近年來， 更深油氣田、 低壓低滲透、 海洋油氣、 非常規(guī)油氣等已成為我國油氣未來開發(fā)的主題， 管材及管螺紋失效事故越來越多， 在頁巖氣開采過程中， 含有鹵化物、 碳氫化合物以及地層微生物等的注入流體會隨著壓力的釋放而返排至地面

， 包括返排液和產(chǎn)出水

。 其中產(chǎn)出水具有液量大、 成分復(fù)雜、 污染物濃度高和礦化度高的特點

。 這一期間井流物中的腐蝕介質(zhì) （CO

、H

S、 溶解氧及微生物） 等， 會導(dǎo)致井下管柱內(nèi)外壁產(chǎn)生局部腐蝕減薄、 穿孔， 甚至失穩(wěn)斷裂

， 因此油管腐蝕失效問題的研究對于井下管柱失效的防護以及生產(chǎn)安全具有重要意義。

1 接箍服役及開裂狀況

2021 年4 月， 西部某油田Y 井因日產(chǎn)氣下降， 在進行上提油管掛時發(fā)現(xiàn)Φ60.32 mm×4.83 mm N80 EU 油管接箍發(fā)生橫向斷裂， 如圖1 所示。本研究通過理化性能分析、 斷口分析、 腐蝕產(chǎn)物分析以及有限元模擬對該斷裂接箍進行了失效分析， 為避免或減少同類型腐蝕失效提出了合理可行的建議。

由2位高年資病理科醫(yī)師進行雙盲閱片。以PBS替代一抗作為陰性對照，用已知陽性切片作為陽性對照。具體評分標(biāo)準如下：(1)根據(jù)染色程度進行評分：無染色為0分，弱染色為1分，中染色為2分，強染色為3分；(2)根據(jù)著色細胞百分率進行評分：<5%為0分，5%～25%為1分，>25%～50%為2分，>50%～75%為3分，>75%為4分。(1)和(2)相加為總積分，總分為0～7分，0分為陰性(-)，1～2分為弱陽性(+)，3～5分為陽性(++)，6～7分為強陽性(+++)[9]。

談起自動變速器油路故障的診斷，維修人員首先想到的往往會是閥體，也就是變速器的液壓控制模塊。很多沒有系統(tǒng)維修體系的小型修理廠遇到換擋問題會試圖通過更換閥體來解決，但是所更換的閥體又常常是二手的，并不能保證閥體的可靠性，因此維修一個變速器常需要更換多次閥體，有時問題依然會存在，且每次的癥狀會不盡相同，這樣就導(dǎo)致其維修時間長，成本高，而維修質(zhì)量又參差不齊了。

西部某油田Y 井井深2 700 m， 2018 年6 月16 日投產(chǎn)， 2019 年8 月15 日下入2 698.72 m全井段N80 鋼級油管。 2020 年11 月出現(xiàn)套壓與油壓相同的情況， 日產(chǎn)下降至1.8 萬m

， 日產(chǎn)水2 m

。 2021 年4 月27 日， 對該井實施壓井作業(yè)后轉(zhuǎn)入敞井觀察， 期間吊罐返排液21.35 m

， 出口無顯示。 連接油管掛， 上提油管掛， 指重表顯示懸重3 t。 4 月30 日起至原井油管第39 根時發(fā)現(xiàn)油管斷裂， 斷裂處為油管接箍本體， 斷裂處有明顯銹蝕痕跡。

2 斷裂接箍理化性能

2.1 宏觀形貌分析

斷裂接箍斷口宏觀形貌如圖2 所示。 由圖1 和圖2 可見斷口區(qū)域沿壁厚深度方向呈現(xiàn)出明顯的腐蝕形貌， 接箍斷面附著較厚的銹黃色的腐蝕產(chǎn)物，清洗后呈黑褐色， 整體沿環(huán)狀腐蝕， 斷裂區(qū)未見明顯的塑性變形， 接箍外壁未見明顯的腐蝕形貌。對樣品進行切割取樣， 觀察發(fā)現(xiàn)靠近內(nèi)螺紋區(qū)域腐蝕深度更大， 并且緊鄰斷口的內(nèi)螺紋區(qū)域齒底發(fā)生了穿孔， 內(nèi)蝕孔尺寸約為0.5～1 mm， 腐蝕是由內(nèi)向外的。 用激光共聚焦顯微鏡對其內(nèi)腐蝕深度進行測量， 如圖3 所示， 其縱向腐蝕深度約為0.7 mm。

2.2 化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

對斷裂接箍的化學(xué)成分進行取樣檢測， 結(jié)果見為232HV， API SPEC 5CT 10th 對N80 鋼級硬度沒有明確規(guī)定， 但對比該鋼級常規(guī)產(chǎn)品硬度值， 與常規(guī)產(chǎn)品硬度值保持一致， 未發(fā)現(xiàn)硬度異常。

