南海某油田套管腐蝕行為研究

0井副井3-4-5-8健康損害責任目標油站位于中國南海的油田，1992年竣工。最初的設計壽命：10年。現(xiàn)在屬于過度服務階段。油井管形式為油井外套三層套管,各層套道尺寸:最外層套管:20”;中間層套管:13-3/8”;最內(nèi)層套管:9-5/8”。2013年,三層套管同時出現(xiàn)穿孔泄漏,穿孔點位于浪花飛濺帶。失效發(fā)生后,對泄漏部位取樣,分析其腐蝕機理,評估腐蝕發(fā)展進程,以期為防護治理提供理論依據(jù)。取樣過程中,發(fā)現(xiàn)只有13-3/8”中間層套管穿孔處保存完好,遂以此制作試樣。1試樣外表面腐蝕的觀察為敘述方便,以下統(tǒng)一將13-3/8”套管所取試樣簡稱為試樣1。圖1為試樣1的外表面的宏觀形貌。從圖中可以看出,其整個外表面均發(fā)生了嚴重的腐蝕。進一步觀察,可以看到在外表面的不同區(qū)域,發(fā)生腐蝕的嚴重程度還是有所不同。在試樣外表面的黑色區(qū)域(使用黑實線標注),腐蝕稍輕微一些,而在外表面的黃色區(qū)域,呈現(xiàn)出嚴重的腐蝕。在黃色的部分區(qū)域,可以觀察到發(fā)生了穿孔,如圖1所示。圖1為試樣1穿孔部位切割后的截面圖。可以看出,套管內(nèi)表面有腐蝕現(xiàn)象發(fā)生,但腐蝕較為輕微,金屬基體基線表現(xiàn)出很平坦的形貌;但套管外表面明顯出現(xiàn)凹凸不平的基線形貌,且在腐蝕穿孔附近覆蓋著大量黃色氧化物膜層,充分顯示腐蝕由外向內(nèi)發(fā)生、發(fā)展。2覆蓋物的形貌為進一步了解套管腐蝕表面的微觀形貌,我們對套管截取試樣1放大40～400倍進行金相分析。發(fā)現(xiàn)試樣1以黃色覆蓋物部位為主,但夾雜部分黑色覆蓋物。金相圖見1～4至1～6。從形貌圖中可以看出:①腐蝕產(chǎn)物覆蓋都不是很均勻、致密。相較而言,黑色覆蓋得更均勻、致密些;②黃色腐蝕產(chǎn)物與黑色腐蝕產(chǎn)物并非獨立存在,而是交相滲透。結(jié)合形貌圖可以初步斷定,套管在外界環(huán)境影響下,腐蝕的發(fā)生方式主要為非均勻腐蝕,即局部腐蝕。3腐蝕產(chǎn)物的譜分析在確定了腐蝕由外向內(nèi)發(fā)生、發(fā)展以及腐蝕方式為非均勻腐蝕之后,我們采取電鏡掃描及能譜分析等手段,對腐蝕產(chǎn)物的特性及化學構(gòu)成作進一步分析,爭取更深層次的挖掘出腐蝕發(fā)生的原因與機理。掃描電鏡使用SSX-550型掃描電鏡(日本島津,分辨率:3.5nm(30KV);放大倍數(shù):20～300000倍;加速電壓:0.5～30kV)。3.1試樣的sem-eds分析因穿孔主要位于黃色覆蓋區(qū)域,所以我們首先研究黃色覆蓋物。圖7～9為試樣1覆蓋黃色覆蓋物表面的掃描電鏡圖,由圖可知,該氧化層表面覆蓋不夠均勻,表面有白色小顆粒附著在氧化層上。圖10和圖11為試樣1覆蓋黃色氧化層的截面掃描電鏡形貌。由圖可知,該區(qū)域的氧化膜覆蓋層總體較薄,結(jié)合處表面不夠致密,說明氧化層結(jié)合力不好。圖12和表1為EDS譜圖及不同區(qū)域重要元素組成。根據(jù)EDS譜圖可知,該黃色覆蓋物主要元素為Fe、O、C;且膜層元素分布并不均勻,亮區(qū)和暗區(qū)元素分布不同。暗區(qū)含C較多,亮區(qū)含氧量較大。3.2試樣腐蝕穿絲件的能譜分析圖13～15為試樣1的腐蝕穿孔區(qū)域的表面掃描電鏡圖。由圖可知,該表面形貌極不規(guī)整,膜層不致密,表面有很多較大大顆粒狀物質(zhì)附著在氧化層上。圖16和圖17為試樣1腐蝕穿孔處的截面SEM形貌,由圖可知,該區(qū)域的氧化膜的膜層出現(xiàn)明顯裂紋,膜厚度較薄,氧化膜結(jié)合不好。圖18和表2為試樣1穿孔區(qū)域的EDS譜圖及不同區(qū)域重要元素組成。根據(jù)譜圖可知,該處覆蓋物的主要元素為Fe、O、C、Al。其中亮區(qū)含C較多,暗區(qū)出現(xiàn)大量Al雜質(zhì)元素。推測其原因,有如下幾點可能:①材質(zhì)本身含雜質(zhì)②套管使用過程中出現(xiàn)問題,修復時帶入雜質(zhì);③截取試樣時帶入雜質(zhì)。3.3試樣腐蝕的xrd分析為了進一步獲得試樣本體及腐蝕產(chǎn)物的成分、材料內(nèi)部原則或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息,我們采用XRD分析手段,得出X射線衍射圖譜,并進行分析。圖19為不同腐蝕區(qū)域的XRD圖可以看出,未腐蝕的空白樣有很強的Fe吸收峰,試樣1的黃色區(qū)域和黑色區(qū)域Fe吸收峰明顯減弱,說明試樣表面在海水中浸泡20年已經(jīng)產(chǎn)生了一層致密的銹蝕層。黃色區(qū)域的Fe4腐蝕過程分析綜合上述一系列宏觀與微觀觀察與分析,我們對該油井隔水套管的腐蝕穿孔得出以下結(jié)論:(1)腐蝕由外向內(nèi)發(fā)生、發(fā)展;(2)造成穿孔的主要腐蝕形式為非均勻性腐蝕,即局部腐蝕;(3)結(jié)合電鏡掃描、能譜分析、XRD圖譜分析等分析結(jié)果,可以給出一個大致的腐蝕路徑:飛濺帶最外層套管外壁長期受到腐蝕侵害→外管局部腐蝕減薄→形成一定致密度的腐蝕產(chǎn)物覆蓋層→形成局部“大陰極(Fe最外層套管腐蝕穿孔之前,內(nèi)外層套管之間一直充滿了海水,內(nèi)層套管的腐蝕一直為海水均勻腐蝕;同時因環(huán)境密閉,所以它的腐蝕速度相對較慢。外層套