油套管的缺陷失效分析

李 超，蘇金洋，王愛(ài)兵，石運(yùn)超

渤海裝備第一機(jī)械廠油井管公司，河北滄州 062658

由于過(guò)去對(duì)表層資源的過(guò)度開(kāi)采，致使表層資源的嚴(yán)重枯竭，隨著社會(huì)的進(jìn)步和和科技的深度發(fā)展，越來(lái)越多的能源消耗品進(jìn)入廣大老百姓的家庭，致使能源的需求越來(lái)越大，因此能源的開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向了深層次的開(kāi)發(fā)，隨著深井、超深井的開(kāi)發(fā)，油套管的安全性就成了一個(gè)非常突出的問(wèn)題。油田對(duì)油套管技術(shù)的需求也日益增加，對(duì)油套管的安全性也有了更高的要求，新的鉆井工藝和新的套管技術(shù)及強(qiáng)化鉆井安全措施已得到廣泛應(yīng)用，大力地推進(jìn)了鉆井油井管技術(shù)科技的快速發(fā)展。隨之各油田在完井過(guò)程中油套管因缺陷造成的事故也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。尤其是西北油田和一些復(fù)雜地層深井和超深井的勘探開(kāi)發(fā)完井過(guò)程中油套管因缺陷失效事故的發(fā)生，給油田建設(shè)和勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也影響到對(duì)深層次石油資源高效、經(jīng)濟(jì)的勘探與開(kāi)發(fā)。

美國(guó)《金屬手冊(cè)》認(rèn)為，機(jī)械產(chǎn)品的零件或部件處于下列3種狀態(tài)之一時(shí)定義為失效：1）當(dāng)它不能完全工作時(shí)；2）仍然可以工作，但已不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能時(shí)；3）受到嚴(yán)重?fù)p傷不能可靠而安全地繼續(xù)使用，必須立即從產(chǎn)品或裝備上拆下來(lái)進(jìn)行修理或更換時(shí)。通過(guò)對(duì)構(gòu)件或零件的失效殘樣形貌、成分、性能和受力情況等進(jìn)行綜合分析，有時(shí)需要做再現(xiàn)性試驗(yàn)，最終推斷出失效原因。尋找失效原因，不斷降低產(chǎn)品或裝備的失效率，提高可靠性，防止重大失效事故發(fā)生是失效分析的任務(wù)

油套管缺陷失效一般呈現(xiàn)為管體斷裂和爆裂，接箍和管體螺紋處因加工缺陷失效等。一般是由以下一些因素引起的：管材制造過(guò)程中的缺陷及油套管加工制造工程中的偏差缺陷，完井下油套管的基本力學(xué)工況，油套管的組合及鉆井工藝，井徑規(guī)則性，偏卡，螺紋密封性，鉆井液，套管扶正器結(jié)構(gòu)和材料，井內(nèi)腐蝕介質(zhì)等，以上因素交互作用的結(jié)果導(dǎo)致油套管失效。

1 管體制造與螺紋缺陷

管體制造原材料連鑄坯氣孔的形成，一般在表面或表層下，呈現(xiàn)針狀、柱狀或圓球狀。一般針狀、柱狀氣孔的產(chǎn)生原因；保護(hù)渣潮濕、天氣潮濕情況下二次吸氣、二冷區(qū)蒸汽逸流進(jìn)入結(jié)晶器。球狀氣孔產(chǎn)生的原因；保護(hù)渣潮濕、保護(hù)渣鋪展性不良，卷入鋼液內(nèi)、保護(hù)渣堿度高、二次吸氣。這些微小的原材料管體制造過(guò)程的缺陷都會(huì)給油套管生產(chǎn)留下巨大的失效隱患；油套管螺紋加工過(guò)程中由于加工設(shè)備的精密度誤差、檢測(cè)設(shè)備的誤差、管體與接箍料材質(zhì)的誤差、及螺紋緊密距等的誤差，都會(huì)給油套管的連接造成連接強(qiáng)度的缺陷。

2 油套管的基本力學(xué)工況

油套管在完井過(guò)程中通常要承受拉力、扭矩、彎、液力等負(fù)荷。如果油套管所受拉力大于其鋼級(jí)和規(guī)格型號(hào)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂，套管的屈服強(qiáng)度和承受彎曲、抗拉強(qiáng)度和拉伸應(yīng)力組成的復(fù)合應(yīng)力很大，特別是在大位移定向井及水平井中抗拉強(qiáng)度極大，當(dāng)油套管受到大于其自身的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)管體斷裂或管體連接部位脫扣斷裂。

