MC-2井区J55尾管腐蚀成因分析

王继波，张城举

1.宁夏西北三兰石油开发有限公司(宁夏银川750001)

2.西安石油大学材料科学与工程学院(陕西西安710065)

MC-2井区J55尾管腐蚀成因分析

王继波1，张城举2

1.宁夏西北三兰石油开发有限公司(宁夏银川750001)

2.西安石油大学材料科学与工程学院(陕西西安710065)

采用水质检测、能谱分析、金相组织分析、XRD等手段，对环池油田MC-2井区J55尾管的作业介质环境、管材成分、管材组织及性能、腐蚀产物等进行了分析。结果表明，MC-2井区油井采出水的矿化度高，含有多种腐蚀性介质;H2S含量及硫酸盐还原菌(SRB)的存在造成H2S分压较高，CO2腐蚀被抑制，J55尾管的腐蚀以H2S腐蚀为主，并在最外层形成硫化铁腐蚀产物膜。介质中Cl-的作用使得H2S腐蚀膜被破坏，从而基体材料被进一步腐蚀。而且Cl-渗入腐蚀产物膜内，在基体材料内形成点蚀，加速腐蚀向基体材料内部扩展，并最终形成穿孔。

尾管;腐蚀成因;穿孔;失效分析

目前，随着石油的不断开采，井下油管在含有硫化氢、二氧化碳、氯离子等腐蚀介质的地层液体中受到严重腐蚀给油田的生产带来障碍，使修井作业产生困难，造成巨大的经济损失［1］。油井管在井下腐蚀的主要形式是H2S腐蚀和CO2腐蚀，二者共存的腐蚀形式是最为普遍的也是最复杂的［2-3］。H2S和CO2共同作用下的腐蚀研究较少，K.Masamura［4］及石油管材研究所学者等研究指出，在H2S与CO2共存体系中，在各自分压以及温度的作用下，在腐蚀形式及产物上有所区别［5］。

环池油田MC-2井区开发于2006年，多为直井或斜井，井深在2 500～3 000m范围，采用两层套管固井方式。井区自投入生产以来一直伴随着严重的腐蚀套损问题，有腐蚀穿孔现象发生，防护措施难度较大，且修井周期越来越短，加大了井下作业工作量和修井成本。通过水质分析、尾管材质分析、腐蚀产物分析等手段，确定该井区的腐蚀机理，明确油管腐蚀因素及影响程度，为后续修井作业中合理选材提供技术支持。

1 实验

MC-2井尾管采用钢级为J55，外径73.03mm，壁厚5.51mm。井下工作仅为62天，取出的尾管样品腐蚀严重，外表面多处点蚀，去除点蚀坑处的堆积腐蚀产物后，观察到坑点在一些位置成串分布，外观形貌如图1所示。

图1 被腐蚀的J55油管

为确定该井区尾管的腐蚀原因，分别进行了采出水成分及尾管成分检测、腐蚀产物能谱分析。现场提取MC-2井区的采出水，按照石油行业标准SY/T 5523油田水分析方法进行了检测分析。采用宏观及微观方法分析了腐蚀产物的形态。采用直读光谱分析仪和荧光能谱分析仪分析了J55尾管的化学成分。在MC-2尾管样品上切取金相样品，依据GB/T 13298、GB/T 6394、GB/T 10561标准进行金相分析，对不同腐蚀产物层进行了EDS点分析，获得了特征能谱图。另外对腐蚀产物进行了XRD分析，确定了腐蚀产物的物相。

2 结果分析与讨论

2.1 采出水的矿化度

采出水水质分析结果见表1，结果显示水质的矿化度为49 262mg/L，处于较高水平。水质中含有主要腐蚀性介质包括:Cl-、CO2、H2S、SRB、HCO3-、SO42-等。

表1 MC-2井区水质分析结果

表2 J55尾管的化学成分/%

2.2 尾管的化学成分

J55尾管的化学成分分析结果见表2，材料化学成分符合API 5CT标准要求。

2.3 J55尾管材料的金相组织

J55尾管的金相组织为珠光体加铁素体，晶粒度为9级，带状组织2级，非金属夹杂物分别为A0.5、B0.5、C0.5，金相组织形貌如图2所示。其金相组织为珠光体加铁素体的组织，由于珠光体相是铁素体与渗碳体的共析体，因此其内部存在较严重的微电偶腐蚀，渗碳体作为阴极易加速珠光体中铁素体的腐蚀。

图2 样品金相组织形貌

2.4 腐蚀产物及管垢分析

J55尾管处取样如图3所示，外表面腐蚀严重，样品内表面为均匀腐蚀，产物膜厚度在1～2mm，存在一处刺漏穿孔。清理外表面腐蚀产物后，可以看到管子表面已经在腐蚀作用下，形成大量的腐蚀坑，腐蚀坑成平行轴向成串分布，如图4所示。

