超級13Cr馬氏體不銹鋼（以下簡稱超級13Cr鋼）具有良好的耐CO2腐蝕性能和經(jīng)濟性,廣泛應用于各大油田[1]。該鋼還具有較強的抗局部腐蝕性能,這是因為其碳含量較低,且添加了鉬、鎳等合金元素[2]。然而,近年來在極端工況如超深高溫高壓氣井下,關于該鋼的失效事故報道日益增多[3]。哈拉哈塘油田的HA7-9井部分油管及接箍縱向開裂,CO2、H2S共存加之Cl-含量高的腐蝕環(huán)境引發(fā)了硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）[4]；克深2-2-12高壓氣井A環(huán)空腐蝕環(huán)境誘發(fā)部分S13Cr110鋼制油管產(chǎn)生裂紋,導致該油管發(fā)生應力腐蝕開裂（SCC）而泄漏,引發(fā)完井管柱中油管擠毀和脫扣[5]；某井天然氣中的CO2和凝析水等腐蝕介質(zhì)共同作用,引起部分改良型13Cr鋼特殊螺紋接頭油管發(fā)生腐蝕[6]；西部某氣田高溫高壓氣井鉆井液污染磷酸鹽環(huán)空保護液誘發(fā)超級13Cr鋼油管發(fā)生應力腐蝕開裂[7]。類似事故的發(fā)生給油田帶來了巨大的經(jīng)濟損失[8]。
為了提高超級13Cr鋼在超深高溫高壓氣井這種極端苛刻工況下的適用性,趙密鋒等[3]對超級13Cr鋼油管在不同環(huán)境中的使用范圍及相關試驗要求做出了規(guī)定；常澤亮等[9]研究了磷酸鹽完井液中超級13Cr鋼油管的腐蝕程度及SCC敏感性；李瓊瑋等[10]研究了含H2S氣井腐蝕環(huán)境對超級13Cr油套管的承載能力及SSC敏感性的影響；呂祥鴻等[11]探討了超級13Cr鋼油管在主要成分為焦磷酸鉀（K4P2O7）的高pH完井液中的腐蝕機制和開裂機制；呂乃欣等[12]針對超級13Cr鋼在O2/CO2環(huán)境中的斷裂機制與腐蝕機理進行了深入研究。通過不斷探索研究,超級13Cr鋼在含Cl-、CO2、磷酸鹽以及H2S環(huán)境中的適用性、影響因素及作用機制已逐步明晰,但是針對該鋼在甲酸鹽環(huán)境中的腐蝕研究較少。
筆者對超級13Cr鋼油管接箍在西部某油田高溫高壓甲酸鹽環(huán)空保護液中的理化性能進行了分析,探討了該接箍開裂的原因,以期避免類似事故的再次發(fā)生。
1. 接箍服役工況
西部某油田高溫高壓氣井在修井作業(yè)期間,共發(fā)現(xiàn)35根?88.90 mm×7.3 4 mm/9.52 mm TN-110 13Cr TSH563油管接箍沿縱向開裂。該井完鉆井深為7 777 m,采用密度為1.40 g/cm3的有機鹽（甲酸鹽）完井液,油壓為77.70 MPa,日產(chǎn)氣25.42×104 m3,日產(chǎn)液11.31 m3。該井天然氣中CO2質(zhì)量分數(shù)為1.220%~1.901%,不含H2S；地層水pH約5.20,Cl-質(zhì)量濃度為60 300~62 100 mg/L。失效接箍樣品如圖1所示,圖中所示的開裂接箍分別為第322、328及346根油管接箍,取第346根油管接箍作為本研究樣品。
2. 理化檢驗與結(jié)果
2.1 化學成分分析
從開裂接箍上取樣,依據(jù)ASTM A751-20《鋼鐵產(chǎn)品化學分析的標準測試方法 實踐和術語》,使用ARL 4460型直讀光譜儀對其進行化學成分分析,結(jié)果見表1。由表1可知,接箍的化學成分滿足該油田油管訂貨技術協(xié)議對超級13Cr鋼油管接箍（含P元素技術偏離）的要求。
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù)/% | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Nb | V | Ti | Cu | B | Al | |
| 測試值 | 0.022 | 0.2 | 0.16 | 0.015 | <0.005 | 12.35 | 1.95 | 5.74 | <0.000 1 | 0.015 | 0.000 3 | 0.051 | <0.000 1 | 0.036 |
| 訂貨技術協(xié)議要求 | - | - | - | ≤0.020 | ≤0.005 | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
2.2 金相檢驗
從開裂接箍上取樣,依據(jù)ASTM E112-13（2021）《測定平均晶粒度的標準試驗方法》、ASTM E3-11（2017）《金相標本制備標準指南》以及ASTM E45-18a（2023）《鋼中夾雜物含量測定的標準試驗方法》標準,采用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡對試樣的晶粒度、顯微組織和非金屬夾雜物進行分析,由圖2可見,開裂接箍組織為回火馬氏體,晶粒度6.0級,非金屬夾雜物A0.5、B0.5、D0.5~1.0級,未見異常組織分布。
2.3 力學性能檢測
從開裂接箍上取縱向拉伸試樣和縱向沖擊試樣,依據(jù)ASTM A370-20《鋼產(chǎn)品機械性能測試的方法和定義》標準分別進行拉伸性能試驗和夏比沖擊試驗,結(jié)果見表2和表3。從接箍上取橫向硬度試樣,依據(jù)ASTM E18-20《金屬材料洛氏硬度的標準測試方法》標準進行洛氏硬度試驗,結(jié)果見表4。以上試驗結(jié)果表明,開裂接箍的拉伸性能、沖擊性能及硬度均滿足該油田油管的訂貨技術協(xié)議要求。
