Φ31.8mm連續(xù)油管斷裂失效分析

李鴻斌，畢宗岳，余 晗，張曉峰，汪海濤，鮮林云

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

Φ31.8mm連續(xù)油管斷裂失效分析

李鴻斌1,2，畢宗岳1,2，余 晗1,2，張曉峰1,2，汪海濤1,2，鮮林云1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了預(yù)防和減少連續(xù)油管在油田作業(yè)環(huán)境下發(fā)生的失效事故，提高連續(xù)油管的使用壽命，通過理化性能檢驗(yàn)、微觀組織分析和能譜分析等方法，對(duì)某油田80鋼級(jí)Φ31.8mm×3.18mm斷裂失效連續(xù)油管進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該連續(xù)油管在受到自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力、周期性的塑性應(yīng)變和井內(nèi)酸性腐蝕環(huán)境的共同作用下，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，導(dǎo)致連續(xù)油管斷裂失效。最后給出了提高連續(xù)油管使用壽命的建議。

連續(xù)油管；斷裂失效；應(yīng)力腐蝕；裂紋

1 概 述

連續(xù)油管技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前景的油田作業(yè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、氣舉、電潛泵、酸化作業(yè)、油井防砂、井下工具打撈、水平井施工、洗井、稠油開采等諸多方面[1-2]。連續(xù)油管及其作業(yè)裝置已被譽(yù)為“萬能作業(yè)機(jī)”[3-5]。由于連續(xù)油管的服役環(huán)境惡劣，受力情況復(fù)雜，產(chǎn)生了復(fù)雜、多樣的連續(xù)油管失效問題。研究表明，導(dǎo)致連續(xù)油管失效的主要原因是疲勞失效、腐蝕失效和操作不當(dāng)[6-10]。

本研究以80鋼級(jí)Φ31.8mm×3.18mm連續(xù)油管斷裂事故為研究對(duì)象，分析了連續(xù)油管失效的原因，提出了避免此類事故發(fā)生的建議。通過調(diào)查分析連續(xù)油管失效的機(jī)理和原因,有助于預(yù)防和減少連續(xù)油管使用中的失效事故,從而提高其使用壽命和效率。

某油田80鋼級(jí)Φ31.8mm×3.18mm連續(xù)油管在作業(yè)區(qū)一次氮?dú)鈿馀e作業(yè)完成后，發(fā)現(xiàn)油管表面多處出現(xiàn)泄露現(xiàn)象，隨后發(fā)現(xiàn)在距管端1 600 m處發(fā)生斷裂。本次連續(xù)油管下井作業(yè)時(shí)間為115 h，作業(yè)壓力為15 MPa，井下含有H2S，具體含量不詳。在進(jìn)行氣舉作業(yè)前，該盤連續(xù)油管還進(jìn)行了1次氮?dú)鈿馀e作業(yè)，下井作業(yè)時(shí)間為84 h，作業(yè)壓力25 MPa，井中含有H2S，具體含量不詳。兩次氣舉作業(yè)均未向井內(nèi)加注緩蝕劑進(jìn)行保護(hù)。

取井內(nèi)原液并進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)井內(nèi)水型為氯化鈣型，井液pH值為5.1，礦化度為184 570.3 mg/L，Cl-含量為 121 962.2 mg/L，S2-含量為309.1 mg/L。井內(nèi)H2S和CO2含量未進(jìn)行檢測(cè)，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)截取的連續(xù)油管試樣進(jìn)行失效分析時(shí)，仍能聞到刺鼻的H2S氣味。

2 試樣宏觀分析

2.1 斷口分析

選取斷裂連續(xù)油管保存較好的一側(cè)斷口進(jìn)行分析，其斷口宏觀形貌如圖1所示。從圖1可以看出，斷口呈脆性斷裂特征，并且分為兩個(gè)明顯的區(qū)域，平坦區(qū)和呈45°瞬斷區(qū)。斷口平坦區(qū)靠近外壁，45°瞬斷區(qū)靠近內(nèi)壁，裂紋源位于連續(xù)油管外壁處。由此可以推斷，斷裂起源于連續(xù)油管外表面。另外，在斷口附近管體內(nèi)、外表面均發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，外壁腐蝕嚴(yán)重，有大量腐蝕坑，壁厚有明顯減薄。

圖1 連續(xù)油管斷口宏觀形貌

2.2 管體分析

截取斷裂連續(xù)油管附近樣品，長約630mm，如圖2所示。由圖2可看出管體外表面有明顯銹蝕，腐蝕產(chǎn)物分布整個(gè)管體，且腐蝕產(chǎn)物容易脫落，管壁外表面有大量明顯的腐蝕坑。在距直焊縫90°位置的管體母材上，沿管體縱向有多條肉眼可見的環(huán)向裂紋，如圖3所示，管壁其它位置無明顯裂紋。經(jīng)測(cè)量，管體壁厚3.13~3.22mm，腐蝕使管體壁厚有明顯減薄。