图3 尾管刺漏处腐蚀解剖形貌

图4 表面呈串的腐蚀坑

不同腐蚀产物层的EDS能谱分析结果及腐蚀产物的微观形貌如图5所示。尾管外表面腐蚀产物的外层硫磷元素含量高，中间层硫含量比较明显，产物中存在FeS，内层以铁的氧化物为主。对腐蚀产物进行EDS面扫描分析，结果显示腐蚀产物以氧化铁为主，含有一定量的S和Cl元素，同时存在Al，Mg，Si和Ca等矿化物类元素。可以确定腐蚀产物中均有明显的硫化物腐蚀产物，氯化铁在近金属表面形成，次表面以氧化产物为主，在腐蚀产物的最外层硫化物分布较多。

图5 J55尾管的腐蚀产物EDS点分析谱图

为确定腐蚀产物的物相，取尾管内壁的腐蚀产物用玛瑙研钵研磨30min后进行了粉末的XRD检测，XRD检测结果如图6所示，结果显示含有大量非晶产物，氯化亚铁相和硫化铁相的谱峰明显，并含有SiO2和(NH4)2(CaSO4)5.SO2.H2O复杂螯合物。

图6 管内壁腐蚀产物XRD分析谱图

油井采出水样检测的结果显示水质的矿化度高，水样偏酸性，腐蚀性物质有CO2、H2S、SRB及Cl-、HCO3-、SO42-和硫酸盐还原菌(SRB)。同时该区块的作业环境具备产生H2S的温度和压力条件，硫酸盐可以不断地被细菌分解产生H2S气体并溶解在水中，形成H2S腐蚀介质。另外根据水质分析给出的H2S和CO2质量浓度值，可确定该区块的CO2与H2S分压比小于200，介质中H2S为主导，腐蚀过程受H2S控制，CO2腐蚀被抑制，CO2的存在进一步促进了腐蚀的发展。同时水样中有大量Cl-，易导致油管表面产生点坑蚀，并不断扩大形成腐蚀穿孔。

3 结论

MC-2井区油井采出水的矿化度高，水样偏酸性，存在大量腐蚀性物质CO2、H2S、SRB及Cl-、HCO3-、SO42-和硫酸盐还原菌(SRB)。由于地层水含有H2S、SO42-、SRB细菌，造成H2S分压较高，抑制了CO2腐蚀。初期主要以H2S腐蚀为主，在最外层形成硫化铁腐蚀产物膜。Cl-的存在，首先破坏H2S腐蚀膜对基体材料的保护，使腐蚀持续进行;其次Cl-渗入腐蚀膜内，在基体材料内形成点蚀，加速腐蚀向基体材料内部扩展。另外，珠光体加铁素体的组织中，珠光体相是铁素体与渗碳体的共析体，珠光体相内部存在较严重的微电偶腐蚀，渗碳体作为阴极会加速珠光体中铁素体的腐蚀，从而加速了基体材料的腐蚀。

［1］李淑华，朱晏营.井下油管的腐蚀防护［J］.油气田地面工程，2007，26(12):45-56.

［2］姚晓，冯玉军.国内外气田开发中管内CO2腐蚀研究进展［J］.油气储运，1996，15(2):97-99.

［3］赵国仙，吕祥鸿，韩勇.某井油管腐蚀原因分析［J］.材料工程，2010，38(3):51-55.

［4］K MaSamura，S Hashizume，J Sakai.Polarization behavior of high-alloy OCTG in CO2environment as affected by chlorides and sulfides［J］.Corrosion，1987(6):359.

［5］周计明.油管钢在含CO2/H2S高温高压水介质中的腐蚀行为及防护技术的作用［D］.西安:西北工业大学，2002.

The working medium，the material composition，microstructure and performance and the corrosion products of the J55 liners used in MC-2 wellblock are analyzed through water quality testing，spectrum analysis，microstructure analysis and XRD.The results show that:the produced water in MC-2 wellblock is of high salinity and there are several corrosion factors in it;the presence of H2S content and sulfate-reducing bacteria(SRB)results in high H2S partial pressure and inhibits CO2corrosion，the corrosion of the liners is mainly H2S corrosion，and iron sulfide corrosion film is formed on the surface of the liners.The effect of Cl-makes the iron sulfide corrosion film destroyed，which leads to the matrix material of the liners further corroded.And the Cl-seeping into the corrosion product film will form pitting in the matrix material，which will accelerate the corrosion inside the matrix material and eventually form perforation in the matrix material.

liner;corrosion cause;perforation;failure analysis

王梅

2015-03-31

王继波(1984-)，男，工程师，硕士，主要从事采油工程及油田开发工作。