石油套管管體刺漏失效分析

潘志勇，宋生印，張樹茂，王建軍，王建東，劉心可，李孝軍

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065；2.川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司，成都610051）

0 引 言

在石油和天然氣開采中，套管主要用來封隔地層，防止井眼坍塌，和油管形成環(huán)空保證鉆探時(shí)泥漿的循環(huán)流動(dòng)。套管在井下工作環(huán)境惡劣，受載情況復(fù)雜（承受拉、壓、彎、扭等載荷以及腐蝕的作用），如果發(fā)生失效，容易導(dǎo)致整口井報(bào)廢甚至大的安全事故。套管的螺紋接頭是薄弱環(huán)節(jié)，井下套管發(fā)生的失效形式主要是螺紋接頭滑脫和斷裂［1-6］，套管管體發(fā)生刺漏失效的案例和研究比較少見。

某井使用φ139.7mm×9.17 mm P110LC 規(guī)格套管，因供貨記錄丟失，故管體是無縫管還是焊管未知，固井試壓時(shí)合格，但工作20d后發(fā)現(xiàn)管柱有漏失現(xiàn)象，套管柱分層試壓結(jié)果顯示水泥返高以下套管無問題，最終檢測(cè)到漏失點(diǎn)位于149.5m 上部套管處。取出套管發(fā)現(xiàn)第13根套管距接箍1.80m處存在刺漏裂口，如圖1所示。由圖2可見，管體刺漏處兩側(cè)有較長(zhǎng)的筆直凹痕，凹痕與刺漏點(diǎn)位于同一直線上。為查找管體刺漏失效原因，預(yù)防此類事故的再次發(fā)生，作者對(duì)該起事故原因進(jìn)行了全面的分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀及微觀形貌

圖1 套管管體刺漏外表面形貌Fig.1 Outer surface morphology of casing pipe near piercing

圖2 套管管體縱向凹痕形貌Fig.2 Longitudinal dint morphology of casing pipe

圖3 刺漏處管體內(nèi)表面形貌Fig.3 Inner surface morphology of casing pipe near piercing

對(duì)套管管體進(jìn)行磁粉和超聲波探傷，除管體刺漏處外，其它地方未發(fā)現(xiàn)裂紋。由圖3可見，管體縱向剖開后，刺漏處內(nèi)表面光滑無異常痕跡，磁粉探傷檢測(cè)到的刺漏處內(nèi)表面裂紋長(zhǎng)59mm，而檢測(cè)到的外表面裂紋長(zhǎng)150 mm，外表面裂紋長(zhǎng)比內(nèi)表面大得多，說明裂紋是由外表面逐步向內(nèi)表面擴(kuò)展直至穿透的。由圖4 可見，斷口整體平整，布滿沖蝕痕跡，表面已腐蝕生銹。

圖4 管體刺漏處斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of casing pipe near piercing

對(duì)管體刺漏處一側(cè)裂紋末端打開后用TESCANVEGAⅡ型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察和成分分析。從圖5可見，裂紋面整體平整，垂直于外表面，局部可見從外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展的臺(tái)階形貌。對(duì)裂紋尖端進(jìn)行能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)物質(zhì)主要元素為鐵、氧、碳等。

圖5 裂紋末端的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of the end of crack

1.2 化學(xué)成分

在套管管體上取樣用ARL 4460型直讀光譜儀和LECO CS-444型紅外碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見表1，可見套管管體化學(xué)成分符合API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 力學(xué)性能

在套管管體上截取標(biāo)距寬為25.4 mm，長(zhǎng)為50mm的板狀縱向拉伸試樣，在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為MTS810.23M 250kN。在套管管體上截取7.5mm×10mm×55mm 的夏比V 型缺口橫向沖擊試樣，在0℃進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表2，管體抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和夏比吸收能均符合API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 套管管體化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of the casing pipe（mass） %

表2 管體抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及沖擊吸收能Tab.2 Tensile strength，yield strength and Charpyimpact absorbed energy of the casing pipe

1.4 顯微組織

在套管管體和外表面凹痕附近分別取樣，經(jīng)體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后用MEF4M 型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察和分析。從圖6可見，管體心部組織為回火索氏體，組織晶粒度為9.5級(jí)，非金屬夾雜物為A0.5、B0.5、D0.5、D0.5e。從圖7可見，管體凹痕處有一向管內(nèi)壁延伸的裂紋，裂紋周圍組織存在輕微脫碳，而試樣外表面遠(yuǎn)離裂紋處未見脫碳；裂紋周圍組織可見輕微變形，折角處顯示裂紋一側(cè)組織擠向另一側(cè)。

圖6 管體心部顯微組織Fig.6 Microstructure of the center part of casing pipe wall

圖7 凹痕處裂紋形貌Fig.7 Morphology of the crack in dint

1.5 抗內(nèi)壓性能

對(duì)帶凹痕套管管體進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)和水壓爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)在水壓爆破試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為室溫，靜水壓試驗(yàn)方法參考ISO13679標(biāo)準(zhǔn)，加壓介質(zhì)是水，加壓速率小于34 MPa·min-1，靜水壓試驗(yàn)壓力參考API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。試樣在69.0MPa的標(biāo)準(zhǔn)靜水壓試驗(yàn)壓力條件下保壓10 min，未發(fā)生泄漏，繼續(xù)加壓至148 MPa時(shí)管體發(fā)生爆破，爆破失效壓力遠(yuǎn)大于ISO／TR 10400標(biāo)準(zhǔn)要求的87.1 MPa，爆破點(diǎn)未發(fā)生在管體凹痕上，爆破形貌見圖8。

