國(guó)內(nèi)某油田注二氧化碳采油井油層套管失效分析

韓進(jìn)山，李恒政，扈立，王正，張旭

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

國(guó)內(nèi)某油田注二氧化碳采油井油層套管失效分析

韓進(jìn)山，李恒政，扈立，王正，張旭

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

針對(duì)國(guó)內(nèi)某油田注二氧化碳驅(qū)油井套管在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂失效，通過(guò)宏觀觀察、化學(xué)成分分析，金相宏觀觀察，SEM微觀觀察，力學(xué)性能測(cè)試，韌脆轉(zhuǎn)變溫度計(jì)算，有限元計(jì)算對(duì)失效套管原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：套管材料在低溫下呈現(xiàn)低溫脆性，套管內(nèi)表面局部應(yīng)力集中，在其作用下，套管發(fā)生脆性斷裂。

超注二氧化碳；油層套管；圓螺紋；斷裂；選材

1 引言

我國(guó)各大油田每年都有石油套管斷裂事故發(fā)生，給油田帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。國(guó)內(nèi)某油田采用CO2驅(qū)油工藝增產(chǎn)，使用N80 1類Φ139.70 mm×9.17 mm圓螺紋套管作為油層套管，套管下至3 075.46 m固井，隨后實(shí)施壓裂注氣作業(yè)，注氣后下入油管，使用封隔器封隔油套管環(huán)空。該井投產(chǎn)10個(gè)月后大修過(guò)程中，上提懸掛器噸位30 t時(shí)，提出懸掛器+雙公+Φ139.70 mm×9.17 mm套管一支，經(jīng)地面檢查發(fā)現(xiàn)套管公螺紋缺損。

針對(duì)油田送檢的失效套管樣品，從樣品幾何尺寸、理化性能、螺紋斷口形貌等方面進(jìn)行宏觀、微觀分析，根據(jù)相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果及螺紋斷口分析結(jié)果，推測(cè)井下套管斷裂原因，并給出套管選材、使用方面的建議。

從油田送檢失效套管進(jìn)行失效分析。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相宏觀觀察、SEM微觀觀察、力學(xué)性能測(cè)試、韌脆轉(zhuǎn)變溫度計(jì)算、有限元計(jì)算等分析方法，確定套管斷裂原因。

2 失效樣管的理化性能檢驗(yàn)

油田送檢失效套管見(jiàn)圖1。

圖1 油田送檢失效套管

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)樣品進(jìn)行拉伸、沖擊性能檢測(cè)，結(jié)果表明力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果如表2所示。

2.3 系列溫度沖擊試驗(yàn)

對(duì)樣管材料進(jìn)行-60~100℃系列溫度沖擊試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線，結(jié)果見(jiàn)圖2。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

表2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

圖2 套管材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線

由圖2可以看出，套管材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為+49℃。當(dāng)環(huán)境溫度低于+49℃時(shí)，套管材料表現(xiàn)出脆性傾向，裂紋擴(kuò)展阻力下降，材料斷裂特征表現(xiàn)為脆性解理斷裂特征，失效樣管F+P組織見(jiàn)圖3。

圖3 失效樣管F+P組織

2.4 金相分析

樣管的夾雜物及晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3所示為樣管材料室溫下F（鐵素體）+P（珠光體）組織，該組織符合N80 1類套管軋態(tài)交貨組織特點(diǎn)，無(wú)晶粒粗大及組織偏析現(xiàn)象。

3 失效樣管斷口分析

3.1 斷口宏觀特征

如圖4所示，失效套管在打撈、取樣過(guò)程中，斷口發(fā)生磕碰導(dǎo)致斷口宏觀形貌損壞，無(wú)法進(jìn)行分析。

圖5所示的斷口局部形貌可以看出，斷裂由套管內(nèi)壁裂紋源引發(fā)，裂紋沿壁厚方向由內(nèi)至外擴(kuò)展做快速低能量撕裂，放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向，指向外壁，形成大面積放射區(qū)，放射區(qū)呈現(xiàn)迅速撕裂的解理狀脆性斷口特征。斷裂后期，在靠近外表面附近形成較窄的杯狀剪切唇，與拉伸軸呈45°[7]。

表3 金相檢測(cè)結(jié)果

圖4 套管斷口宏觀形貌

圖5 斷口局部宏觀形貌

3.2 斷口微觀特征

圖6、圖7為放大倍數(shù)200×?xí)r，試樣斷口裂紋源及擴(kuò)展區(qū)掃描電鏡照片?？梢钥闯?，裂紋源斷口呈現(xiàn)出較長(zhǎng)周期內(nèi)緩慢撕裂、逐漸擴(kuò)展的小尺寸解理斷口微觀特征；而裂紋擴(kuò)展區(qū)在拉伸試驗(yàn)載荷作用下迅速撕裂，斷口表現(xiàn)為平坦光滑的河流狀解理特征，進(jìn)一步確定為脆性斷裂。

3.3 斷口附近金相組織觀察

對(duì)斷口微裂紋附近金相組織進(jìn)行了觀察分析，組織照片如圖8所示。

失效套管鋼級(jí)為N80-1，管體交貨狀態(tài)為軋態(tài)。該套管終軋溫度820~860℃，如果裂紋在軋制過(guò)程中產(chǎn)生，在該溫度下裂紋部位應(yīng)該出現(xiàn)局部脫碳氧化，造成組織異常。如圖8所示，裂紋部位組織均為F+P，屬于在線常化工藝套管正常組織，未出現(xiàn)局部氧化脫碳及組織異常，因此排除冶煉成分偏析以及軋制過(guò)程中形成裂紋的可能性。

