摘 要:某西部油田高溫高壓氣井連續(xù)油管在下井過程中發(fā)生斷裂,采用宏觀觀察、無損探傷、 化學成分分析、力學性能試驗、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法,分析了連續(xù)油管斷裂的原 因。結果表明:該連續(xù)油管在下井過程中,管壁發(fā)生結臘,連續(xù)油管受到壓縮載荷,導致下井受阻, 當壓縮載荷超過材料屈服強度后,連續(xù)油管發(fā)生壓縮變形,隨后發(fā)生斷裂。

關鍵詞:連續(xù)油管;斷裂;失效分析

中圖分類號:TG115 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)01-0018-05。

20世紀60年代初,連續(xù)管技術開始應用于石 油工業(yè),因連續(xù)管作業(yè)機移動方便、作業(yè)成本低等優(yōu) 點,已被廣泛應用于側鉆井、完井、修井和集輸?shù)茸?業(yè)中[1-5]。目前,國內(nèi)連續(xù)管技術還不夠成熟,因油 管服役環(huán)境惡劣,受力情況復雜,連續(xù)油管失效形式 多種多樣[6],失效的主要原因有腐蝕、疲勞、操作不 當?shù)萚7-9]。

2017年10月,某西部油田高溫高壓氣井在進 行連續(xù)油管(材料為 CT110鋼)替液作業(yè)時,泵入密 度為1.13g/cm 3 的 有 機 鹽 完 井 液,泵 壓 為 50~ 63MPa,排量為60~160L/min,當連續(xù)油管下至 井深576m 時,有液體從注入頭處滲出,在立即停 泵并增大防噴盒系統(tǒng)壓力后仍然無法阻止液體滲 出,迅速通過關卡瓦、半封,卸掉液壓系統(tǒng)壓力。對 注入頭進行檢查發(fā)現(xiàn),連續(xù)油管管體在防噴盒鏈條 中上部發(fā)生斷裂,上下管體錯位,重疊段長度約為 1m,斷裂位置見圖1。

筆者通 過 宏 觀 觀 察、無 損 探 傷、化 學 成 分 分 析、拉伸試 驗、硬 度 試 驗、擴 口 試 驗、壓 扁 試 驗、金 相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法,對該連續(xù)油 管的斷裂原 因 進 行 分 析,以 預 防 此 類 事 故 的 再 次 發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂連續(xù)油管上、下側管段的宏觀形貌如圖2 所示,兩節(jié)連續(xù)油管管段外表面光滑,無腐蝕痕跡; 下側管段有一處被折斷,據(jù)現(xiàn)場了解,這是連續(xù)油管發(fā)生斷裂后,為防止連續(xù)油管落井,關閉防噴器時夾 傷所致。

如圖3所示,上側管段斷口側面未見變形,無明 顯頸縮現(xiàn)象,斷口附近可見輕微損傷痕跡;斷口表面 輕微脹大,大部分區(qū)域受到損壞,局部區(qū)域斷面平 坦,表面呈輕微金屬色,無明顯剪切唇。

1.2 無損探傷

根據(jù) NB/T47013.4-2015《承壓設備無損檢測 第4部分:磁粉檢測 PPT》標準,采用 CJZ-212E 型 磁軛設備,對斷裂連續(xù)油管外表面進行磁粉探傷檢 測。如圖4所示,該斷裂連續(xù)油管上、下側管段外表 面未發(fā)現(xiàn)裂紋。

1.3 化學成分分析

分別從斷裂連續(xù)油管上側和下側管段上截取試 樣,根據(jù) ASTM A751-14a《鋼產(chǎn)品化學分析的試驗 方法、規(guī)程和術語》標準,采用 ARL4460型直讀光 譜儀進行化學成分分析。由表1可見,連續(xù)油管上、 下側管段的化學成分均滿足 SY/T6895-2012《連續(xù)油管》標準對 CT110鋼的技術要求。

1.4 力學性能試驗

1.4.1 拉伸試驗

根據(jù) ASTM A370-17《鋼產(chǎn)品力學性能試驗的 標準試驗方法和定義》,在斷裂連續(xù)油管上側管段截 取 縱 向 拉 伸 試 樣 ,拉 伸 試 樣 尺 寸 為?44.5mm×3.68mm×50 mm。由表2可見,連續(xù)油管上側管 段的屈服強度略低于 SY/T6895-2012標準對求 CT110鋼要求的下限值。由圖5可見,連續(xù)油管拉 伸斷口呈傾斜狀,可見明顯頸縮現(xiàn)象,斷口表面主要 呈現(xiàn)剪切唇形貌。

1.4.2 硬度試驗

在連 續(xù) 油 管 上 側 管 段 截 取 環(huán) 形 試 樣,根 據(jù) ASTM E18-17《金屬材料洛氏硬度標準試驗方法》, 采用 BH3000型硬度測量系統(tǒng)進行硬度測試,測量 位置如圖6所示。由表3可見,斷裂連續(xù)油管上側管段的硬度滿足 SY/T6895-2012標準對 CT110 鋼的要求。

1.4.3 擴口試驗

分別在斷裂連續(xù)油管上側和下側管段截取擴口 試樣,試樣尺寸為?44.5mm×3.68mm×50mm, 根 據(jù) ASTM A450/A450M-21 Standard SpecificationforGeneralRequirementsforCarbon and Low Alloy Steel Tubes 標 準,采 用 UHF500KNI型試驗設備進行擴口試驗,結果見表4,未 發(fā)現(xiàn)連續(xù)油管表面有裂紋萌生。