3 油套管組合及鉆井工藝

油套管作為一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的彈性桿件，有其自有振動(dòng)頻率，油套管長(zhǎng)度的組合和扶正器的配比位置決定了此自有震動(dòng)頻率。油套管在下井作業(yè)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生縱向和扭轉(zhuǎn)2種形式的振動(dòng)，當(dāng)他們的頻率與固有頻率相吻合時(shí)則產(chǎn)生共振。共振的結(jié)果會(huì)使油套管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的基礎(chǔ)上又增加了一個(gè)疲勞應(yīng)力，加速油套管缺陷的失效。采用高質(zhì)量的石油專用管材、是對(duì)石油鉆井完井工藝的完善及保證，以減少因油套管缺陷所造成的損失。

4 井徑不規(guī)則影響

井徑不規(guī)則或擴(kuò)井嚴(yán)重的井段，油套管下井過(guò)程中的彎曲程度隨之相應(yīng)增大，油套管連接螺紋部位受交變彎曲應(yīng)力加速油套管螺紋疲勞失效，同時(shí)螺紋連接受力復(fù)雜化，加劇了螺紋疲勞損壞。

5 偏卡

油套管在井下的情況非常復(fù)雜，由于井下地質(zhì)情況的復(fù)雜，油套管下井過(guò)程的泥漿循環(huán)的停止，造成井下松散地層的坍塌都會(huì)造成油套管的偏卡、造成油套管抗拉強(qiáng)度的失效。

6 螺紋密封脂

螺紋脂的涂抹方法不當(dāng)，如用柴油清洗油套管絲扣、螺紋密封脂保管不當(dāng)混入水、鉆井液、雜質(zhì)或加機(jī)油稀釋使螺紋密封脂附著困難、螺紋密封脂涂抹量少或涂抹不到位等，造成油套管螺紋連接時(shí)不能進(jìn)行有效的密封和潤(rùn)滑而發(fā)生粘扣。

7 鉆井液

目前，使用的鉆井液體系中的化學(xué)物質(zhì)，如鹽水鉆井液、酸性鉆井液、火堿、重晶石粉等加重材料系等會(huì)造成油套管桿的腐蝕。

8 套管扶正器結(jié)構(gòu)和材料

目前使用的扶正器大多是螺旋扶正器，其螺旋扶正棱的邊線與扶正器本體的軸線成30°～45°夾角。如果扶正器的結(jié)構(gòu)在搬運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)磕碰，軸線夾角發(fā)生變化都會(huì)給油套管自身的缺陷增加失效應(yīng)力。

9 腐蝕介質(zhì)

由于鉆井液循環(huán)系統(tǒng)不是密封的，大氣中氧氣會(huì)通過(guò)泥漿池、泥漿泵等設(shè)備在鉆井液的循環(huán)過(guò)程中混入鉆井液成為游離氧，當(dāng)泥漿中含有一定量的溶解氧時(shí)，就會(huì)對(duì)油套管表面造成腐蝕，來(lái)源于地層或由于泥漿中一些含硫有機(jī)添加劑高溫分解和泥漿中硫酸鹽還原菌的新陳代謝產(chǎn)生的H2S 還會(huì)導(dǎo)致油套管的氫致應(yīng)力腐蝕斷裂。由H2S 腐蝕產(chǎn)生的硫化鐵與鋼鐵形成腐蝕電偶，導(dǎo)致油套管表面產(chǎn)生很深的潰瘍狀蝕坑使鉆桿在短時(shí)間使用發(fā)生刺穿及孔洞腐蝕。浸入鉆井液中的CO2使其具有弱酸性，也會(huì)對(duì)油套管造成腐蝕。另外，油套管遇卡后注入類似HCI 強(qiáng)酸解卡時(shí)，也會(huì)對(duì)油套管造成嚴(yán)重的腐蝕。而鉆井液中其他離子如CIˉ等，和H2S、CO2共同作用加速鉆桿表面的腐蝕，這些都會(huì)增加油套管缺陷的快速失效應(yīng)力。

以上所述，油套管失效的因素繁多，油套管的失效是各因素綜合作用的結(jié)果。就具體每口井來(lái)講，應(yīng)根據(jù)油套管失效分析，提煉出主要影響因素并采取相應(yīng)的措施。目前，一些廠家生產(chǎn)的涂層油套管就已解決因腐蝕和應(yīng)力交互作用造成的油套管斷裂失效問(wèn)題。具體我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況分析，確保鉆井、完井的成功。西北深井、超深井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)、管材選用及安全可靠性保障技術(shù)；酸性和高酸性氣田管材選用及質(zhì)量控制技術(shù)；低滲透油氣田經(jīng)濟(jì)型管材選用及質(zhì)量保障技術(shù)；典型工況管材失效案例分析及預(yù)防措施；石油管材失效的現(xiàn)狀、原因、規(guī)律、機(jī)理，失效分析、預(yù)測(cè)預(yù)防技術(shù)的趨勢(shì)和研究方向。