圖6 試樣裂紋源解理狀斷口微觀形貌

圖7 試樣裂紋擴(kuò)展區(qū)解理狀斷口微觀形貌

圖8 試樣斷口裂紋及F+P組織

4 套管斷裂原因分析

4.1 套管服役工況

已知下井時(shí)的泥漿密度為1.10×103kg/m3，在管串浮重及內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向總載荷作用下，套管螺紋承受約為300 MPa軸向應(yīng)力[10]，見(jiàn)表4。此外，封隔器失封后CO2氣體泄漏進(jìn)入環(huán)空，通過(guò)與環(huán)空保護(hù)液不斷發(fā)生置換向井口位置聚集，使環(huán)空帶壓，套管內(nèi)表面承受不超過(guò)30 MPa（注氣壓力）的內(nèi)壓。同時(shí)，由于注CO2工藝，N80-1套管材料還處于-20℃低溫環(huán)境下。

表4 套管螺紋承載計(jì)算

4.2 圓螺紋接頭特點(diǎn)及受力分析

失效套管為L(zhǎng)C（長(zhǎng)圓螺紋）扣型，該扣型螺紋接頭機(jī)緊后示意圖如圖9所示。

圖9 長(zhǎng)圓螺紋（LC）接頭連接示意圖

如圖9所示，Φ139.70 mm×9.17 mm LC套管外螺紋全長(zhǎng)L4=88.9 mm，完整螺紋長(zhǎng)度L2=81.66 mm[11]。在LC螺紋加工過(guò)程中，螺紋車刀行進(jìn)至L2位置后抬刀，因此L2是管體最后一圈完整螺紋的位置，也是機(jī)緊后接箍螺紋與管體螺紋嚙合的最后一圈。當(dāng)接箍與管體擰緊后，管體L2位置容易出現(xiàn)螺紋接觸應(yīng)力集中，也是發(fā)生螺紋斷裂的危險(xiǎn)截面。

4.3 LC扣型螺紋接觸應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)以上受力特點(diǎn)，對(duì)套管接箍擰緊后、軸向應(yīng)力為300 MPa時(shí)，環(huán)空內(nèi)壓力從0~30 MPa變化的情況下，螺紋接頭應(yīng)力分布狀況進(jìn)行了有限元分析。

如圖10所示，接箍擰緊時(shí)螺紋線方向上出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，管端和螺紋根部接觸應(yīng)力較高，其中螺紋根部最后一圈完整螺紋位置應(yīng)力集中最為明顯，呈現(xiàn)“馬鞍形”分布特點(diǎn)。與此同時(shí)，隨著軸向載荷與環(huán)空內(nèi)壓逐漸增加，應(yīng)力集中水平也顯著升高。應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖11。

5 失效分析結(jié)論

圓螺紋套管接箍機(jī)緊后，公端L2位置產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，軸向載荷與內(nèi)壓共同作用使應(yīng)力集中水平增加。根據(jù)彈性力學(xué)原理可知，套管內(nèi)壁應(yīng)力水平最高，因此套管失效應(yīng)該從內(nèi)壁開(kāi)始。

注CO2氣體過(guò)程中，低溫環(huán)境導(dǎo)致封隔器失封，注入的CO2氣體由封隔器進(jìn)入油套內(nèi)部并與環(huán)空保護(hù)液發(fā)生置換，氣體上竄至環(huán)空上部接近井口位置。由于注入CO2氣體在井口位置溫度最低（接近-20℃），因此井口位置套管處于低溫環(huán)境中。

圖10 螺紋線方向上接觸應(yīng)力分布狀態(tài)

圖11 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

N80 1類套管韌脆轉(zhuǎn)變溫度為+49℃，在低溫環(huán)境中套管材料韌性較差，在應(yīng)力集中部位極易產(chǎn)生微裂紋。

由于注CO2工藝為長(zhǎng)周期、間歇式作業(yè)，因此套管受周期性載荷作用，導(dǎo)致裂紋形成后由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。

大修作業(yè)過(guò)程中上提套管柱時(shí)，瞬間軸向載荷作用引發(fā)裂紋迅速擴(kuò)展，造成套管脆性斷裂。

6 套管選材建議

根據(jù)失效分析結(jié)論，對(duì)采用該采油工藝工況條件下套管選材及施工作業(yè)提出如下建議：

提高固井質(zhì)量，確保油層套管柱外水泥充滿并有限膠結(jié)。

選用具有優(yōu)異低溫韌性的套管材料，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于CO2入井溫度。

選用API偏梯形等自然退刀加工螺紋的套管，減輕接箍機(jī)緊后產(chǎn)生的應(yīng)力集中。

考慮到井下高溫含水環(huán)境，應(yīng)注意CO2氣體對(duì)套管產(chǎn)生腐蝕作用，套管柱適當(dāng)位置應(yīng)選用抗CO2腐蝕套管。

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Analysis on Failure of Oil-string Casing at Carbon Dioxide Filling W ell at Certain Oil Field in China

HAN Jin-shan,LI Heng-zheng,HU Li,WANG Zheng and ZHANG Xu
(Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

The fracture failure of oil-string casing during service at carbon dioxide filling well at Certain Oil Field in China was analyzed by means of macro inspection,chemical composition analysis, metallographic macro inspection,SEM micro inspection,mechanical property test,ductile to brittle transition temperature calculation and finite element calculation.Results showed oil casing presented low temperature brittleness at low temperature and the inner surface inside oil casing concentrated stress locally,which caused the brittle fracture of oil casing.Relevant suggestions were proposed on oil casing material selection and construction under the working conditions with this kind of oil production technology.

carbon dioxide filling;oil-string casing;round thread;fracture;material selection

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.007

2016-05-18

2016-06-12

韓進(jìn)山（1964—），碩士，副高級(jí)工程師，主要從事產(chǎn)品銷售和技術(shù)方面的研究工作。