摘要：連續(xù)油管井下作業(yè)優(yōu)點(diǎn)突出，但在酸性環(huán)境使用過(guò)程中其使用壽命顯著下降。為此，根據(jù)連續(xù)油管的失效統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)研究進(jìn)展，介紹了連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的腐蝕問(wèn)題和防護(hù)措施：硫化物應(yīng)力開(kāi)裂和氫致開(kāi)裂造成的損傷不可消除，存在累積效應(yīng)；在酸性環(huán)境下，經(jīng)過(guò)周期性的彎曲塑性變形和濕H₂S腐蝕介質(zhì)的共同作用，導(dǎo)致連續(xù)油管性能退化，其使用壽命明顯降低；較之非酸性環(huán)境還新增一種失效形式——H₂S引起的脆性開(kāi)裂；采用添加合適的緩蝕劑和脫硫劑，可以提高碳鋼連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的使用壽命。此外，鎳基合金(625)連續(xù)油管在酸性環(huán)境下具有良好的耐蝕性能。該研究成果對(duì)川渝地區(qū)在酸性氣田井下作業(yè)應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：連續(xù)油管；失效；腐蝕；硫化物應(yīng)力開(kāi)裂；硫化氫；脆性開(kāi)裂；緩蝕劑；脫硫劑

    國(guó)外連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)60年代初，初期主要是用于油氣井的沖砂洗井作業(yè)，目前，連續(xù)油管已經(jīng)在鉆井、完井、防砂、試油、采油、修井、測(cè)井等井下作業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用^[1～2]。隨著連續(xù)油管技術(shù)的不斷發(fā)展，連續(xù)油管已經(jīng)逐漸在酸性氣田得到應(yīng)用，在加拿大等國(guó)外地區(qū)，連續(xù)油管在酸性環(huán)境下使用已經(jīng)有超過(guò)20a的成功經(jīng)驗(yàn)^[1]。Stanley、Van Adrichem、Crabtree等人^[1～8]對(duì)連續(xù)油管的失效原因進(jìn)行了詳細(xì)分析統(tǒng)計(jì)，不同的研究人員對(duì)腐蝕原因有不同的歸類(lèi)。盡管這些統(tǒng)計(jì)列舉出的失效原因不完全相同，其所占的比例也不完全一致，但這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示了一個(gè)共同特點(diǎn)：腐蝕是連續(xù)油管失效的主要原因之一。隨著國(guó)產(chǎn)連續(xù)油管的成功開(kāi)發(fā)，我國(guó)的連續(xù)油管井下作業(yè)將迎來(lái)巨大的發(fā)展。然而，在川渝地區(qū)，大部分天然氣井都含有H₂S，屬于酸性環(huán)境。因此，本文擬通過(guò)對(duì)國(guó)外連續(xù)油管在酸性環(huán)境使用時(shí)出現(xiàn)的腐蝕問(wèn)題及其防護(hù)措施進(jìn)行介紹，以期為連續(xù)油管在酸性氣田井下作業(yè)應(yīng)用提供一些幫助和參考。

   在加拿大等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，連續(xù)油管的使用較為廣泛，積累了較為豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。一些科研學(xué)者對(duì)過(guò)去幾十年連續(xù)油管的使用情況進(jìn)行了大量的調(diào)研統(tǒng)計(jì)，Stanley、Van Adrichem、Crabtree等人^[1～10]對(duì)連續(xù)油管的失效原因進(jìn)行了詳細(xì)分析統(tǒng)計(jì)，主要包括：①制造缺陷；②機(jī)械損傷；③誤操作；④過(guò)載；⑤撕裂；⑥腐蝕；⑦疲勞。其中，腐蝕又包含硫化物應(yīng)力開(kāi)裂(SSC)、點(diǎn)蝕、沖刷腐蝕等多種腐蝕行為。1998年，Stanley等人^[7]對(duì)國(guó)外連續(xù)油管失效事故的原因分析統(tǒng)計(jì)認(rèn)為大約51%的失效與腐蝕相關(guān)。1995—2001年期間，Van Adrichem等人^[3～8]對(duì)126N井的連續(xù)油管的失效分析進(jìn)行了逐年統(tǒng)計(jì)，失效原因主要按過(guò)載、機(jī)械損傷、疲勞、點(diǎn)蝕、均勻腐蝕、制造、未知原因、其他原因這8個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每一年各種失效原因所占的比例不盡相同，在這6a的時(shí)間內(nèi)，35%～50%的連續(xù)油管失效與腐蝕有關(guān)。Crabtree等人^[1～2]對(duì)1997—2007年間的連續(xù)油管失效分析統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：33%的失效由于腐蝕引起，8%的失效與H₂S環(huán)境下的開(kāi)裂有關(guān)，2%的失效與沖蝕有關(guān)，15%的失效與制造缺陷有關(guān)，29%的失效由于機(jī)械損傷引起，9%的失效由于誤操作導(dǎo)致，焊接原因引起的失效占2%，疲勞和過(guò)載引起的失效各占1%。此外，根據(jù)Larsen等人^[6]的調(diào)查顯示：如果氣田中產(chǎn)砂，還會(huì)導(dǎo)致連續(xù)油管內(nèi)壁磨損，從而導(dǎo)致爆管。根據(jù)以上失效分析統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)，連續(xù)油管的腐蝕是連續(xù)油管失效的主要因素之一，隨著連續(xù)油管向H₂S環(huán)境的推廣，出現(xiàn)了H₂S導(dǎo)致的開(kāi)裂。

