油管是油井中的重要部件,總是在非常復(fù)雜的應(yīng)力和腐蝕條件下服役,油管失效經(jīng)常發(fā)生并造成巨大損失。引起油管斷裂的原因是多種多樣的[1-6],斷裂形式也是各不相同[7-8]。某油管服役于井深8 360 m的垂鉆井。該油管于2018年12月試油生產(chǎn),2020年6月識別出井深2 860.6 m處套管發(fā)生泄漏,暫堵酸壓后開井生產(chǎn)。2020年12月檢測發(fā)現(xiàn)井深2 862.8 m接箍處油管發(fā)生斷脫落井,斷裂油管上還有一直徑40 mm左右的孔。油井中其他油管均無腐蝕和斷裂現(xiàn)象發(fā)生。為明確油管穿孔和斷裂的原因,取失效油管進(jìn)行材料評價(jià)和載荷分析,以避免類似事故再次發(fā)生。 

1.   服役工況

通常油管斷裂失效與服役環(huán)境及歷程、材料、載荷等因素相關(guān)。首先,對失效油管服役工況與歷程進(jìn)行調(diào)研分析。穿孔斷裂的油管位于井深2 862.8 m,材料為P110S鋼,規(guī)格為?88.9 mm TP-JC ×6.45 mm。油管實(shí)際服役壓力為19~55 MPa；服役溫度為80~83 ℃。油管主要經(jīng)歷了自噴、氣舉、注水、暫堵酸壓、注水等工藝流程。在自噴流程中,油管介質(zhì)主要有天然氣和流體(生產(chǎn)水等)。天然氣中含有1.55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CO2和19 367.03 mg/m3 H2S；產(chǎn)出水中含56 665.1 mg/L氯離子。由于該井為評價(jià)井,服役過程中油壓和套壓變化波動(dòng)較大,因此取4種典型工況進(jìn)行分析,如表1所示。由表1可以看出,該油井的產(chǎn)量、井口溫度、壓力變化較大。 

2.   理化檢驗(yàn)與結(jié)果

2.1   開裂特征分析

失效油管在距上節(jié)箍2.42 m處發(fā)生斷裂。由圖1可見：斷口形狀不規(guī)則,有縮徑現(xiàn)象,縮徑后最小內(nèi)徑為82 mm,周圍有偏磨跡象,距節(jié)箍1.69 m處有一圓形孔(直徑為40 mm),距圓孔100 mm處有偏磨跡象,穿孔處最小縮徑至84 mm；失效油管原始壁厚為6.45 mm,斷口處可見明顯減薄現(xiàn)象,斷口處測量的最小壁厚為0.5 mm,最大壁厚也僅為4.12 mm,穿孔周圍管壁也明顯減薄；斷口位置呈45°斷面,為典型韌性拉斷形貌。 

圖  1  油管斷裂和穿孔照片

Figure  1.  Photos of fracture (a) and perforation (b) of oil tubing

油管表面的腐蝕產(chǎn)物較薄,打磨掉表面的腐蝕產(chǎn)物層后,可觀察到油管表面沒有明顯的腐蝕形貌。管線內(nèi)部有輕微腐蝕,無嚴(yán)重的局部腐蝕特征。 

2.2   材料分析

對送檢油管進(jìn)行化學(xué)成分分析。結(jié)果表明,該油管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：0.28% C, 1.07% Cr, 0.0815% Cu, 0.462% Mn, 0.771% Mo, 0.104% Ni, 0.0142% P, 0.0031% S, 0.358% Si,余量為Fe。其中,硫含量超出標(biāo)準(zhǔn)要求(控制0.003 0%以內(nèi))。硫含量的增加會提高材料熱加工時(shí)的熱脆性,降低材料的塑性,但不會直接導(dǎo)致油管穿孔失效。 

按照GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對油管進(jìn)行拉伸性能測試。結(jié)果表明,其抗拉強(qiáng)度為862.3 MPa,屈服強(qiáng)度為803 MPa,斷后伸長率為19.67%。采用HRS-150型洛氏硬度計(jì)對油管進(jìn)行硬度測試,將油管截面分為四個(gè)象限,每個(gè)象限測試9個(gè)點(diǎn),內(nèi)中外各3個(gè)點(diǎn)。結(jié)果表明,油管平均硬度為26.8 HRC。該油管的拉伸性能和硬度均符合API SPEC 5CT-2011標(biāo)準(zhǔn)要求。 

為分析管件的顯微組織,從送檢油管上取10 mm×10 mm×10 mm的試樣。試樣經(jīng)水砂紙逐級(360號至2000號)打磨并拋光后,參照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》,在金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察,結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出,失效油管的顯微組織為典型的回火索氏體。 

圖  2  失效油管的顯微組織

Figure  2.  Microstructure of failed oil tubing

3.   開裂原因分析

對失效油管的化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織分析結(jié)果可知,導(dǎo)致油管斷裂和穿孔的主要原因不是材料因素。 

