某油井壓裂用油管爆裂失效分析

汪瑞 李少華

摘 ? ? ?要：某井在壓裂投產(chǎn)施工過(guò)程中，使用的Φ88.9 mm×6.45 mmN80外加厚油管出現(xiàn)油管管體爆裂事故，為了分析油管管體爆裂的原因，通過(guò)油管的理化性能和力學(xué)性能，結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工的情況，對(duì)該井油管斷裂原因進(jìn)行綜合分析。結(jié)論為：爆裂的油管化學(xué)成分和力學(xué)性能符合APISpec5CT要求，爆裂的原因是有關(guān)材料性能不能滿足實(shí)際服役條件，在薄弱處爆裂。

關(guān) ?鍵 ?詞：壓裂;油管;斷裂;失效分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TE357.1+4 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）04-0638-04

Abstract： In the process of fracturing operation in a well， a bursting accident occurred in the tubing body of 88.9mm ×6.45mm N80 external upset tubing. In order to analyze the reasons for the bursting of tubing body， the physical and chemical properties and mechanical properties of tubing were analyzed， and the reasons for tubing fracture in the well were comprehensively analyzed combined with the field fracturing operation. The results showed that the chemical composition and mechanical properties of the burst tubing met the requirements of APISpec5CT. The reason for the burst was that the properties of the related materials did not meet the actual service conditions and the bursting accident occurred at the weak points.

Key words： Fracturing; Tubing; Fracture; Failure analysis

1 ?事故概況

2018年8月28日，該井第一次壓裂未成后，起出油管后發(fā)現(xiàn)油管掛下面第一根油管被高壓液體爆裂。爆裂的油管為Φ88.9 mm×6.45 mm N80外加厚油管，為油管柱的井口第1根，斷裂部位距離接箍端面約為700～750 mm，處于這根油管的下部，是整個(gè)油管柱的最上部，壓裂管柱圖如圖1所示。

油管爆裂壓裂施工過(guò)程整體如下：2018-8- 2810：50開(kāi)始反洗井，第一臺(tái)泵車(chē)開(kāi)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，排量為1.1 m3/min，井口開(kāi)始返出液體，設(shè)備良好正常，泵壓顯示5 MPa;根據(jù)設(shè)計(jì)排量要求2.6 m3/min，開(kāi)啟第二臺(tái)壓裂車(chē)，排量逐步增加到1.5 m3/min，壓力突然迅速上升（感覺(jué)撞墻），施工人員立即關(guān)停第二臺(tái)泵車(chē)，觀察壓力變化，壓力有52 MPa下降至43 MPa，隨后又繼續(xù)上升，因壓力異常，施工人員立即將所有泵車(chē)關(guān)停，此時(shí)井口施工人員發(fā)現(xiàn)，油管出口有大量黑色液體混合物噴出，施工壓力出現(xiàn)直線下降的狀態(tài)。壓力降低之后再次啟動(dòng)壓裂車(chē)，壓力控制在2～3 MPa范圍之間，施工排量按照設(shè)計(jì)要求調(diào)整為2.3 m3/min，壓力平穩(wěn)維持在2.5 MPa上下，井口出液正常，11：08時(shí)試壓反洗結(jié)束，車(chē)組停泵，準(zhǔn)備壓裂施工。之后在進(jìn)行的壓裂施工加砂的工序過(guò)程中，油管壓力顯示異常，28日下午起出油管后發(fā)現(xiàn)，第一根油管爆裂。

出現(xiàn)油管爆裂事故之后，制定檢測(cè)方案，從現(xiàn)場(chǎng)取爆裂油管及同批壓力用油管一根共同送至管材研究所，編號(hào)分別為1號(hào)（爆裂油管）和2號(hào)（正常油管）。

