石油天然氣資源是我國的主要能源資源之一,支撐著國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。由于地層結(jié)構(gòu)等原因,腐蝕是油氣田經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)發(fā)展中面臨的重要挑戰(zhàn)之一,尤其是近年來順北油氣田已陸續(xù)出現(xiàn)多個(gè)110鋼級油管開裂情況,如何避免同類開裂事故的再次發(fā)生,是目前亟需解決的問題。

順北油氣田腐蝕環(huán)境惡劣,具有“高CO2、高H2S、高Cl-、低pH”的“三高一低”特點(diǎn)。研究表明,在高含H2S的環(huán)境中,管材具有應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）的風(fēng)險(xiǎn),且鋼級越高,開裂敏感性越大[1-4]。順北地區(qū)油井井深通常超過7 000 m,這對油管的強(qiáng)度提出了較高的要求。分析近年發(fā)生的開裂案例可知,開裂油管均為P110油管。筆者選取同一井下的開裂P110油管和未開裂P110S油管,對比兩者組織、硬度、力學(xué)性能等的差別,結(jié)合工況、開裂特征等開展綜合研究,分析影響兩種材料抗應(yīng)力腐蝕開裂能力的主要原因,以期為西北油田高含H2S環(huán)境工況下的井下安全生產(chǎn)、持續(xù)穩(wěn)定開發(fā)提供指導(dǎo),同時(shí)也為其他類似工況下的應(yīng)力腐蝕開裂防護(hù)措施選擇提供參考。

某開裂油管所處油井井深約7 800 m,油管服役僅3 a,即在井深約6 000 m位置發(fā)生了軸向開裂,最長裂紋約為300 mm。油管內(nèi)部主要接觸介質(zhì)為天然氣、生產(chǎn)水和原油等,其中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~2.49%。H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為820.31~14 362.69 mg/cm3,原油平均含水率為0.57%,產(chǎn)出水密度為1.02 g/cm3,礦化度為26 130 mg/L,pH為7.8,產(chǎn)出水高含Ca2+和。油管外部為環(huán)空保護(hù)液（密度1.02 g/cm3的清水）,礦化度為24 634 mg/L,pH為7.8,環(huán)空保護(hù)液高含Ca2+和。

1. 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 裂紋形貌

由圖1可見：裂紋呈中間寬,兩邊窄的特征,沿油管軸向發(fā)展。油管的外表面有輕微腐蝕,且以均勻腐蝕為主,可見銹紅色的腐蝕產(chǎn)物附著,沒有發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕坑等局部腐蝕。

圖 1 開裂油管宏觀照片

Figure 1. Macro morphology of the cracked oil pipe

為分析油管的微觀開裂特征,在裂紋尖端截面方向取樣,打磨拋光后,采用金相顯微鏡觀察表面裂紋沿壁厚方向擴(kuò)展情況。由圖2可見,裂紋起源于外表面,向內(nèi)表面發(fā)展,裂紋呈樹枝狀分叉；高倍下可見裂紋的擴(kuò)展路徑中,有部分不連續(xù)的微裂紋。采用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精侵蝕后,可見裂紋擴(kuò)展以穿晶為主,呈現(xiàn)典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征。

圖 2 裂紋沿厚度方向的擴(kuò)展形貌

Figure 2. Morphology of the crack propagation along the thickness direction: (a) low magnification morphology; (b) high magnification morphology; (c) morphology after erosion

1.2 化學(xué)成分

參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A751-2008《鋼產(chǎn)品化學(xué)分析的試驗(yàn)方法》對開裂油管中C、Mn、Mo、Cr、Ni、P、S、Cu、Si等元素的含量進(jìn)行檢測。由表1可見：與未開裂油管相比,開裂油管中的Mn和S元素含量約是未開裂油管的4倍。針對P110油管,API 5CT標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了元素P和S的含量,未對其他元素含量進(jìn)行規(guī)定,因此開裂油管的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 顯微組織

分別對開裂和未開裂油管取樣,尺寸為10 mm×10 mm,用砂紙逐級打磨試樣表面后,參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》,選用3%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕,侵蝕后試樣經(jīng)去離子水沖洗、酒精脫水、冷風(fēng)吹干,采用Nikon Eclipse LV150N型金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織。由圖3可見：未開裂（油管）試樣的組織為回火索氏體組織,而開裂（油管）試樣的組織更接近于回火屈氏體,兩種組織均由鐵素體和滲碳體組成。其中,未開裂試樣組織中的鐵素體主要呈等軸狀,而開裂試樣組織中部分鐵素體仍然保留了原板條馬氏體,并非全部轉(zhuǎn)換為等軸鐵素體。滲碳體在回火過程中從馬氏體中析出,彌散分布在晶界和晶內(nèi),且滲碳體通過擴(kuò)散相變優(yōu)先在晶界處形核。對比兩種試樣的顯微組織可見,未開裂試樣的滲碳體擴(kuò)散得更加充分,且在晶界處形核的比例更大。

圖 3 未開裂及開裂油管試樣的顯微組織

Figure 3. Microstructure of uncracked (a) and cracked (b) oil pipe samples

1.4 力學(xué)性能

參照GB/T 228-2010《金屬材料室內(nèi)拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn),對未開裂及開裂油管試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。由表2可見：開裂試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均高于未開裂試樣,且斷后伸長率低于未開裂試樣。

1.5 硬度

根據(jù)API-5CT要求,采用上海尚材試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對未開裂及開裂油管試樣進(jìn)行硬度測試。由圖4可見：未開裂試樣的硬度為28~29 HRC,而開裂試樣的硬度為31~32 HRC,高于未開裂試樣。分別測量了開裂試樣外表面和內(nèi)表面的硬度,由圖5可見,開裂試樣內(nèi)表面硬度均低于30 HRC,而外表面硬度約為32 HRC,高于內(nèi)表面。

圖 4 開裂及未開裂油管試樣的硬度測試結(jié)果

Figure 4. Hardness test results of cracked and uncracked oil pipe specimens

圖 5 開裂試樣內(nèi)外表面硬度測試結(jié)果

Figure 5. Test results of internal and external surface hardness of cracked samples

1.6 腐蝕產(chǎn)物

由圖6和表3可見,裂紋中有大量的腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、C、O元素組成,含有少量的Ca、Ba、S等元素,其中S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.07%,超過基體中的S含量,推測應(yīng)為介質(zhì)中的H2S與鋼鐵反應(yīng)所致。

圖 6 裂紋的微觀形貌及EDS圖譜

Figure 6. Microscopic morphology (a) and EDS spectrum (b) of cracks