桑塔木油田某井氣舉閥斷裂失效分析

，，，，

(1.中國(guó)石油塔里木油田公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000；2. 中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

桑塔木油田某井氣舉閥斷裂失效分析

沈建新1，單全生1，周懷光1，孫玉國(guó)1，龍巖2

(1.中國(guó)石油塔里木油田公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000；2. 中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

通過(guò)宏觀檢驗(yàn)、尺寸測(cè)量、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、腐蝕產(chǎn)物分析等手段對(duì)桑塔木油田某井氣舉閥斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，氣舉誘噴施工過(guò)程中氣舉閥在含氯及含氧腐蝕介質(zhì)的沖刷下產(chǎn)生了嚴(yán)重沖蝕；由于表面加工精度較低，加工刀痕促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展，氣舉閥在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下發(fā)生了氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

氣舉閥；斷裂；應(yīng)力腐蝕；失效分析

0 引 言

桑塔木油田某井位于塔里木盆地桑塔木背斜帶LN22井區(qū)127井?dāng)啾悄细唿c(diǎn)，該井于2012年11月17日完井，完鉆井深4 660.00 m。2016年2月該井補(bǔ)孔措施作業(yè)后采用氣舉自噴多功能管柱投產(chǎn)，管柱采用四級(jí)氣舉閥氣舉工藝[1-3]；2017年3月4日，該井進(jìn)行措施作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)原井第一、二級(jí)氣舉閥斷裂落井，其中斷裂第一級(jí)氣舉閥位于井深1 493.34 m處，斷裂第二級(jí)氣舉閥位于井深2 266.63 m處。該井作業(yè)前日產(chǎn)液81.00 t，日產(chǎn)油2.62 t，含水率高達(dá)96.7%，其產(chǎn)出水為典型的氯化鈣水型，其中Cl-含量高達(dá)131 000 mg/L，產(chǎn)出氣中CO2含量較低，僅為0.400%，不含H2S。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

氣舉閥材質(zhì)為316L奧氏體不銹鋼，其宏觀形貌如圖1所示，該氣舉閥斷裂于進(jìn)氣孔處，斷面可見腐蝕產(chǎn)物分布，存在三處平坦特征區(qū)，具有多源開裂特征，斷口周圍閥體未見頸縮變形特征。斷口平坦區(qū)形貌如圖2所示，三處平坦區(qū)靠近閥體內(nèi)表面一側(cè)較平，靠外表面?zhèn)瓤梢娋植考羟写叫蚊?。?duì)氣舉閥內(nèi)表面觀察如圖3和圖4所示，氣舉閥靠近斷口內(nèi)表面具有腐蝕特征并存在大量加工刀痕，其刀痕延伸至斷口平坦區(qū)，此外，在刀痕處可見大量裂紋分布，裂紋主要沿橫向擴(kuò)展，與斷口開裂特征類似，而光滑內(nèi)表面區(qū)域則未見裂紋分布(如圖4所示)。通過(guò)斷口宏觀分析可初步推斷，該氣舉閥斷裂屬于多源脆性斷裂，起裂于內(nèi)表面加工刀痕處。

圖1 氣舉閥斷口宏觀形貌

圖2 平坦區(qū)宏觀形貌

1.2 尺寸測(cè)量

采用游標(biāo)卡尺對(duì)第二級(jí)氣舉工作筒及氣舉閥外徑進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)具體位置如圖2所示，測(cè)量結(jié)果見表2。由測(cè)量結(jié)果可知，該氣舉工作筒及氣舉閥各測(cè)量截面外徑分布均勻，筒體及斷口附近閥體未見明顯塑性變形。

圖3 氣舉閥斷口內(nèi)表面刀痕及裂紋

圖4 氣舉閥內(nèi)表面刀痕及裂紋

1.3 化學(xué)成分分析

由檢測(cè)結(jié)果可知，該斷裂氣舉閥化學(xué)成分符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)316L(國(guó)內(nèi)牌號(hào)022Cr17Ni12Mo2)不銹鋼材質(zhì)要求。