2 ?宏觀裂口分析

油管管體爆裂的裂口為條狀窄縫形狀，中間最大開(kāi)口為19 mm，且裂口處明顯有外鼓特征，說(shuō)明油管管體是由于內(nèi)壓過(guò)大導(dǎo)致管體被撐破。裂紋是從裂縫中間率先開(kāi)始出現(xiàn)裂口，而后，管體的破裂力沿著油管軸向方向傳遞，形成了裂縫，而最先的破裂點(diǎn)由于繼續(xù)受到管體內(nèi)部高壓流體的沖擊，則向兩邊繼續(xù)張開(kāi)，但由于高壓流體在出現(xiàn)泄壓點(diǎn)之后的壓力急劇下降，且與油套環(huán)空形成統(tǒng)一壓力體系[1]，因此，對(duì)油管裂口的擴(kuò)展有抑制作用。最終油管的裂縫形成了延油管軸向走像的開(kāi)口形狀[2]。

3 ?失效油管材質(zhì)分析

3.1化學(xué)成分分析

在失效油管上取樣進(jìn)行化學(xué)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

化學(xué)成分分析表明，破裂油管和所送油管化學(xué)成分符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 ?機(jī)械實(shí)驗(yàn)

在破裂油管管體上分別取規(guī)格為19.1 mm×50 mm的矩形板狀材料作為試樣，進(jìn)行縱向拉伸，5.0 mm×10 mm×55 mm的縱向夏比V型缺口沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)溫度為0 ℃[3]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，破裂油管和所送油管管體縱向拉伸性能均符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求，由于API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)沖擊功和硬度均無(wú)要求，所測(cè)值僅供參考。

3.3 ?金相分析

在破裂油管裂口部位取金相試樣進(jìn)行金相組織分析[4]，按照ASTME45方法A及ASTM E112直接對(duì)比法對(duì)夾雜物和晶粒度進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見(jiàn)表3。

4 ?實(shí)物性能試驗(yàn)

4.1 ?拉伸至失效

對(duì)1號(hào)試樣進(jìn)行拉伸至失效試驗(yàn)，試驗(yàn)在復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)方法參考API RP 5C5的有關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果如下：

1號(hào)試樣在拉伸載荷達(dá)到1 453.7 kN（326.8kips）時(shí)，油管被拉斷。由API TR 5C3知Φ88.9 mm×6.45 mmN80外加厚油管管體的最低抗拉強(qiáng)度為922.04 kN[6]，據(jù)此可知，這樣油管管體實(shí)物抗拉強(qiáng)度滿足API TR 5C3標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 ?擠毀試驗(yàn)

對(duì)2號(hào)試樣進(jìn)行擠毀試驗(yàn)，試驗(yàn)在外壓擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，注入水量為15.1 L，試驗(yàn)溫度為室溫，實(shí)驗(yàn)方法參考API RP 5C5的有關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果如下：

2號(hào)試樣在外壓力為70.1 MPa條件下，管體發(fā)生擠毀失效。擠毀試驗(yàn)壓力事件曲線如圖2所示。

由API TR 5C3知Φ88.9 mm×6.45 mm N80外加厚油管管體的擠毀強(qiáng)度為72.6 MPa，據(jù)此可知，這樣油管管體實(shí)物抗拉強(qiáng)度不滿足API TR 5C3標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 ?破裂原因分析

破裂油管及送樣油管材質(zhì)理化性能符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

從對(duì)破裂油管破裂口的裂紋宏觀和微觀的分析結(jié)果來(lái)看，油管破裂屬于脆性破裂失效。

金相分析的結(jié)果表明，試樣內(nèi)表面有裂紋及腐蝕坑，裂紋及腐蝕坑內(nèi)填滿灰色腐蝕產(chǎn)物，裂紋周?chē)M織有變形流線，且晶粒呈現(xiàn)出不聯(lián)系狀態(tài)，這種不連續(xù)與油管受到外力傷害作用有關(guān)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的壓裂數(shù)據(jù)可以看出，油管在極高的內(nèi)壓（接近90 MPa）情況下進(jìn)行注入作業(yè)，隨后又進(jìn)行反洗作業(yè)，在作業(yè)的過(guò)程中，發(fā)生了井下堵塞事故，造成了油管的內(nèi)部不斷憋壓，而環(huán)空壓力一直在較小的范圍內(nèi)維持平衡，最終油管內(nèi)部受到擠毀壓力遠(yuǎn)大于油套環(huán)空的平衡壓力，在此時(shí)的第一根油管承受的拉力在整個(gè)油管柱是最大的，加上油管本身的使用性能不能滿足這種苛刻的工況條件，因此發(fā)生了爆裂。

