文南油田油管斷裂失效分析與預防措施探討

李天聰 李仕銘 谷同杰

中國石化中原油田分公司采油四廠（河南濮陽457001）

文南油田油管斷裂失效分析與預防措施探討

李天聰 李仕銘 谷同杰

中國石化中原油田分公司采油四廠（河南濮陽457001）

對油管斷裂井的油管進行了調(diào)查研究，對斷裂油管的螺紋斷口宏觀、微觀、化學成分、金相組織和管柱組合結(jié)構進行了分析，對油管在井下的作業(yè)工況和受力狀況進行了研究分析；探討了預防油管斷裂的措施。

文南油田油管斷裂采油樹采油速度金相組織

文南油田以機械采油為主，年開井450口，2009年抽油井在生產(chǎn)過程中，先后在文33-144井、文33-161井出現(xiàn)油管斷裂失效事故，嚴重影響了采油速度，增加了作業(yè)成本投入。進入2010年之后，又在文33-325井和文33-157井再次出現(xiàn)油管斷裂失效事故。

1 油管斷裂井的基本參數(shù)

4口油管斷裂井，使用的全是外徑73mm、內(nèi)徑62mm的N80-1平式油管，斷裂位置全是從螺紋公扣的末端斷在機緊扣內(nèi)，斷口平齊，形狀相似，配套使用的采油樹都是KYS25/65偏心型，各井的基本參數(shù)見表1。

表1 油管斷裂井的基本參數(shù)

2 斷裂油管的特征分析

2.1 斷裂油管的宏觀特征

文33-157井油管的斷裂位置，位于自上而下201.6m處油管公扣螺紋的根部末端（圖1），長度為46mm，斷口平齊，斷裂后的公扣螺紋與母扣連接在一起，沒有發(fā)生位移。將油管接箍剖開取出斷裂的公扣螺紋，斷口的宏觀面貌如圖2所示，左半部分斷口整齊平齊，呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征，是斷裂的起始區(qū)域；右半部分的斷口表面與油管軸線成45°的夾角方向撕裂，但斷口表面光滑，整個斷口表面沒有明顯的塑性斷裂特征，根據(jù)斷裂部位的表面特征宏觀分析為脆性斷裂。

圖1 斷裂油管的表面特征

2.2 斷裂油管的微觀特征

用掃描電鏡（SEM）觀察斷裂表面，除了在螺紋根部，即斷裂的起始位置存在少量撕裂峰外，整個斷口表面都比較光滑平整，在斷口表面還能觀察到一些二次微裂縫。在更高的放大倍數(shù)下觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂起始點位于螺紋根部，向材料內(nèi)部擴展一小段距離后即呈現(xiàn)出典型的解理斷裂特征。通過高倍放大觀察還可以看到，油管斷裂的起始點處存在與材料所受扭矩方向相一致的擴展流線，從螺紋根部的切線方向向垂直方向曲線擴展，流線距離的尺度與帶狀偏析的尺度相一致，為10～20μm，遠離螺紋根部的斷口表面呈現(xiàn)為解理斷裂的特征，斷口表面上未見堅韌性斷裂特征。

圖2 斷裂油管的宏觀面貌

2.3 斷裂油管的化學成分

斷裂油管的化學成分如表2所示，各項成分指標都符合API標準要求。

表2 斷裂油管的化學成分單位：%

2.4 斷裂油管的材料性能

斷裂油管的硬度、強度和沖擊性能如表3所示。與正常的油管材料相比，斷裂油管的性能沒有明顯異常，都符合API標準要求。

表3 斷裂油管與正常油管的性能對比

2.5 金相組織分析

對斷裂油管和正常油管位置的金相顯微組織進行了分析，發(fā)現(xiàn)材料存在較嚴重的成分偏析現(xiàn)象。斷裂油管的斷裂位置的金相組織存在有帶狀馬氏體組織，而正常油管位置的金相顯微組織中未見馬氏體組織。

利用SEM觀察了偏析帶內(nèi)的馬氏體組織并比較了其與相鄰的珠光體和鐵素組織的成分差異，可見在偏析帶內(nèi)由于成分偏析的影響，C和Mn的含量與設計成分相比普遍偏高，馬氏體組織的C和Mn的含量最高。

3 油管斷裂的原因分析

（1）通過金相組織分析，斷裂油管的成分偏析較嚴重，并有帶狀馬氏體組織存在，雖然不足以明顯影響材料的力學性能，但嚴重的成分偏析，尤其是帶狀馬氏體組織在材料內(nèi)部造成了嚴重的應力集中，在承受載荷時容易發(fā)生開裂破壞，由于Φ73mmN80-1型油管以熱軋態(tài)生產(chǎn)，受成分和工藝的限制，難以完全消除成分偏析的現(xiàn)象，因此，在交變載荷的作用下，嚴重的帶狀偏析和馬氏體組織有可能成為缺陷而發(fā)生油管斷裂。

（2）完井管柱的組合和采油樹的配套，只滿足了工藝測試的需要，未考慮油管在長期生產(chǎn)過程中受交變載荷的影響，產(chǎn)生的蠕動，對油管應力集中點造成的傷害。

4 預防措施

（1）為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長油井的檢泵周期，將油管鋼級由N80-1型改為N80-Q型，采取全管調(diào)質(zhì)處理，通過全管奧氏體化，徹底消除可能存在有局部成分偏析形成的馬氏體組織，最終得到綜合力學性能較好的回火索氏體組織，大幅度提高產(chǎn)品的服役能力。

（2）偏心井口完成測試工作之后，迅速更換為常規(guī)井口，防止油管長期在偏心井口作用下，因偏離中心位置而造成的油管一側(cè)應力集中，導致的脆性斷裂。

5 結(jié)論

（1）斷裂油管材料的化學成分、力學性能均符合API標準要求。

（2）油管的斷裂位置存在較嚴重的成分偏析，局部有帶狀馬氏體組織存在，在載荷作用下，這種組織缺陷成為應力集中點而發(fā)生脆性斷裂。

（3）偏心井口完井。油管不是處在套管的中心位置，而是偏離中心點，靠近套管左側(cè)或右側(cè)，交變載荷作用下，油管在套管內(nèi)左右擺動幅度較大，易在應力集中點發(fā)生脆性斷裂。

[1]呂栓錄,駱發(fā)前,周杰,等.雙臺肩NC50鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱向開裂原因分析[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督，2004，20(8).

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[3]李記科,李顯坤,高建忠.實施駐廠監(jiān)造貫徹油井管標準提高油井管質(zhì)量[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,2007,23(5).

An investigation is conducted about the oil tubes at the well with tube fracture.Then the screwed fractures of broken tubes are analyzed from aspects of macrostructure,the microstructure,chemical components,metallographic structure and pipe composite structure.Meanwhile,the research focuses on the operation state and the stress status of down-hole oil tubes.Finally,some measures to prevent oil tube fracture are discussed.

Wennan oilfields;oil tube;fracture;oil production tree;rate of oil production;metallographic structure

2011-01-05▎

李天聰（1963-），工程師，主要從事井下作業(yè)質(zhì)量管理工作。