1.4.4 壓扁試驗

在斷裂連續(xù)油管下側管段截取壓扁試樣,試樣 尺寸為?44.5mm×3.68mm×70mm,依據(jù) GB/T 246-2007《金 屬 管 壓 扁 試 驗 方 法 》,采 用 UHF500KNI型壓扁試驗設備進行壓扁試驗,測量結果 見表5,未發(fā)現(xiàn)連續(xù)油管下側管段表面有裂紋萌生 (表5中D 為連續(xù)油管外徑)。

1.5 金相檢驗

分別在斷裂連續(xù)油管上、下側管段截取試樣,根 據(jù) ASTM E3-11-2011《金 相 試 樣 的 制 備 標 準》、 ASTM E45-13《夾雜物分析標準》及 ASTM E112-13-2013《測定平均晶粒度的標準試驗方法》,采用 MEF4M 型金相顯微鏡、圖像分析系統(tǒng)和 OLS4100 型激光共聚焦顯微鏡分別進行顯微組織觀察、晶粒 度分析及非金屬夾雜物分析。由表6和圖7可見: 斷裂連續(xù)油管上、下側管段的顯微組織未見異常,均 為粒狀 貝 氏 體 組 織;晶 粒 度 為 12.0 級,晶 粒 度 無 異常。

1.6 斷口分析

將斷裂連續(xù)油管上側管段斷口用酒精超聲清洗 后,采用 TESCAN VEGA Ⅱ型掃描電鏡(SEM)進 行斷口形貌觀察。由圖8可見:該連續(xù)油管斷口未 見頸縮現(xiàn)象,呈現(xiàn)明顯擠壓形貌;將圖8a)中方框處 放大觀察發(fā)現(xiàn),起裂區(qū)域管體外表面呈明顯的撕裂 特征,見圖8b)中箭頭處,為斷口的裂紋源區(qū),從撕 裂區(qū)向內(nèi)表面過渡的擴展區(qū)可見明顯的平臺區(qū),平 臺區(qū)外靠近內(nèi)表面為剪切瞬斷區(qū);裂紋源區(qū)及擴展 區(qū)均呈擠壓形成的拉長狀韌窩形貌。

采用能譜儀(EDS)對斷口裂紋源區(qū)及擴展區(qū)進 行分析。如圖9所示,其表面主要含有碳、氧、鐵元 素,未發(fā)現(xiàn)硫、氯等井下腐蝕性元素,說明該連續(xù)油 管未發(fā)生明顯的腐蝕。

2 分析與討論

該斷裂連續(xù)油管屬于 Cr-Mo低合金鋼,其化學 成分符合標準 SY/T6895-2012的技術要求。連 續(xù)油管顯微組織為粒狀貝氏體,晶粒度無異常。壓 扁和擴 口 試 驗 后 油 管 表 面 均 未 出 現(xiàn) 裂 紋,符 合 SY/T6895-2012的技術要求。連續(xù)油管硬度低 于30HRC,符合標準 SY/T6895-2012要求。拉 伸試驗中試樣取自斷裂連續(xù)油管,而 SY/T6895- 2012標準要求拉伸試樣取自連續(xù)油管斷裂之前,故 拉伸試驗結果僅供參考。綜上所述,該連續(xù)油管斷 裂與其材質無關。

根據(jù)連續(xù)油管斷裂形貌及服役工況,對其斷裂 原因進行進一步分析。連續(xù)油管斷口平齊,整體無 明顯頸縮變形,呈輕微“脹大”形貌,且斷口表面未見 明顯剪切唇。連續(xù)油管拉伸試樣斷口呈傾斜狀,可 見明顯頸縮現(xiàn)象,斷口表面主要呈現(xiàn)剪切唇形貌。 由此可以推斷,該連續(xù)油管斷裂時與拉伸試驗斷裂 時所承受的載荷完全不同。該斷裂連續(xù)管斷口起裂 于外表面撕裂區(qū)域,裂紋源區(qū)及擴展區(qū)均呈現(xiàn)擠壓 形成的拉長狀韌窩形貌,斷口附近管體外表面可見 明顯的擠壓損傷痕跡,并延伸至斷口區(qū)域。此外,斷 口表面未檢測到硫、氯等腐蝕性元素,可進一步排除 環(huán)境腐蝕導致連續(xù)油管斷裂的可能性。

連續(xù)油管在下至井深576m 時,其軸向拉伸載 荷約為44.32MPa,該載荷遠低于連續(xù)油管的屈服 強度。同時,根據(jù)現(xiàn)場調研得知,連續(xù)油管斷裂后, 其斷口以下的連續(xù)油管無明顯落井現(xiàn)象,由此可以 確定,該連續(xù)油管斷裂并非拉伸載荷所致。

根據(jù)現(xiàn)場了解,該井含凝析氣藏,井筒內(nèi)含有一 定的蠟,并且,連續(xù)油管斷口表面可見大量被擠壓的 韌窩棱,說明在連續(xù)油管下井過程中,管壁發(fā)生結 臘,連續(xù)油管受到壓縮載荷,導致下井受阻,當壓縮載荷超過材料屈服強度后,連續(xù)油管發(fā)生壓縮變形, 隨后發(fā)生斷裂。

3 結論與建議

(1)該連續(xù)油管斷裂的原因是:連續(xù)油管在下 井過程中,管壁發(fā)生結臘,導致下井受阻,連續(xù)油管 受到壓縮載荷,當壓縮載荷超過材料屈服強度后,連 續(xù)油管發(fā)生壓縮變形,使其發(fā)生斷裂。

(2)建議加強現(xiàn)場作業(yè)過程監(jiān)控,防止此類事 件發(fā)生。

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<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 1期 (pp:18-22)>