3, Fe2O3. Severe corrosion would happened at 105 ℃ when diverting acid were used on site. The corrosion rate could reach 126.45g/m2·h.
Key Words: failure analysis    residual stress    downhole oil tube    gas & oilfield    helical corrosion    

油管开裂、穿孔是油管失效的主要形式，常造成巨大的经济损失[1]。以中国石油西南油气田公司某井井下油管失效为案例，探讨油管失效规律，为预防此类事故发生提供实践依据。此失效油井管腐蚀严重，整管外壁呈现规律状螺旋腐蚀，螺旋最大宽度93.31 mm，局部腐蚀穿孔，孔的最大直径为9.28 mm，孔的深度为6.35 mm(壁厚)，腐蚀宏观形貌如图 1和图 2。此失效井于2013年11月26日进行酸化施工，上午8点59分加注低替转向酸，10点15分加注转向酸，下午14点51分加注冲洗液，于15点完成施工。油井管腐蚀坑内覆盖黑色腐蚀产物，产出水呈酸性，pH值为2.5，矿化度139 g/L，ρ(Ca2+) 15.3 g/L，ρ(Cl-)86.8 g/L，为CaCl2水型，水质分析结果见表 1。

图 1     油管螺旋状腐蚀形貌 Figure 1     Sporal corrosion morphology oil tube

图 2     油管现场腐蚀照片 Figure 2     Corrosion photos of oil on site

表 1    水质分析结果 Table 1    Results of water quality analysis

1 分析方法

在管线上切割样品进行化学成分分析、硬度及力学性能测试。拉伸试验在室温下进行，采用GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》规定拉伸试样，并在管线上不同部位切取试样进行金相、SEM观察，分析腐蚀形貌，采用XRD分析腐蚀产物。此外，抽取一根同牌号新油管进行对比分析，将腐蚀失效的油管编号为1#，已出现较大腐蚀的油管编号为2#，同牌号新油管编号为3#。

2 分析结果
2.1 化学成分分析

取1#油管及3#油管进行化学成分分析，结果见表 2。由表 2可知，无论是1#油管还是3#油管，其化学成分均符合技术协议要求。

表 2    试样化学成分检测结果 Table 2    Test results of chemical composition of the samples

2.2 力学性能检测

参考标准GB/T 228.1-2010及GB/T 2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》，在1#油管及3#油管的不同部位取平行试样5个，采用万能材料试验机在常温下进行拉伸试验。同时参照标准GB/T 230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验第1部分试验方法》，在1#油管及3#油管的不同部位取平行试样3个，采用洛氏硬度计在常温下进行试验，结果见表 3。由表 3可知，油管力学性能满足技术协议要求。

表 3    力学性能测试结果 Table 3    Test results of the mechanical properties

2.3 油管金相分析
2.3.1 夹杂物分析

图 3为3#油管的金相图片(未腐蚀)。从图 3可看出，油管有一定数量的夹杂物。

图 3     3#油管钢中夹杂物图片（放大100倍） Figure 3     Picture of steel inclusions in 3# oil tube (100×magnification)

图 4为1#油管的金相图片。从图 4可看出，油管有明显的带状偏析，并有一定数量的夹杂物。

图 4     1#油管钢中夹杂物图片（放大100倍） Figure 4     Picture of steel inclusions in 1# oil tube (100×magnification)

根据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法》对油管的夹杂物进行评级，结果见表 4。夹杂物分类：A为硫化物类，B为氧化铝类，C为硅酸盐类，D为环状氧化物类。由表 4可见，发生腐蚀的油管，其B、D类夹杂物级别要大于新油管，在视场内未见C类夹杂物。由夹杂物评级表 4可知，腐蚀油管与未腐蚀油管并未出现较大非金属夹杂，夹杂物对油管钢性能影响较小。

表 4    夹杂物评级 Table 4    Rating of steel inclusions

2.3.2 金相组织分析

图 5为3#油管的金相图片。从图 5可以看出，金相组织主要为回火索氏体，存在部分带状偏析。

图 5     3#油管金相图片(放大500倍) Figure 5     Metallography pictures of 3# oil tube(500×magnification)

图 6为1#油管的金相图片。从图 6可知，其金相组织仍为回火索氏体，同样存在带状偏析状况；其带状偏析比3#油管明显，带状偏析即说明成分分布不均，降低了材料的耐蚀性能。

图 6     1#油管金相图片(放大500倍) Figure 6     Metallography pictures of 1# oil tube(500×magnification)