根據(jù)ISO TR10400及API Bul 5C3，油管在軸向拉應(yīng)力作用下額定的破壞壓力要降低[8]，其計(jì)算公示如下：

式中： Pca—在軸向拉應(yīng)力Sa的作用下的破壞壓力，kPa;

Pco—無(wú)軸向力（Sa=0）是的破壞壓力，kPa;

Sa—油管所受軸向應(yīng)力，kPa;

Yp—管體的屈服強(qiáng)度，kPa。

對(duì)不同軸向拉力作用下的油管抗擠毀屈服強(qiáng)度采用公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

油管破裂的原因可能是壓裂作業(yè)時(shí)，油管在平衡壓力補(bǔ)充不足時(shí)，油管內(nèi)部的剛性流體不斷增壓，油管內(nèi)部晶體不連續(xù)處首先成為破壞力突破點(diǎn)，形成薄弱點(diǎn)，之后更大的內(nèi)壓從該點(diǎn)繼續(xù)作用，瞬間突破，導(dǎo)致油管破裂，壓裂失敗。

本次計(jì)算結(jié)果也可以用來(lái)證明對(duì)于外壓擠毀值小于API TR 5C3標(biāo)準(zhǔn)要求，由于進(jìn)行擠毀試驗(yàn)的油管為現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)的油管，管體本身或多或少存在一定的變形[9]，因此會(huì)造成油管承受的擠毀能力減小。

建議今后在進(jìn)行壓裂油管采購(gòu)時(shí)，甲方簽訂訂貨補(bǔ)充技術(shù)要求，對(duì)油管質(zhì)量加以控制，避免出現(xiàn)油管的失效問(wèn)題。

6 ?結(jié)論和建議

（1）失效油管化學(xué)成分，力學(xué)性能符合API TR 5C3標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）油管破裂屬于脆性損壞。

（3）油管破裂的主要原因，是由于油管內(nèi)部壓力過(guò)大，而油套環(huán)空提供的平衡壓力過(guò)小，導(dǎo)致了在徑向上管體所受單向壓力過(guò)大，于是在薄弱點(diǎn)處被突破破壞。

（4）建議今后甲方訂貨時(shí)應(yīng)考慮油管的實(shí)際服役環(huán)境，另簽訂補(bǔ)充技術(shù)要求。

（5）雖然標(biāo)準(zhǔn)對(duì)N80鋼級(jí)1類(lèi)油管沒(méi)有沖擊韌性要求，但仍建議廠家進(jìn)一步提高材料韌性。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭建春，趙志紅，趙金洲，等.水平井投球分段壓裂技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].石油鉆釆工藝，2009， 31 （6）： 86-89.

[2]陳作，王振鐸，鄭偉.水力噴砂分段壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工[J].石油鉆采工藝，2010，32 （3）： 72-75.

[3]李宗田.水平井壓裂技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].石油鉆釆工藝，2009，31（6）： 13-18.

[4]范子菲，方宏長(zhǎng).裂縫性油藏水平井穩(wěn)態(tài)解產(chǎn)能公式研究[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，1996，23（3）： 52-57.

[5]岳建偉、段永剛，等：，含多條垂直裂縫的壓裂氣井產(chǎn)能研究[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2004，23（6） ：46-48.

[6]李廷禮，李春蘭.低滲透油藏壓裂水平井產(chǎn)能計(jì)算新方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，30（2）： 48-52.

[7]馮曦，鐘孚勛，羅濤.低滲透致密儲(chǔ)層氣井試井模型研究[J].天然氣工業(yè)，1998，18（1） ： 56-59.

[8]王曉泉， 張守良， 吳奇， 等. 水平井分段壓裂多段裂縫產(chǎn)能影響因素分析[J]. 石油鉆采工藝， 2009，31（1） ： 73-77.

[9]孫良田， 孫宜建， 黃志文， 等. 低滲透油氣藏水平井壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2009，24 （3） ： 45-50.