P110套管螺紋斷裂失效分析

曾 鐘, 王飛宇, 侯 鐸, 張志東, 李 淼

(1. 中石油川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質量監(jiān)督檢測研究院， 廣漢 618300；2. 西南石油大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室， 成都 610500)

P110套管螺紋斷裂失效分析

曾 鐘1, 王飛宇2, 侯 鐸2, 張志東1, 李 淼1

(1. 中石油川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質量監(jiān)督檢測研究院， 廣漢 618300；2. 西南石油大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室， 成都 610500)

某油田開采井使用的P110鋼級套管在使用過程中出現(xiàn)斷裂失效。使用宏觀形貌分析、化學成分分析、金相檢驗、力學性能測試的方法，結合現(xiàn)場施工過程中失效套管的使用、維護及螺紋端部的使用狀況分析，詳細分析了套管螺紋斷裂失效的原因并提出預防措施。結果表明：該套管斷裂性質屬于疲勞斷裂；套管上卸扣過程中的不規(guī)范操作增大了螺紋端局部接觸應力，裝配過程中套管與接箍螺紋的軸線偏斜導致螺紋間存在間隙，局部接觸應力過大導致螺紋面上的金屬產生變形和磨損；螺紋旋進阻力增大、下井前僅部分旋入，是造成套管螺紋斷裂失效的主要原因。

P110套管；疲勞斷裂；偏斜；應力

套管是石油工業(yè)中大量使用的管具，在井筒中起到支撐井壁、封固地層和防坍塌的作用。套管與接箍相連的螺紋接頭部位是套管連接中的薄弱環(huán)節(jié)，套管長期在交變載荷下工作，加上井內液體腐蝕等因素的影響，導致套管在使用過程中經常會在連接螺紋處發(fā)生疲勞斷裂、漏失、擠毀、粘扣、破損、偏磨、腐蝕等失效事件[1-2]，而其中超過80%的失效事故與螺紋粘扣有關[3]。套管螺紋一旦發(fā)生粘扣，會嚴重影響套管連接的密封性和結構完整性，往往引發(fā)斷裂，甚至導致管柱落井，嚴重時還會導致油井報廢，造成巨大的經濟損失[4]。

筆者以某油田P110鋼級套管螺紋失效事件為案例，通過對失效套管進行宏觀形貌分析、化學成分分析、金相檢驗、力學性能測試，并結合以往套管失效的類型和影響因素[5-6]，尋找套管螺紋斷裂失效的原因，以期為管材的失效分析及油、氣田套管的防護和管理提供參考。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌分析

該P110套管規(guī)格為φ139.7 mm×7.72 mm，在服役過程中發(fā)生橫向斷裂，斷裂部位在套管螺紋旋入接箍最后一扣處，如圖1(a)所示。觀察斷口發(fā)現(xiàn)，斷面較為平整，其上有明顯的不對稱人字紋，人字紋收斂于斷口裂紋源區(qū)，如圖1(b)所示。

圖1 斷裂套管及斷口區(qū)的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the fractured casing pipe and the fracture:(a) the fractured casing pipe; (b) the fracture surface

圖2 套管螺紋的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the thread of the casing pipe:(a) connection part between the casing pipe and the coupling thread; (b) fractured thread of the casing pipe

為了更好地觀察和分析套管螺紋端部斷裂失效的原因，將接箍沿縱向切開觀察接箍與兩側套管連接的縱向形貌，如圖2(a)所示?？梢娮髠嚷菁y正常旋入接箍內，經測量旋合長度為74 mm；右螺紋未完全旋入接箍內，旋入部分的長度僅為45 mm；旋合部分的內螺紋與外螺紋之間存在約1 mm的間隙，間隙內充滿了泥漿涸化物，套管在旋入螺紋的最后一扣處發(fā)生斷裂。測得套管斷裂處的管壁厚為4.46 mm，完好套管最后一扣螺紋處的壁厚為5.56 mm，套管內孔直徑為124.70 mm。將斷裂套管螺紋的有效旋入部分取出發(fā)現(xiàn)，螺紋表面布滿銹跡，螺紋溝槽處充滿泥漿涸化物，螺紋嚙合面嚴重受損，如圖2(b)所示。

為了了解失效套管的螺紋損傷形式，將圖2(b)所示螺紋進行除銹和清洗后觀察發(fā)現(xiàn)，螺紋端部出現(xiàn)嚴重的黏著磨損和擠壓變形，并主要集中于外螺紋第一扣上，其余螺紋嚙合面上的磨損、擠壓現(xiàn)象不明顯，如圖3所示。