    Crabtree等人^[2，10]的調(diào)查顯示：連續(xù)油管的管徑越大，發(fā)生失效的事故率越高。大部分連續(xù)油管的實(shí)際使用壽命都低于75%的疲勞壽命，近70%的連續(xù)油

管的實(shí)際使用壽命不足50%的疲勞壽命，酸性環(huán)境下，實(shí)際使用壽命更低。

    在非酸性環(huán)境下，連續(xù)油管的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，酸化液和儲(chǔ)層液是影響電化學(xué)腐蝕的主要因素。在酸性環(huán)境下，連續(xù)油管也存在電化學(xué)腐蝕，其電化學(xué)腐蝕與非酸性環(huán)境類(lèi)似，此外，腐蝕失效原因還增加了H₂S引起的開(kāi)裂。

    連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的腐蝕更為復(fù)雜，除了電化學(xué)腐蝕外，還包括H₂S導(dǎo)致的開(kāi)裂。在酸性環(huán)境下，H₂S與油管材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫原子，H₂S能“毒化”金屬表面，促進(jìn)氫原子滲透進(jìn)入管體，形成H₂S損傷(HE、SSC、HIC等)，導(dǎo)致材料性能下降。連續(xù)油管繞導(dǎo)向拱和卷軸進(jìn)行起下井時(shí)會(huì)遭受彎曲和變直變化，由于導(dǎo)向拱和卷軸的半徑均小于連續(xù)油管的最小彎曲半徑，因此起下井遭受的彎曲變形會(huì)導(dǎo)致塑性應(yīng)變。連續(xù)油管在周期性的塑性應(yīng)變與H₂S“毒化”的協(xié)同作用下，材料性能退化，塑性降低，其脆性開(kāi)裂更為嚴(yán)重。隨著連續(xù)油管向H₂S環(huán)境下的推廣應(yīng)用，連續(xù)油管已經(jīng)遭受H₂S引起的脆性開(kāi)裂，下面列舉2個(gè)H₂S環(huán)境下連續(xù)油管失效的典型案例。

    案例1：1.5”(38.1mm)的90鋼級(jí)連續(xù)油管，在一次氮?dú)鈿馀e作業(yè)的回取過(guò)程中發(fā)生了失效，在進(jìn)行本次氣舉作業(yè)之前，還進(jìn)行了10次作業(yè)，其中8次是酸化作業(yè)，有5次作業(yè)是在含H₂S井下進(jìn)行的。在最后一次氣舉作業(yè)時(shí)，該井并不含H₂S，但在倒數(shù)第二次作業(yè)是含H₂S的酸化作業(yè)，在進(jìn)行這次作業(yè)前并不知道該井含H₂S，因此未加注SSC緩蝕劑進(jìn)行保護(hù)。H₂S分壓為0.04MPa，該井的井流物的pH值未知，但是考慮到酸化時(shí)的低pH值特點(diǎn)，認(rèn)為連續(xù)油管使用的環(huán)境分區(qū)應(yīng)該是處于SSC區(qū)域內(nèi)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的失效分析，該連續(xù)油管的失效主要是因?yàn)镾SC導(dǎo)致的，其斷口宏觀照片見(jiàn)圖1。

