閆治濤1, 王冰冰1, 張 毅, 賈 朋, 薛世峰

[1.勝利油田東勝精攻石油開發(fā)集團(tuán)股份有限公司, 東營(yíng) 257061；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東), 青島 266580]

我國(guó)機(jī)械采油井占油井總數(shù)的90%以上，有桿泵采油井占機(jī)采井的90%以上，抽油桿作為地面抽油機(jī)和井下抽油泵的連接設(shè)備，是有桿泵采油的重要組成部分。抽油桿將地面往復(fù)動(dòng)力傳遞到井下抽油桿，而且在抽油桿上升和下降過(guò)程中，受拉-壓疲勞應(yīng)力和原油腐蝕。隨著服役年限增加及下泵深度的增加，抽油桿桿柱斷裂成為影響油田生產(chǎn)的主要因素，也大大增加了油井的維護(hù)費(fèi)用。研究[1-7]發(fā)現(xiàn)抽油桿的主要失效原因是疲勞斷裂和腐蝕疲勞斷裂。正常情況下抽油桿的使用壽命在200 d(天)以上，某井的抽油桿斷桿率一直居高不下，起井檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)使用不足100 d的抽油桿出現(xiàn)了深度不同、大小不等的腐蝕坑。國(guó)內(nèi)外對(duì)油管腐蝕的研究較多[8-18]，但未見對(duì)抽油桿腐蝕原因的相關(guān)研究報(bào)道。為此，筆者采用紅外光譜分析、離子色譜檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析等方法，分析了抽油桿的腐蝕原因。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 油田采出液成分分析

1.1.1 紅外光譜分析

將采集到的油田采出液在溫度為105 ℃下烘干4 h后進(jìn)行固含量測(cè)試,結(jié)果約為2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。采用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)得油田采出液烘干樣品的紅外譜圖如圖1所示,結(jié)果表明油田采出液成分中含有CaCl2。

圖1 油田采出液紅外譜圖Fig.1 Infrared spectrum of oilfield produced fluid

圖2 油田采出液離子色譜圖Fig.2 Ion chromatograms of oilfield producted fluid:a) anion chromatogram; b) cation chromatogram

1.1.2 離子色譜分析

采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES)定量分析采出液成分，結(jié)果如表1所示?？梢娫撚吞锊沙鲆褐锈}元素含量約為0.11%，鐵元素含量約為0.007 8%，鉀元素含量約為0.02%，鈉元素含量約為0.71%，硫元素含量約為0.04%。因電感耦合等離子發(fā)射光譜主要檢測(cè)金屬離子含量，而離子色譜重點(diǎn)檢測(cè)陰離子及部分陽(yáng)離子，雖然兩者得出的結(jié)果略微不同，但互為補(bǔ)充。

表1 油田采出液成分定量分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Quantitative analysis results of oilfield producted fluidcomposition (mass fraction) %

1.2 抽油桿化學(xué)成分分析

在抽油桿桿體上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。可見，抽油桿化學(xué)成分滿足GB/T 26075—2019《抽油桿用圓鋼》對(duì)20CrMoA鋼D級(jí)抽油桿的要求。

表2 抽油桿化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Analysis results of chemical composition ofsucker rod (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

在未使用的抽油桿和腐蝕的抽油桿上分別取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),取樣位置及顯微組織形貌如圖3所示?？梢?，腐蝕前后抽油桿桿體的顯微組織均為回火索氏體+少量上貝氏體。

圖3 抽油桿取樣位置及顯微組織形貌Fig.3 Sampling positions and microstructure morphology of sucker rod:a) sampling position of unused sucker rod; b) sampling position of corroded sucker rod; c) microstructure morphology of unused sucker rod;d) microstructure morphology of corroded sucker rod

進(jìn)一步觀察未使用及腐蝕的抽油桿金相試樣組織中非金屬夾雜物形貌，如圖4所示，夾雜物評(píng)級(jí)為D 0.5級(jí)，可知夾雜物等級(jí)較低，滿足GB/T 26075—2019對(duì)20CrMoA鋼D級(jí)抽油桿的要求(不大于2.0)。

圖4 抽油桿非金屬夾雜物形貌Fig.4 Morphology of nonmetallic inclusions in sucker rod:a) unused sucker rod; b) corroded sucker rod