圖8 管體爆破開裂形貌Fig.8 Morphology of casing pipe after blasting and cracking

2 綜合分析

2.1 套管類型分析

選取刺漏套管管體不同3處橫截面并計(jì)算各截面壁厚不均度，另外選取其它5廠家生產(chǎn)的與失效套管同規(guī)格的無縫套管和HFW（高頻焊）套管進(jìn)行壁厚不均度檢測(cè)，對(duì)比不同套管的壁厚不均度。由結(jié)果可見，刺漏套管的壁厚不均度與無縫套管的檢測(cè)結(jié)果相符，且顯微組織分析顯示刺漏套管凹痕附近未有焊縫組織，故推斷刺漏失效套管管體為無縫管。

2.2 強(qiáng)度校核

φ139.7×9.17 mm P110LC 規(guī)格套管柱長(zhǎng)為3 348m，管柱單位長(zhǎng)度質(zhì)量為29.76kg·m-1，管柱橫截面積S＝3 760mm2，假定管柱無裂紋缺陷且無彎曲，則計(jì)算出井口處管體內(nèi)表面的軸向應(yīng)力σ1為260 MPa；套管柱最大試驗(yàn)壓力為20 MPa，管體中徑D＝130.53mm，管體壁厚t＝9.17mm，則井口處管體內(nèi)表面的環(huán)向應(yīng)力σ2和徑向應(yīng)力σ3分別為142 MPa和-20 MPa。

假定管柱外表面不承受壓力，則管柱受力最大點(diǎn)在井口處管體內(nèi)表面，此處三軸應(yīng)力σ即在套管無裂紋缺陷的情況下最危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力遠(yuǎn)小于套管規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度，又由于套管管體內(nèi)外表面未見明顯腐蝕痕跡，推斷管體是在存在裂紋缺陷的情況下在使用過程中發(fā)生刺漏失效的。

2.3 刺漏原因分析

刺漏失效套管管體組織為回火索氏體，管體刺漏處兩側(cè)裂紋周圍存在脫碳組織，離刺漏處縱向較遠(yuǎn)的地方無脫碳組織，凹痕處均存在不同深度的裂紋，顯微組織分析顯示凹痕折角處裂紋一側(cè)組織擠向另一側(cè)，說明裂紋為早就存在的折疊裂紋。在淬火過程中，當(dāng)淬火產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度并超過塑性變形極限時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，特別對(duì)于高強(qiáng)度鋼。由于在工件尖角、截面等突變處應(yīng)力集中較大，裂紋容易在此產(chǎn)生。脫碳組織越嚴(yán)重的地方應(yīng)力集中也越嚴(yán)重，裂紋也更容易產(chǎn)生和擴(kuò)展。所以脫碳組織嚴(yán)重的折角處折疊裂紋容易向縱深擴(kuò)展。

經(jīng)檢測(cè)，套管管體材料理化性能符合API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求，管體刺漏處未發(fā)生脹大塑性變形。金相分析顯示折疊折角處均存在不同程度的裂紋，而且管體刺漏處兩側(cè)發(fā)現(xiàn)的沿管體長(zhǎng)度方向的折疊與刺漏裂紋位于同一直線上。另外管體內(nèi)外表面未見明顯腐蝕痕跡，所以管體刺漏失效是在折疊處裂紋貫穿整個(gè)壁厚導(dǎo)致的。對(duì)帶凹痕套管管體水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果顯示爆破開裂未發(fā)生在管體凹痕處，管體刺漏處未發(fā)生塑性變形說明現(xiàn)場(chǎng)不存在超高工作壓力，由于套管柱被固定在井下基本不動(dòng)，套管柱從試壓合格到發(fā)生刺漏僅20d，所以在較小的壓力下，折疊處裂紋發(fā)生了擴(kuò)展并貫穿套管壁厚。

根據(jù)前面的分析，套管管體類型為無縫管，且管體的縱向刺漏是在低內(nèi)壓和短時(shí)間的情況下發(fā)生的，綜合分析推斷在下井使用前管體刺漏部位折疊折角處就已經(jīng)存在較深的裂紋，剩余壁厚在低的內(nèi)壓作用下擴(kuò)展穿透并導(dǎo)致了最終的刺漏失效，其中管體開裂的裂紋源為折疊處裂紋缺陷，管體開裂屬局部過載開裂。

3 結(jié)論及建議

（1）刺漏失效套管無縫管管體的開裂性質(zhì)為過載開裂。

（2）套管管體外表面的凹痕是折疊缺陷，它是發(fā)生刺漏失效的根本原因，折疊處已存在一定深度的裂紋缺陷，使管體在一定的壓力下發(fā)生過載開裂。

（3）建議套管廠家及油田加強(qiáng)產(chǎn)品外觀檢測(cè)及無損探傷，防止含缺陷產(chǎn)品進(jìn)入油田現(xiàn)場(chǎng)。

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