圖2 斷裂連續(xù)油管管體宏觀照片

圖3 管體表面多處環(huán)向裂紋

3 力學(xué)性能分析

3.1 拉伸性能

采用ZIWCK1200型拉伸試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370—2009對(duì)斷裂連續(xù)油管附近樣品進(jìn)行整管拉伸試驗(yàn)，試樣尺寸為Φ31.8mm×3.18mm×450mm。試樣斷口附近無明顯頸縮現(xiàn)象，力學(xué)性能見表1。

表1 試樣力學(xué)性能及與標(biāo)準(zhǔn)的比較

由表1可以看出，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率均低于API SPEC 5ST《連續(xù)油管規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)要求。

拉伸試樣斷口形貌如圖4所示。從圖4中可以看出，拉伸斷口大部分呈現(xiàn)金屬光澤，但在斷口局部出現(xiàn)銹蝕痕跡，銹蝕從管樣外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，銹蝕深度幾乎達(dá)到管材全部壁厚。由此可以推斷，該管樣在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)前，表面已存在微小裂紋，試驗(yàn)過程中沿管體表面微小裂紋處開始起裂、擴(kuò)展，因而得出的管樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及斷后伸長率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 拉伸試樣斷口宏觀形貌

3.2 硬度檢測(cè)

從斷裂連續(xù)油管上取硬度試樣，如圖5所示，取樣區(qū)域包含焊縫、熱影響區(qū)及母材。根據(jù)GB/T 4340.1—2009使用Durascan 70硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

圖5 試樣硬度檢測(cè)宏觀照片

從表2可看出，試樣母材、焊縫、熱影響區(qū)的硬度均小于248HV10，滿足API SPEC 5ST要求。

表2 試樣硬度檢測(cè)結(jié)果

4 試樣顯微組織分析

4.1 金相分析

依據(jù)GB/T 4340.1—2009標(biāo)準(zhǔn)，采用Leica DMI5000M金相顯微鏡對(duì)試樣焊縫和母材進(jìn)行分析，如圖6所示。從圖6可以看出，連續(xù)油管試樣焊縫和母材的組織均由多邊形鐵素體和細(xì)小的珠光體組成，母材晶粒度為12級(jí)，焊縫晶粒度為10.5級(jí)，帶狀組織為1.5級(jí)，焊縫及母材無異常組織。

圖6 連續(xù)油管試樣微觀組織形貌

采用線切割對(duì)試樣A、B兩處環(huán)向裂紋（如圖3所示）進(jìn)行加工，沿裂紋中部、垂直于裂紋方向取樣，并進(jìn)行金相分析。A、B兩處裂紋金相分析照片如圖7和圖8所示。從圖7和圖8中可以看出：試樣表面存在多處裂紋，裂紋起源于壁，沿管壁厚度方向向內(nèi)壁擴(kuò)展，局部區(qū)域裂紋已經(jīng)貫穿整個(gè)壁厚；在主裂紋擴(kuò)展的過程中，在主裂紋上又有分叉的二次裂紋生成，二次裂紋與主裂紋形成明顯的樹枝狀，這種形貌和二次裂紋是典型的應(yīng)力腐蝕開裂裂紋特征[11]。

4.2 試樣斷口形貌分析

圖7 管體A處裂紋形貌

圖8 管體B處裂紋形貌

圖9 斷口不同位置形貌

圖10 斷口裂紋處微觀形貌

采用日立S－3700N型掃描電鏡對(duì)連續(xù)油管斷口進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果如圖9所示，并利用能譜儀對(duì)斷口表面腐蝕產(chǎn)物的成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。從圖9斷口不同位置微觀形貌可以看出，斷裂起源于油管外壁，斷口光滑齊整，在斷口截面可發(fā)現(xiàn)清晰的環(huán)向裂紋，斷口具有明顯的脆性斷裂特征。從圖10斷口裂紋處微觀形貌可以看出，油管斷口表面呈現(xiàn)乳突狀形貌，腐蝕產(chǎn)物不致密，乳突島之間有裂紋存在。對(duì)這些疏松腐蝕產(chǎn)物的微觀組織區(qū)域進(jìn)行能譜分析，如圖11所示。由圖11可以看出，腐蝕產(chǎn)物中除含有鐵的氧化物外，還含有少量的S和Cl。

圖11 斷口裂紋附近腐蝕產(chǎn)物EDS圖譜

4.3 X射線衍射分析

采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀對(duì)連續(xù)油管表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了分析，其結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，試樣表面腐蝕產(chǎn)物主要含有 Fe3O4（46.34%）、Fe2O3（9.59%）、FeS（14.14%），說明該管材可能發(fā)生了氧腐蝕和硫化物腐蝕。