 

 

 

案例2：1.5″(38.1mm)的80鋼級(jí)連續(xù)油管在川渝氣田某井進(jìn)行排液作業(yè)，在連續(xù)油管回取過(guò)程中，連續(xù)油管發(fā)生了開(kāi)裂。該井為含硫井，作業(yè)過(guò)程中未加注SSC緩蝕劑。該卷連續(xù)油管之前還在含H₂S氣井中進(jìn)行過(guò)4次氣舉排液作業(yè)。連續(xù)油管的回起過(guò)程中發(fā)生了開(kāi)裂，該連續(xù)油管電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重，斷口具有脆性特征，其斷口見(jiàn)圖2。

 

    連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的失效分析統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，與非酸性氣環(huán)境下連續(xù)油管的腐蝕失效特征相比，H₂S環(huán)境存在一種特有的失效形式——H₂S導(dǎo)致的脆性開(kāi)裂。以上案例表明：H₂S導(dǎo)致的材料脆化存在累積效應(yīng)，當(dāng)這種脆化效應(yīng)累積到一定程度，就會(huì)導(dǎo)致連續(xù)油管的脆性開(kāi)裂，特別是在連續(xù)油管發(fā)生塑性變形的情況下，更易發(fā)生脆性開(kāi)裂。H₂S脆性開(kāi)裂可能產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，一是在井下作業(yè)過(guò)程中發(fā)生脆性開(kāi)裂，甚至使連續(xù)油管掉入井內(nèi)，造成經(jīng)濟(jì)損失；二是地面開(kāi)裂導(dǎo)致H₂S泄漏，危及地面工作人員的人身安全。

    連續(xù)油管的腐蝕形式多種多樣，腐蝕問(wèn)題比靜態(tài)油管串的腐蝕更為復(fù)雜。井下作業(yè)用連續(xù)油管和井下靜態(tài)管柱相比，其受力特點(diǎn)存在顯著差異。連續(xù)油管在起下井過(guò)程中需要經(jīng)歷6次彎曲，由于導(dǎo)向拱和卷軸的半徑小于連續(xù)油管極限曲率半徑，因此，連續(xù)油管每個(gè)作業(yè)周期內(nèi)均會(huì)遭受6次彎曲塑性變形。趙廣慧等^[11]詳細(xì)分析了連續(xù)油管向滾筒上纏繞過(guò)程的力學(xué)行為，連續(xù)油管在繞滾筒進(jìn)行彈塑性拉彎大變形過(guò)程中，滾筒上連續(xù)油管截面的彈性層高度較小，近似計(jì)算中可以將截面應(yīng)力分布近似為塑性極限應(yīng)力分布。此外，連續(xù)油管被反復(fù)彎曲，還存在一個(gè)疲勞問(wèn)題，因此，作為井下作業(yè)用連續(xù)油管還存在一，個(gè)獨(dú)特的腐蝕形式——腐蝕疲勞。腐蝕疲勞是腐蝕與機(jī)械動(dòng)力學(xué)綜合作用的結(jié)果，它對(duì)材料使用性能的影響遠(yuǎn)大于單一腐蝕或單一疲勞。

    連續(xù)油管在非酸性環(huán)境的推廣應(yīng)用已經(jīng)獲得成功，加拿大等歐美國(guó)家逐漸將連續(xù)油管的應(yīng)用范圍延伸至酸性環(huán)境。但是，在酸性環(huán)境中，連續(xù)油管腐蝕引起的脆性開(kāi)裂導(dǎo)致油管經(jīng)常過(guò)早失效。鑒于酸性環(huán)境下腐蝕是一個(gè)急需解決的問(wèn)題，加拿大專(zhuān)門(mén)成立了一個(gè)JIP項(xiàng)目，對(duì)欠平衡鉆井用連續(xù)油管開(kāi)展試驗(yàn)研究，分別由加拿大殼牌公司(Shell Canada)和BJ服務(wù)公司(BJ Services)負(fù)責(zé)，其研究成果將被用于加拿大酸性井鉆井的工業(yè)推薦實(shí)施細(xì)則(IRP)。