表1 幾何尺寸測(cè)量結(jié)果 mm

表2 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分析結(jié)果 %

1.4 金相檢驗(yàn)

從該斷裂氣舉閥取金相試樣，對(duì)其顯微組織、非金屬夾雜物及晶粒度進(jìn)行分析，金相照片如圖9～10所示。金相分析結(jié)果表明，該斷裂氣舉閥顯微組織為奧氏體，晶粒度8.0級(jí)，非金屬夾雜物A0.5、B1.0、D0.5級(jí)。斷口內(nèi)表面刀痕區(qū)域可見大量裂紋，其周圍組織無(wú)明顯異常，該氣舉閥內(nèi)表面裂紋分叉較多，局部呈沿晶狀，裂紋多沿橫向擴(kuò)展、貫穿閥體壁厚方向，局部刀痕密集處裂紋沿刀痕方向擴(kuò)展，如圖9所示，閥體光滑內(nèi)表面處則未見裂紋分布，說(shuō)明閥體內(nèi)表面加工刀痕對(duì)裂紋的萌生及擴(kuò)展起到明顯促進(jìn)作用。

1.5 腐蝕產(chǎn)物形貌及成分分析

氣舉閥斷口裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)微觀形貌如圖11所示，裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)表面可見腐蝕產(chǎn)物分布，斷面具有沿晶形貌，并存在二次裂紋特征。斷口及其附近裂紋能譜分析結(jié)果如圖12所示，腐蝕產(chǎn)物主要分布C、O、Fe、Cr等元素，還存在少量Ca、Cl等元素。

圖9 斷口附近裂紋擴(kuò)展形貌

圖10 斷口附近顯微組織

圖11 斷口附近表面微觀形貌

圖12 斷口表面EDS圖

2 分析與討論

化學(xué)成分分析表明，斷裂氣舉閥化學(xué)成分符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)316L不銹鋼材質(zhì)要求。金相分析表明，氣舉閥顯微組織為奧氏體，晶粒度8.0級(jí)，非金屬夾雜物A0.5、B1.0、D0.5級(jí)，斷口周圍組織未見明顯異常。幾何尺寸測(cè)量結(jié)果表明，斷裂氣舉閥閥體外徑測(cè)量值分布均勻，未見明顯塑性變形，可排除過(guò)載導(dǎo)致其斷裂可能性。氣舉閥宏觀分析表明，其斷口附近內(nèi)表面存在大量加工刀痕，刀痕區(qū)域分布大量橫向裂紋，其擴(kuò)展特征與氣舉閥橫向斷裂方式類似，可推測(cè)該氣舉閥斷裂與內(nèi)表面加工刀痕區(qū)域分布裂紋有關(guān)。裂紋分析表明，氣舉閥內(nèi)表面裂紋起源于加工刀痕區(qū)域，多沿橫向擴(kuò)展，分叉較多，局部呈沿晶狀，符合應(yīng)力腐蝕開裂裂紋擴(kuò)展形貌特征。斷口宏觀分析表明，氣舉閥沿橫向完全斷裂，起裂于加工內(nèi)表面加工刀痕區(qū)域，斷面存在多處平坦區(qū)，平坦區(qū)靠?jī)?nèi)壁側(cè)較平整，斷口周圍閥體未見頸縮變形，宏觀上可確定該氣舉閥斷裂屬于多源脆性開裂，符合應(yīng)力腐蝕開裂斷口的宏觀形貌特征。斷口微觀分析表明，該斷裂氣舉閥斷口裂紋源區(qū)位于平坦區(qū)靠?jī)?nèi)表面?zhèn)?，斷面存在沿晶開裂和二次裂紋特征，與裂紋分析結(jié)果相印證，符合應(yīng)力腐蝕開裂斷口的微觀形貌特征[4-6]。