1.4 掃描電鏡及能譜分析

在腐蝕的抽油桿上取樣,取樣位置如圖3b)所示，對(duì)腐蝕坑附近進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析和能譜(EDS)分析，結(jié)果如圖5所示。掃描電鏡分析結(jié)果表明腐蝕的抽油桿經(jīng)過(guò)疲勞腐蝕作用出現(xiàn)了少量裂紋和孔洞;能譜分析結(jié)果表明抽油桿的腐蝕產(chǎn)物中含有腐蝕性元素氧、硫、氯，其中氯元素的含量較高，還有硅、鋁、鈣、鎂元素等。

圖5 腐蝕抽油桿的SEM形貌及EDS分析結(jié)果Fig.5 a) SEM morphology and b) EDS analysis results of corroded sucker rod

圖6 抽油桿腐蝕產(chǎn)物紅外譜圖Fig.6 Infrared spectrum of corrosion products of sucker rod:a) original sample; b) gray sample

1.5 腐蝕產(chǎn)物成分分析

在抽油桿刮取腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行紅外色譜分析，結(jié)果如圖6所示。原樣圖譜表明腐蝕產(chǎn)物主要為無(wú)機(jī)鹽，灰樣圖譜表明腐蝕產(chǎn)物主要是Fe2O3。采用ICP-OES定量分析腐蝕產(chǎn)物成分及其含量，結(jié)果如表3所示。可見抽油桿腐蝕產(chǎn)物中含有大量硫元素，推測(cè)抽油桿可能與油田采出液中的含硫化合物發(fā)生了化學(xué)腐蝕。

表3 腐蝕產(chǎn)物成分定量分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Quantitative analysis results of corrosion productcomposition (mass fraction) %

2 分析與討論

根據(jù)油田采出液的成分分析結(jié)果可知，該油井采出液中氯離子的含量為5 224.4 mg·L-1,鈉、鈣離子的含量也相對(duì)較高，pH為6.7，而且含有硫元素，腐蝕產(chǎn)物主要是氧化鐵和含硫化合物。基于上述分析認(rèn)為，該井油管腐蝕的主要原因是氧腐蝕和硫化氫腐蝕。

2.1 氧腐蝕

氧腐蝕是石油工業(yè)中常見的一種腐蝕類型，其實(shí)質(zhì)為氧氣溶解于水中，金屬與水中溶解的氧發(fā)生電化學(xué)腐蝕，腐蝕過(guò)程為

Fe→Fe2++2e-

(1)

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

生成的亞鐵離子在水環(huán)境中很不穩(wěn)定，極易發(fā)生以下反應(yīng)

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(3)

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3

(4)

部分Fe(OH)3隨后進(jìn)一步脫水成為鐵銹或水解成羥基氧化鐵，其反應(yīng)為

2Fe(OH)3-H2O→Fe2O3·2H2O

(5)

Fe(OH)3-H2O→FeO(OH)

(6)

8FeO(OH)+Fe2++2e-→3Fe3O4+4H2O

(7)

2.2 硫化氫腐蝕

硫化氫在水溶液中會(huì)電離出H+,HS-,S2-，離子對(duì)金屬的腐蝕是氫去極化過(guò)程。硫化氫首先吸附在鐵表面，鐵經(jīng)過(guò)一系列陰離子的吸附和脫附、陽(yáng)極氧化、水解等過(guò)程生成鐵離子或者硫化鐵，反應(yīng)過(guò)程為

Fe+H2S+H2O→FeHS-+H3O+

(8)

FeHS-→FeHS++2e-

(9)

FeHS+H3O+→Fe2++H2S+H2O

(10)

Fe2++HS-→FeS+H+

(11)

2.3 氯離子的影響

氯離子主要來(lái)自油氣田水中礦化物和酸化作業(yè)中的殘酸，其在抽油桿的腐蝕過(guò)程中起催化作用。基于電價(jià)平衡，帶負(fù)電荷的氯離子極易吸附到金屬表面，阻礙保護(hù)性的硫化鐵膜在金屬表面形成。另外，氯離子還能通過(guò)金屬表面硫化鐵保護(hù)膜的細(xì)孔或缺陷滲入膜內(nèi)，使保護(hù)膜發(fā)生開裂，導(dǎo)致孔蝕。氯離子一旦與金屬表面接觸，會(huì)加速鐵離子溶解，生成易水解的FeCl3，加速金屬腐蝕。

3 結(jié)論及建議

(1) 抽油桿腐蝕主要是因油田采出液中溶解氧及硫化氫含量較高，導(dǎo)致的氧腐蝕和硫化氫腐蝕；另外氯離子含量較高加劇了抽油桿的局部腐蝕。

(2) 建議在油井中加入適量緩蝕劑，減輕腐蝕對(duì)抽油桿力學(xué)性能的影響。