    國(guó)外已大量開(kāi)展連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)方法也從原有的雙懸臂梁(DCB)、慢應(yīng)變拉伸(SSRT)、應(yīng)力環(huán)法(NACE Proof-Ring)、彎梁法(BB)發(fā)展到如今采用的低周腐蝕疲勞試驗(yàn)方法(LCCF)。Luft和Smuga-Otto等^[5,12]采用慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)方法^[5,10]，對(duì)80鋼級(jí)和70鋼級(jí)的低合金鋼連續(xù)油管進(jìn)行了SSC敏感性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在彈性變形階段，空氣環(huán)境和H₂S環(huán)境下的拉伸曲線(xiàn)基本一致，但是，在塑性變形階段，空氣環(huán)境和H₂S環(huán)境下的拉伸曲線(xiàn)存在顯著差異，H₂S環(huán)境下的最大塑性變形量遠(yuǎn)小于空氣環(huán)境下的最大塑性變形量。Luft等^[12]對(duì)625合金連續(xù)油管開(kāi)展的慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果則顯示：625合金連續(xù)油管在H₂S環(huán)境下仍具有良好的延展性。隨后，McCoy等^[13～14]采用慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)方法，對(duì)QT-900和QT-1000在0.1MPa的H₂S環(huán)境下的SSC試驗(yàn)進(jìn)行了研究。其結(jié)果顯示：QT-900和QT-1000在0.1MPa的H₂S環(huán)境下對(duì)SSC十分敏感，但是，當(dāng)試驗(yàn)溶液中加入0.2%的CG型緩蝕劑，QT-900和QT-1000具有較好的抗SSC性能。此外，Luft等^[12]對(duì)80鋼級(jí)的低合金鋼連續(xù)油管在酸性環(huán)境下低周腐蝕疲勞開(kāi)展了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示：試驗(yàn)溶液中加入合適的緩蝕劑時(shí)，連續(xù)油管的疲勞壽命約為空氣環(huán)境中的2/3、無(wú)緩蝕劑條件下的4倍。

    盡管連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的試驗(yàn)方法已經(jīng)獲得較大的發(fā)展，但是，連續(xù)油管實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)至今還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的方法，評(píng)價(jià)方法需要用戶(hù)和制造廠協(xié)調(diào)確定。此外，雖然國(guó)外對(duì)連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的失效進(jìn)行了長(zhǎng)期的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，并開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是至今仍未能建立起一套完整的酸性環(huán)境下連續(xù)油管性能限制要求。

    Nasr-Ei-Din等^[4]對(duì)如何避免連續(xù)油管在酸性環(huán)境下應(yīng)用時(shí)失效的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分析總結(jié)，并對(duì)酸性環(huán)境下連續(xù)油管鉆井提出了如下推薦意見(jiàn)：

    1) 酸性環(huán)境用連續(xù)油管訂貨應(yīng)遵循以下額外的要求：最大抗拉強(qiáng)度80kpsi(1psi=6.895kPa，下同)，最大屈服強(qiáng)度75kpsi，最小屈服強(qiáng)度70kpsi，最小延長(zhǎng)率25%(整管試驗(yàn))，最大局部硬度20HRc；有害元素含量控制：S≤0.002%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，P≤0.025%，C＜0.6%；疲勞壽命數(shù)據(jù)：制造商對(duì)每卷連續(xù)油管在非酸性條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試樣取自連續(xù)油管末端，并向購(gòu)方提供試樣和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

    2) 對(duì)連續(xù)油管的應(yīng)用歷史情況進(jìn)行分析，特別是之前在酸性氣井服役的情況。

    3) 可以應(yīng)用70kpsi和80kpsi的連續(xù)油管，其中優(yōu)先選用70kpsi，并加注H₂S緩蝕劑。

    4) 連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的工作疲勞壽命最多用到非酸性環(huán)境下疲勞壽命的一半。

    5) 腐蝕試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)盡可能接近真實(shí)的井下工況。

    6) 添加除硫劑。

    7) 通過(guò)協(xié)商，采用慢拉伸檢驗(yàn)連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的延展性。

    8) 詳細(xì)保存所有油管卷的原始數(shù)據(jù)和使用記錄。

    9) 作業(yè)期間，應(yīng)采集并分析所有泵注流體和回收流體。

    10) 使用無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)機(jī)械損傷、點(diǎn)蝕、橢圓度、壁厚損失和開(kāi)裂。如果能檢測(cè)到局部穿透的裂紋和局部壁厚損失，對(duì)后期的工作很有價(jià)值。