2.3 金相及夾雜物分析

從斷裂接箍管體以及斷口取樣， 依據(jù)GB/T 13298—2015

， GB/T 10561—2005

， GB/T 6394—2017

進行組織、 晶粒度、 非金屬夾雜物分析， 顯微組織如圖5 所示。 由此可以得出接箍管體以及斷口附近的顯微組織均為回火索氏體， 晶粒度9.0 級。 斷口附近微觀組織中的非金屬夾雜物為B0.5、 D0.5 級， 未見異常組織分布。

該水質(zhì)液相中硫酸鹽還原菌達30 000 個/mL，遠遠超過SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》 的要求 （≤25 個/mL）。一般認為SRB 在pH 近中性、 溫度為30～35 ℃的環(huán)境下適宜繁殖

。

2.4 微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

其次， SRB 產(chǎn)生的S

與Fe

相互作用， 生成鐵的硫化物， 附著在鐵表面上， 形成陰極， 與Fe 陽極形成濃差電池， 加劇了金屬的腐蝕。

溶液中離子的濃度除影響尿酸鹽溶解度外，對MSU晶體成核的作用也不容忽視。在體外實驗中，隨著尿酸鹽濃度的升高，MSU晶體成核越多；同時，提高溶液中Na+的濃度也可促進MSU晶體成核[7-8]。在生理條件下，K+、Mg2+、Cu2+對MSU晶體成核有較小的抑制作用，而Ca2+對MSU晶體成核沒有影響；當(dāng)Ca2+濃度過高時，形成的往往是尿酸鈣晶體而非MSU晶體[7]。

為進一步對其腐蝕產(chǎn)物進行分析， 刮取腐蝕坑附近的腐蝕產(chǎn)物進行XRD 檢測， 結(jié)果顯示，其腐蝕產(chǎn)物由FeCO

、 FeS

、 Fe

O

組成。 其中FeCO

為CO

腐蝕的典型產(chǎn)物

， 斷口表面的黑色腐蝕產(chǎn)物含有FeS

硫化物， 所以可以確定能譜分析的腐蝕產(chǎn)物中S 元素與H

S 有關(guān)

。

2.5 斷口微觀形貌分析

將斷口試樣在低濃度的酸性試劑（5%草酸+95%無水乙醇） 中清洗30 min。 對其進行掃描電鏡觀察， 如圖8 所示。 斷口試樣表面呈現(xiàn)大量不規(guī)則蜂窩狀， 這種腐蝕形貌與碳鋼在酸性介質(zhì)中溶解后的微觀形貌極為相似

。 接箍外壁斷裂處存在大量的小韌窩， 說明其斷口的斷裂形式非脆性斷裂。在局部區(qū)域有少量縱深發(fā)展的小孔， 這是由于侵蝕離子Cl

所致

。

這與上述XRD 分析的結(jié)果一致， 腐蝕產(chǎn)物中的S 元素主要來源于水質(zhì)液相中SRB 嚴重超標(biāo)的結(jié)果。 因此CO

腐蝕和SRB 腐蝕是產(chǎn)生局部腐蝕坑的主要原因， 又因為在SRB 腐蝕中的協(xié)同作用中， 厭氧型SRB 和典型好氧微生物IOB 會協(xié)同加速工程材料的腐蝕（如圖9 所示）。其次CO

環(huán)境、 近中性pH 值、 適宜的溫度（30～60 ℃）， 都可以使細菌加速腐蝕。 另外， 液相中的Cl

含量為14 380 mg/L， Cl

能夠穿過腐蝕產(chǎn)物間隙， 造成局部嚴重的坑蝕， 因此Cl

對局部腐蝕過程的促進作用不能忽視。

3 失效原因分析

3.1 原始缺陷對接箍斷裂的影響

接箍斷口金相分析和化學(xué)成分分析結(jié)果表明， S、 P 含量符合標(biāo)準要求， 且組織中未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物。 硫化物及磷化物這兩種夾雜物通常被認為是局部區(qū)域孔蝕以及開裂的主要誘因

。由此可見， 由夾雜物引起N80 鋼接箍斷裂的可能性較小。

3.2 環(huán)境介質(zhì)對接箍斷裂的影響

接箍斷裂失效發(fā)生在離接箍端面40～45 mm處， 如圖10 所示。 接箍腐蝕發(fā)生在離接箍端面第8 牙 （36.154 mm） 到第11 牙 （45.679 mm）螺紋位置， 按接箍斷裂處管柱自重計算， 接箍斷裂處應(yīng)力為192 MPa， 僅為N80 屈服應(yīng)力的35%。