圖3 螺紋嚙合面的宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology ofmating surface of the thread:(a) one side of the thread; (b) the matching surface on the back of (a)

失效套管的宏觀分析結果顯示，接箍與套管外表面未出現(xiàn)擠壓變形，可排除液壓鉗過扭矩或夾緊力過大的因素造成套管失效；左側套管的外螺紋已全部旋入接箍內，旋合長度為74 mm；而右側套管的外螺紋旋入部分的長度僅為45 mm，比較斷裂部分與左側未斷部分相應位置的壁厚可見，右側螺紋的加工情況與左側套管的沒有很大差別，因此排除螺紋加工因素對套管失效的影響。

1.2 化學成分分析

在失效套管斷裂部位取樣，使用移動式金屬分析光譜儀對試樣進行化學成分分析，試驗結果見表1。將其與API Spec 5CT-2011(第9版)《套管和油管規(guī)范》對P110套管的要求進行比較，可見失效套管的化學成分符合標準要求。

1.3 金相檢驗

在失效套管斷裂部位取樣，并用1～7號金相砂紙逐級打磨，經拋光處理后置于金相顯微鏡下進行觀察，失效套管的組織形貌如圖4所示。失效套管的非金屬夾雜物為D類夾雜物，細系為2.5級，如圖4(a)所示；晶粒度為10.5級，如圖4(b)所示；顯微組織為回火索氏體，如圖4(c)所示。結果表明失效套管的非金屬夾雜物級別并不高，晶粒較細，組織為良好的調質組織。

表1 P110套管的化學成分(質量分數(shù))

1.4 力學性能測試

在失效套管斷裂部位取3組試樣，制成標準緊湊拉伸試樣，室溫下在WAW-Y500型微機控制電液伺服萬能試驗機上進行拉伸試驗，試驗結果見表2。通過與API Spec 5CT-2011(第9版)進行比較，可見失效套管的力學性能符合標準要求。

圖4 P110套管斷裂部位的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of fractured part of the P110 casing pipe: (a) non-metallic inclusions; (b) grains; (c) microstructure

表2 P110套管的力學性能

2 分析與討論

2.1 螺紋顯微形貌分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對圖3(a)中的螺紋損傷部位進一步觀察，結果如圖5所示。由圖5(a)可以看到，螺紋嚙合面上存在大量的黏著磨損和擠壓變形，將圖5(a)中黃色區(qū)域放大可看到一處明顯的金屬碎屑。這表明在起下扣過程中套管螺紋處于過載狀態(tài)，造成局部接觸應力過大，在旋進過程中產生的金屬碎屑附著于螺紋表面從而阻礙了螺紋的旋進，于是加大旋進力度，又進一步提高了螺紋嚙合面的局部接觸應力，螺紋嚙合面上出現(xiàn)了黏著磨損和擠壓變形，最終發(fā)生粘扣失效。

圖5 螺紋嚙合面的掃描電鏡形貌Fig.5 SEM morphology of mating surface of the thread: (a) adhesive wear and extrusion deformation on the thread surface;(b) metal debris generated by adhesive wear

2.2 斷口顯微分析

套管螺紋的斷口微觀形貌顯示，起裂處的金屬開裂面光滑，無夾雜物、腐蝕坑等易引發(fā)開裂的缺陷，如圖6(a)所示；裂紋源附近區(qū)域有疲勞條紋，并向裂紋源區(qū)收斂，如圖6(b)所示。

圖6 套管螺紋斷口的掃描電鏡形貌Fig.6 SEM morphology of thread fracture of the casing pipe:(a) fatigue striation of the crack source region; (b) fatigue striation of the crack propagation region

接箍內螺紋與套管外螺紋之間存在約1 mm的間隙，間隙內充滿了泥漿涸化物，其原因在于裝配時的軸線偏斜。已有資料和分析結果表明：公扣大端第一扣螺紋和最后一扣螺紋處的應力集中最為嚴重[7-8]。如圖7(a)所示，正常旋合的螺紋雖然在箭頭區(qū)域存在應力集中，但并不會造成套管螺紋的斷裂失效。但在軸線偏斜的情況下，套管旋入接箍第一扣螺紋處產生過大的局部接觸應力，導致螺紋嚙合面上產生黏著磨損和擠壓流變；在液壓鉗扭矩的作用下繼續(xù)旋進，旋進過程中產生的金屬碎屑附著于螺紋面上，阻礙了螺紋的旋進，直到液壓鉗施加的扭矩不能使套管螺紋繼續(xù)前進為止。圖7(b)所示的螺紋尾部箭頭所指的凹槽可看成螺紋的缺陷部位，在應力的作用下萌生裂紋源，隨著裂紋的擴展，最終導致套管在該處發(fā)生疲勞斷裂。