    目前，連續(xù)油管在國(guó)內(nèi)主要用于酸化處理、氣舉排水等井下作業(yè)，作業(yè)形式與鉆井存在差異。鉆井承載動(dòng)載荷，受力更復(fù)雜；但是，連續(xù)油管進(jìn)行酸化和氣舉排水時(shí)，其油管外壁接觸濕H₂S的時(shí)間更長(zhǎng)，腐蝕將更為嚴(yán)重。筆者認(rèn)為在川渝地區(qū)酸性氣井采用連續(xù)油管進(jìn)行井下作業(yè)時(shí)，Nasr-Ei-Din等人的推薦意見(jiàn)仍具有很好的參考價(jià)值。

[1] CRABTREE A R，GAVIN W.Coiled tubing in sour environments-theory and practice[C]∥paper 89614 presented at the SPE/ICoTA Coiled Tubing Conference and Exhibition，23-24 March 2004，Houston，Texas，USA.New York：SPE，2004.

[2] CRABTREE A R.CT Failure monitorin9：a decade of experience[C]∥paper 113676 presented at the SPE/IcoTA coiled tubing and well intervention conference and exhibition，12 April 2008，The Woodlands，Texas，USA.New York：SPE，2008.

[3] VAN ADRICHEM W P.Coiled tubing failure statistics used to develop tubing performance indicators[C]∥paper 54478 presented at the SPE/ICoTA Coiled Tubing Roundtable，25-26 May 1999，Houston，Texas，USA.New York：SPE，1999.

[4] NASR EI DIN H A.Workovers in sour environments：how do we avoid coiled tubing failures[C]∥paper 87622 presented at the 1st International Symposium Oilfield Corrosion，28 May 2004，Aberdeen，United Kingdom.New York：SPE，2004.

[5] SMUGA-OTT0 1wONA，NOWINKA J，GRAHAM W，et al.Coiled tubing performance evaluation for sour service under variable loading conditions[C]∥paper 01080 presented at the NACE Corrosion 2001，11-16 March 2001，Houston，Texas，USA.Houston：NACE，2001.

[6] LARSEN H A，REICHERT B A.Coiled tubing abrasionan experimental study of field failures[C]∥paper 81724 presented at the SPE/ICoTA Coiled Tubing Conference，8-9 April 2003，USA.New York：SPE，2003.

[7] STANLEY R K.An analysis of failure in coiled tubing[C].paper 39352 presented at the IADC/SPE Drilling Conference，Dallas，TX，3-6 March 1998，Dallas，Texas，USA.New York：IADC/SPE，1998.

[8] VAN ADRICHEM W P，LARSEN H A.Coiled-tubing failure statistics used to develop CT、performance indicators[J].SPE Drilling & Completion，2002，17(3)：159-163.

[9] HAMPSON R，MOIR C，F(xiàn)REENEY T.Working with coiled tubing in H₂S and C0₂ wells：a global perspective[C]∥paper 121294 presented at the SPE/ICoTA Coiled Tubing and Well Intervention Conference and Exhibition.31March-1 April 2009，The Woodlands，Texas，USA.New York：SPE，2009.

[10] CRABTREE A R，SKRZYPEK H.Investigation of coiled tubing failures over 2 years and corrosion prevention methods[C]∥paper 46024 presented at the SPE/IcoTA Coiled Tubing Roundtable，15-16 April 1998.Houston.Texas，USA.New York：SPE，1998.

[11] 趙廣慧，梁政.連續(xù)油管的力學(xué)行為研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(3)：115-117.

[12] LUFT H B.The low cycle fatigue and plastic strain response of coiled tubing in a sour environment without corrosion inhibitor protection[C]∥paper 81723 presented at the SPE/ICoTA Coiled Tubing Conference，8-9 April 2003，Houston，Texas，USA.New York：SPE，2003.

[13] MCCOY T.SSC resistance of QT 900 coiled tubing[C]∥paper 93786 presented at the SPE/ICoTA Coiled Tubing Conference and Exhibition，12-13 April 2005，The Woodlands，Texas，USA.New York：SPE，2005.

[14] MCCOY T，THOMAS J.SSC resistance of QT-900 and QT-1000 coiled tubing[C]∥paper 99557 presented at the SPE/ICoTA Coiled Tubing and Well Intervention Conference and Exhibition，4-5 April 2006，The Woodlands，Texas，USA.New York：SPE，2006.