圖12 試樣表面腐蝕產(chǎn)物X射線衍射圖譜

5 分析與討論

通過對(duì)失效連續(xù)油管進(jìn)行宏觀和微觀分析，斷口和管壁外表面裂紋表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕特征。應(yīng)力腐蝕開裂是金屬在拉應(yīng)力（外加應(yīng)力或殘余應(yīng)力）和腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起的一種破壞形式[12-13]。一般認(rèn)為，當(dāng)拉應(yīng)力、金屬應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)3個(gè)條件同時(shí)具備時(shí)才會(huì)發(fā)生。

連續(xù)油管的腐蝕形式多種多樣，比靜態(tài)油管的腐蝕更為復(fù)雜。在非酸性環(huán)境下，連續(xù)油管的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，酸化液和儲(chǔ)層液是影響電化學(xué)腐蝕的主要因素。連續(xù)油管在酸性環(huán)境下的腐蝕更為復(fù)雜，除了電化學(xué)腐蝕外，還包括H2S導(dǎo)致的開裂。

井下作業(yè)用連續(xù)油管和靜態(tài)管柱相比，其受力特點(diǎn)存在顯著差異。連續(xù)油管繞導(dǎo)向拱和卷軸進(jìn)行井和下井過程中會(huì)遭受6次彎曲和變值的變化，由于導(dǎo)向拱和卷軸的半徑均小于連續(xù)油管的最小彎曲半徑，因此，起下井遭受的彎曲變形會(huì)導(dǎo)致塑性應(yīng)變。同時(shí)，連續(xù)油管在起下過程中會(huì)受到自重及載荷的影響，產(chǎn)生拉應(yīng)力，而且連續(xù)油管被反復(fù)彎曲，還存在疲勞問題。文獻(xiàn)[14-15]表明，彎曲和內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的疲勞是造成連續(xù)油管失效的主要原因。

綜上所述，連續(xù)油管在酸化和氣舉作業(yè)時(shí)，油管外壁與腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)間較長，管材在受到自重的拉應(yīng)力、周期性的塑性應(yīng)變和井內(nèi)酸性腐蝕環(huán)境的協(xié)同作用下（特別是含H2S環(huán)境），材料性能退化，塑性降低，存在脆性開裂傾向。當(dāng)這種脆化效應(yīng)積累到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致連續(xù)油管的脆性開裂，特別是在連續(xù)油管發(fā)生塑性變形的情況下，更容易發(fā)生脆性開裂。

6 結(jié)論及建議

（1）在連續(xù)油管作業(yè)前，對(duì)其應(yīng)用歷史記錄進(jìn)行分析及安全性評(píng)估，并收集作業(yè)井的井況信息，明確井身結(jié)構(gòu)及所含腐蝕介質(zhì)含量。

（2）作業(yè)過程中運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)連續(xù)油管當(dāng)前壁厚、橢圓度、管體損傷等情況進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)估。

（3）盡量將連續(xù)油管配置在滾筒直徑較大的作業(yè)車上，采用大直徑的導(dǎo)向拱可降低連續(xù)油管由于彎曲/壓力循環(huán)造成的疲勞損傷，提高連續(xù)油管的使用壽命。

（4）在酸性環(huán)境的井內(nèi)作業(yè)前應(yīng)添加緩蝕劑及除硫劑，選用耐蝕連續(xù)油管進(jìn)行作業(yè)。

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Fracture Failure Analysis of Φ31.8mm Coiled Tubing

LI Hongbin1,2，BI Zongyue1,2，YU Han1,2，ZHANG Xiaofeng1,2，WANG Haitao1,2，XIAN Linyun1,2
（1.National Petroleum and Gas Tubular Goods Engineering Technology Research Center，Baoji 721008，Shaanxi，China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In order to prevent and reduce the failure accidents of coiled tubing in oil field operation environment,increase the service life of coiled tubing,the fractured coiled tubing of 80 steel grade Φ31.8mm ×3.18mm in a certain oilfield was analyzed through physical and chemical properties testing,microstructure analysis and EDS analysis.The results showed that the stress corrosion fracture occurred in this coiled tubing under the combined action,including tensile stress by its own weight,cyclic plastic strain and the well acidic corrosive environments,which caused the fracture failure for coiled tubing.Finally,some advices were put forward to increase service life of coiled tubing.

coiled tubing;fracture failure;stress corrosion;crack

TE933.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.006

李鴻斌（1984—），碩士，工程師，主要從事連續(xù)管新產(chǎn)品開發(fā)及管材失效分析等研究工作。

2015-12-16

李 超