圖7 螺紋粘扣及斷裂失效原理圖Fig.7 The principle diagram of the thread gluing and fracture failure:(a) normal mated thread; (b) thread with deviated axis

3 結論與建議

(1) 該P110套管的斷裂失效屬于疲勞斷裂，套管材料的性能符合標準要求。套管與接箍的螺紋組合在下井之前僅部分旋入，螺紋間存在間隙，在這種情況下套管螺紋未能繼續(xù)旋進至規(guī)定位置，其原因與裝配時的軸線偏斜等操作不當有較大關系。

(2) 裝配時該套管軸線偏斜，使螺紋產生局部接觸應力，在套管螺紋面局部產生了明顯的黏著磨損和擠壓流變，旋入螺紋最后一扣處發(fā)生非正常疲勞斷裂，最終導致套管螺紋粘扣和斷裂。

(3) 規(guī)范的操作是預防套管失效的重要因素。建議井隊加強現(xiàn)場操作管理，嚴格控制上扣扭矩，并均勻涂抹螺紋脂，改進現(xiàn)有液壓鉗的操作方式，對液壓鉗的上螺紋速率和上卸扭矩進行控制；盡可能按照API RP 5C1-1999和GB/T 17745-2011的要求進行套管的使用和維護；改進套管卡緊方式，減小接箍形變，提高上扣過程中的對中性。

[1] 張毅,李晶.蘇53-78-50井套管失效分析[J].金屬熱處理,2011,36(9):190-192.

[2] 楊向同,呂拴錄,彭建新,等.某油井特殊螺紋接頭油管粘扣原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(5):320-323.

[3] YANG E N,FU C M,DONG C,etal. Failure analysis of a leaked oil pipeline[J].Case Studies in Engineering Failure Analysis,2015,4:88-93.

[4] 潘志勇,燕鑄,劉文紅,等.兩起套管脫扣失效的典型案例分析[J].鉆采工藝,2012,35(5):83-86.

[5] 劉倩倩,旬光字,王志武.Q235B鋼循環(huán)水母管斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(9):670-674.

[6] 孫曉中,王旱祥.油管螺紋失效分析與預防[J].石油礦場機械,2003,32(4):20-22.

[7] 李方坡,黃偉,路彩虹,等.φ139.7 mm鉆桿內螺紋接頭縱向開裂失效分析[J].石油礦場機械,2009,38(11):49-53.

[8] 李金靈,朱世東,屈撐囤,等.API J55油套管失效分析與預防[J].熱加工工藝,2015,44(10):241-245.

Fracture Failure Analysis of the Thread of the P110 Casing Pipe

ZENG Zhong1, WANG Feiyu2, HOU Duo2, ZHANG Zhidong1, LI Miao1

(1. Safety Environmental Quality Supervision and Inspection Institute, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company, Guanghan 618300, China; 2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Fracture failure occurred to a P110 grade casing pipe used in an oil extraction well during the using process. By methods of macroscopic morphology analysis, chemical composition analysis, metallographic examination and mechanical property test, the reasons for the fracture failure of the casing thread were analyzed in detail and the preventive measures were put forward combined with the use, maintenance of failure casing and the behavior in service of the end of the thread in the field of construction process analysis. The results show that: the failure mode of the casing pipe was fatigue fracture; non-standard operation during the shackle process of the casing pipe increased the stress of local contact threaded end; during the assembly process of the casing pipe and the coupling thread, the axis deviation led to the gap between the threads; the excessive local contact stress caused the deformation and wear of the metal on the threaded surface; the main reasons of the fracture failure of the casing thread were that the resistance of the screw thread increased and only a part of the thread screwed in before down well.

P110 casing pipe; fatigue fracture; deviation; stress

質量控制與失效分析

10.11973/lhjy-wl201705012

2016-06-23

曾 鐘(1984-)，男，工程師，主要從事石油機械產品性能檢測、材料檢測及相關失效分析工作，284187142@qq.com

TE988

B

1001-4012(2017)05-0357-04