2.4 油管残余应力情况分析

在1#油管发生严重腐蚀段(编号030)、未发生严重腐蚀段(编号06)及3#油管上取样(编号007)，进行XRD残余应力分析。结果见图 7~图 9。由于宏观残余应力可能引起晶格各向异性收缩，因此，在衍射图谱上表现为：对某些衍射为压应力时衍射峰向高角度发生位移，反之为拉应力时衍射峰向低角度发生位移。从图中可以看出，3种样品内都有一定的拉应力，其中，030段的峰向低角度偏移得最厉害，所以其拉应力最大，06段次之，007段表面拉应力最小。

图 7     衍射图谱全谱 Figure 7     Full specturm of diffraction patterns

图 8     （110）晶面衍射图谱 Figure 8     Diffraction patterns of crystal surface(110)

图 9     （200）和（211）晶面衍射图谱 Figure 9     Diffraction patterns of crystal surface(200 and 211)

2.5 腐蚀区域微观分析

图 10为1#油管泄漏处附近腐蚀坑底横截面形貌。由图 10可知，坑底覆盖较厚的腐蚀产物层，腐蚀产物层结构疏松。在样品横截面选取所示的点进行EDS分析(表 5)，腐蚀产物主要元素为C、O、Fe、Ca，并含有少量的Cl。

图 10     腐蚀区域微观分析 Figure 10     Microstructure analysis result of corroded areas

表 5    样品EDS分析结果 Table 5    EDS analysis results of sample

图 11为泄漏点附近的腐蚀坑形貌。由图 11可见，腐蚀坑内覆盖有较厚的疏松腐蚀产物，这与横截面显微形貌观察结果相同。将图中所示的腐蚀坑底腐蚀产物放大观察，可观察到球状的结晶。对表面腐蚀产物进行EDS分析(图 11(c))，腐蚀产物主要元素为C、O、Fe、Ca，并含有少量的Cl。

图 11     腐蚀微区的显微组织SEM图谱和对应能谱 Figure 11     SEM spectrum of microstructure and EDS at corroded areas

在样品泄露点周围刮取腐蚀产物，进行XRD分析，分析结果如图 12所示。由图 12可看出，其主要产物为CaCO3和Fe2O3。由腐蚀产物可知，腐蚀主要为酸引起的阳极溶解。

图 12     腐蚀微区腐蚀产物的XRD图谱 Figure 12     XRD spectrum corrosion products at corroded areas

2.6 油管耐蚀性能评价

根据现场实际情况，按SY/T 5405-1996《酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标》进行了油管在油井泥浆、油井转向酸条件下的腐蚀试验，结果见表 6。由表 6可以看出，无论是3#油管还是1#油管，在转向酸的条件下都发生了腐蚀，尤以1#油管加工试片发生腐蚀最为严重。

表 6    油管适应性评价 Table 6    Adaptability evaluation of oil tube

3 腐蚀失效原因分析

综合以上分析，失效油管材质化学成分、抗拉强度、延伸率、屈服强度、硬度均符合技术协议要求，并未存在较大颗粒非金属夹杂量，而金相组织由回火索氏体组成，但存在带状偏析，这将促进金属油管的腐蚀，新油管在转向酸中的腐蚀也远超过BG95SS。此外，油管内部存在拉应力，拉应力的存在更加促进了油管的腐蚀。有学者通过极化曲线、电化学阻抗谱研究X80 UOE钢管在NS4模拟土壤溶液，二氧化碳环境下，残余应力对电化学腐蚀性能的影响。研究结果表明，随着残余拉应力的增大，母材的开路电位及极化电阻逐渐减小，即促进阳极溶解，更易发生腐蚀[2]。因其拉应力的分布呈现螺旋状分布，所以产生螺旋状腐蚀形貌。推断其原因可能在于：油管生产过程中矫直过后未进行回火处理产生的残余应力。失效油管存在带状偏析及内部拉应力，在使用转向酸、105 ℃条件下，会发生严重腐蚀，腐蚀速率可达到126.45 g/m2·h。

4 结论

(1) 油井在酸化施工过程中，油管腐蚀加剧，造成油管由外壁向内螺旋状腐蚀且局部穿孔。

(2) 失效油管分析结果表明，油管金相组织为回火索氏体，存在带状偏析，含有少量夹杂，且内部存在拉应力。油管腐蚀产物为球状物，主要由CaCO3和Fe2O3组成。

(3) 失效油管存在带状偏析，且其内部存在拉应力促使腐蚀加剧是油管腐蚀失效的主要原因。

参考文献
[1]
李鹤林. 油井管发展动向及若干热点问题(上)[J]. 钢管, 2005, 34(6): 1-4.
[2]
熊庆人, 李为卫, 付安庆, 等. 残余应力对X80 UOE钢管耐电化学腐蚀性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2012(增刊2): 756-760.
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