斷裂氣舉閥內(nèi)表面存在大量加工刀痕，說(shuō)明其表面加工精度較低，不但易造成腐蝕介質(zhì)聚集引起氣舉閥腐蝕，還可能造成應(yīng)力集中，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂的裂紋萌生。能譜分析結(jié)果表明，該氣舉閥斷口以及內(nèi)表面裂紋各區(qū)域內(nèi)均存在導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的Cl元素，同時(shí)O元素含量較高，特別是裂紋內(nèi)部Cr元素出現(xiàn)富集，可推測(cè)腐蝕產(chǎn)物中存在Cr2O3，可見其已受服役井下含氯及含氧腐蝕介質(zhì)腐蝕，滿足發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，該井地層水中Cl-含量高達(dá)131 000 mg/L；此外，2016年2月22日至25日現(xiàn)場(chǎng)注入高壓氮?dú)?4 000 m3，其中氮?dú)庵胁豢杀苊鈺?huì)存在氧氣，進(jìn)一步促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂裂紋萌生及擴(kuò)展。

綜上所述，該氣舉閥斷裂滿足應(yīng)力腐蝕開裂的基本條件，其失效機(jī)理為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。此外，該斷裂氣舉閥內(nèi)表面加工精度較低對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂起到一定促進(jìn)作用。

3 結(jié) 論

1)氣舉閥內(nèi)表面存在大量裂紋，其斷裂及內(nèi)表面裂紋產(chǎn)生原因?yàn)槁然飸?yīng)力腐蝕開裂，氣舉閥內(nèi)表面存在的加工刀痕對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂起到一定促進(jìn)作用。

2)高壓高速氮?dú)馔ㄟ^(guò)第一、二級(jí)氣舉閥進(jìn)行氣舉誘噴作業(yè)，使得氣舉閥在含氯及含氧腐蝕介質(zhì)的沖刷下產(chǎn)生了嚴(yán)重沖蝕，是氣舉閥腐蝕的主要原因。

3)該氣舉閥表面加工精度較低、存在應(yīng)力集中，建議加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量管理，機(jī)械加工過(guò)程中嚴(yán)格控制表面精度。

[1] 布朗.KE舉升法采油工藝:卷二(上)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1987:604-608

[2] 楊川東.采氣工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,1997:161-165.

[3] 杜 洋,徐曉峰,李 莉,等.氣舉閥氣舉工藝在川西深井的應(yīng)用 [J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,18(3):82-85

[4] 左景伊.應(yīng)力腐蝕破裂[M].西安: 西安交通大學(xué)出版社,1985:5-20.

[5] 劉春江,姜 濤,劉新靈,等. 應(yīng)力腐蝕機(jī)理和基于FEM的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬技術(shù)的研究進(jìn)展[J].失效分析與預(yù)防,2016,11(2):111-115.

[6] 褚武揚(yáng),谷 飚,高克瑋.應(yīng)力腐蝕機(jī)理研究的新進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),1995,7(2):97-101.

FractureFailureAnalysisofGasLiftValveinaWellofSangtamuOilfield

SHENJianxin1，SHANQuansheng1，ZHOUHuaiguang1，SUNYuguo1，LONGYan2

(1.PetroChinaTarimOilfieldCompany，Korla,Xinjiang841000,China；2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi′an，Shaanxi710077，China)

Macroscopic examination, size measurement, chemical composition analysis, corrosion product analysis and metallographic examination were used to investigate the reasons for the fractured gas lift valve in a well of Sangtamu oilfield. The results indicated that the gas lift valve has suffered severe erosion under the erosion of chlorine and oxygen corrosion medium during the gas lift induced flow. The crack propagation was promoted by machining marks because of low machining accuracy and the cracking of the gas lift valve was a kind of stress corrosion cracking in chlorine corrosive environment.

gas lift valve; fracture; stress corrosion; failure analysis

沈建新，男，1970年生，高級(jí)工程師，博士研究生，2012年博士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)，目前主要從事采油工程技術(shù)管理工作。E-mail:shenjianxin-tlm@petrochina.com

TE28

A

2096-0077(2017)05-0054-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.014

2017-07-20編輯馬小芳)