式中：假設(shè)6B型燃氣輪機、LM2 500型天然氣內(nèi)燃機和J920型天然氣內(nèi)燃機計劃建設(shè)臺數(shù)分別為x、y和z，x、y、z均為非負整數(shù)；單臺機組造價分別為A、B和C(萬元/臺)；單機容量分別為I、J和K(MW)；島內(nèi)電廠供電能力和“十三五”內(nèi)新增氣電容量之和為L(MW)；遠景最大負荷為P(MW)；島內(nèi)備用容量為R(MW)。

采用掃描電鏡對接箍斷口進行微觀形貌觀察， 結(jié)果如圖6 所示。 斷面環(huán)向一圈被腐蝕， 且有多個圓弧點蝕， 腐蝕坑壁處覆蓋有疏松、 多孔的腐蝕產(chǎn)物 （圖6 （a））， 腐蝕坑底處其微觀腐蝕產(chǎn)物膜不平整且同時存在開裂 （圖6 （b））。對其腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析， 結(jié)果如圖7 所示， 從圖7 中可以看出腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、 O、 S 以及Cl元素組成， 腐蝕坑底以Fe、 S 元素為主。

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針對碳排放，政府要充分利用湖北省碳排放權(quán)交易試點，積極打造中部碳交易市場和碳金融中心，引入更多社會和金融資源，以更低的成本來進行節(jié)能減排。同時，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力淘汰高耗能產(chǎn)業(yè)，加大科技投入和對新能源的研發(fā)工作，提升能效水平，加快能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整，盡量降低化石能源消耗比重、提高低碳能源消費比重，積極推廣可再生能源使用，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)低碳化發(fā)展。

3.3 螺紋結(jié)構(gòu)對接箍斷裂的影響

該井口溫度約為20～30 ℃， 油管底部溫度約為130～140 ℃， 井口壓力約為1.5～30 MPa， 氣量約為 （1.5～30） ×10

m

/d， 水量約為0～20 m

/d。其注水水質(zhì)及組分見表2。

對接箍腐蝕及斷裂位置進行圖紙還原， 如圖11 所示。 接箍失效發(fā)生在和管體配合后距離管體端部1 牙到2 牙處。 管體涂層保護位置（3～4 牙） 沒有發(fā)生腐蝕失效。 圓螺紋上扣靠扭矩控制， 上扣位置會略有差別， 腐蝕位置也會略有差別。

對圓螺紋接箍和管體配合后接頭進行有限元模擬分析， 如圖12 所示。 發(fā)現(xiàn)在上扣后和軸向載荷下， 接箍和管體配合后最大應(yīng)力位置在最后1 牙到2 牙處， 和接箍腐蝕及斷裂失效位置保持一致。

依據(jù)上述分析， 接箍和管體配合后最大應(yīng)力位置在距離管體端部最后1 牙到2 牙處， 斷裂和腐蝕位置也發(fā)生在接箍和管體配合后距離管體端部1 牙到2 牙處。 接頭裝配后， 內(nèi)外螺紋的齒頂和齒底形成螺旋間隙通道， 如圖13 所示。 流體在內(nèi)壓作用下， 管柱內(nèi)腔中腐蝕介質(zhì)液體會通過接箍中間和管體配合后尾扣（非完整扣） 縫隙和缺陷處滲入螺紋齒頂齒底間隙通道。 由螺旋間隙通道、 腐蝕介質(zhì)（CO

腐蝕、 SRB 腐蝕、 Cl

） 形成氧濃度差而造成齒底局部破壞， 形成了縫隙腐蝕。 但由于外螺紋表面有涂層保護， 使接箍內(nèi)螺紋優(yōu)先腐蝕， 在以縫隙腐蝕為主的腐蝕環(huán)境+SRB 腐蝕中的協(xié)同作用+軸向載荷的共同作用下， 最終導(dǎo)致接箍斷裂。

4 結(jié)論及建議

（1） 該N80 EU API 圓螺紋接箍由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計特點， 在長時間服役過程中， 在含有Cl

、 CO

腐蝕、 SRB 細菌等腐蝕介質(zhì)井液以及管柱內(nèi)壓作用下， 通過接箍中間縫隙進入齒頂和齒底的螺紋螺旋形泄露通道， 在以縫隙腐蝕為主的腐蝕環(huán)境+軸向載荷共同作用下， 最終導(dǎo)致接箍斷裂。

（2） 對于注入水質(zhì)進行嚴格的檢測， 同時加入殺菌劑和緩蝕劑， 可降低細菌對于管材的腐蝕速率。

（3） 涂層會影響圓螺紋上扣參數(shù)， 若全管柱采用耐蝕合金材質(zhì)， 會大幅增加油田油氣開采成本， 建議優(yōu)化螺紋結(jié)構(gòu)， 開發(fā)經(jīng)濟型螺紋接頭， 從結(jié)構(gòu)上防止或減輕縫隙腐蝕對圓螺紋油管接頭的影響， 解決接箍腐蝕及斷裂失效問題。

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