油管斷裂處一側(cè)呈45°斷口,為典型韌性拉斷形貌,另一側(cè)發(fā)生明顯減薄。由此判斷油管在減薄穿孔后,受拉應(yīng)力作用發(fā)生韌性斷裂。穿孔周圍管壁也明顯減薄,油管外表面及內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物較少,去除腐蝕產(chǎn)物后,表面有輕微腐蝕形貌,在斷口及穿孔部位附近也未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕形貌,且據(jù)現(xiàn)場反饋,該失效油管以上油管皆未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕,推斷油管斷裂和穿孔不是由于腐蝕引起的。從斷裂和穿孔形貌特征可以看出,油管存在偏磨的跡象,因此推測油管受到載荷作用,與套管接觸并發(fā)生摩擦,最終發(fā)生穿孔斷裂。以下將分別在油管屈曲和套管泄漏兩種情況下對油管進(jìn)行載荷計(jì)算。 

油管上部掛于井口,下部與封隔器固定連接,兩端均受到固定約束。當(dāng)油管底部受軸向壓力且所受壓力超過油管臨界載荷時(shí),油管將發(fā)生屈曲變形[9-10],當(dāng)變形量足夠大時(shí),油管將與套管接觸,從而發(fā)生摩擦,變形量最大的部位是中性點(diǎn)附近。根據(jù)油氣井管柱受力情況,定義等效軸向力為0 N處為中性點(diǎn)位置,且單根管柱上軸向力分布呈線性,計(jì)算油管柱中性點(diǎn)時(shí),僅需考慮井口至封隔器間的油管柱,故本次計(jì)算中油管柱長度為0~5 491.93 m。 

入井P110S油管規(guī)格有兩種：直徑88.9 mm,壁厚9.52 mm；直徑88.9 mm壁厚6.45 mm。兩種規(guī)格的油管分別下深1 695 m和5 455 m。油管服役過程受到活塞效應(yīng)、膨脹效應(yīng)、溫度效應(yīng)作用,式(1)~(4)分別為活塞效應(yīng)、膨脹效應(yīng)、溫度效應(yīng)導(dǎo)致油管伸長量變化的計(jì)算方法。 

活塞效應(yīng)： 

式中：Fv為變徑處活塞力；Δpo為兩不同管徑油管的外壓差；Δpi為兩種油管的內(nèi)壓差；Ao2、Ao1分別為兩種油管的外徑面積；Ai2、Ai1分別為兩種油管的內(nèi)徑面積；ΔL為油管伸長量；L為油管長度；E為彈性模量。 

膨脹效應(yīng)： 

式中：ν為泊松比；R為油管內(nèi)外徑之比。 

溫度效應(yīng)： 

式中：α為熱膨脹系數(shù)；Δt為完井和生產(chǎn)狀態(tài)的溫度差。 

考慮油管柱自身的重力、浮力、內(nèi)壓載荷、外壓載荷以及由活塞效應(yīng)、膨脹效應(yīng)、溫度效應(yīng)導(dǎo)致的附加軸向力,忽略摩擦力影響,得到不同工況下等效軸向力,如圖3所示。由圖3可見,等效軸向力呈線性分布,判斷中性點(diǎn)落在外徑88.9 mm、內(nèi)徑76 mm的油管上。故通過計(jì)算可得,在生產(chǎn)期間中性點(diǎn)位置在大致在井深3 900~4 900 m處,計(jì)算結(jié)果如表2所示。井深2 860 m左右油管受拉應(yīng)力作用,理論上和套管無摩擦和接觸,所以可以排除油管屈曲導(dǎo)致斷裂穿孔的可能性。 

圖  3  不同工況下等效軸向力沿井深分布

Figure  3.  Distribution of equivalent axial force along with well depth under different working conditions

2020年6月通過噪聲測井可知,在井深2 860 m處套管存在泄漏,漏點(diǎn)附近環(huán)空和地層形成壓差,壓差等效于橫向集中力,使套管和油管接觸。該過程的計(jì)算公式如(5)~(8)所示,接觸分析示意如圖4所示。油管懸重見式(9)。把油管柱重力等效為井口位置施加軸向拉力進(jìn)行簡化計(jì)算,即F1=W。 

圖  4  油管和套管間接觸分析示意

Figure  4.  Schematic diagram of contact analysis between oil tubing and casing

套管漏點(diǎn)處環(huán)空壓力： 

套管漏點(diǎn)處地層壓力： 

漏點(diǎn)處壓差等效于橫向集中力： 

式中：f為地層壓力系數(shù),12.2 kPa/m；ρ為完井液密度,1.2 g/cm3；R為漏點(diǎn)處直徑,5 cm；r為油管半徑,mm；m為油管質(zhì)量,kg；H為漏點(diǎn)處距離井口長度,m。 

油管柱重力： 

式中：m為油管質(zhì)量,kg；kf為浮力系數(shù)。 

基于圖5所示縱橫彎曲理論,在軸向力與橫向力作用下,根據(jù)式(10)計(jì)算油管柱在套管漏點(diǎn)處撓度。其中,軸向拉力F1可簡化為油管柱重力W。 

式中：I為截面慣性矩,m4；ω為撓度,m；l為油管長度,m；c為漏點(diǎn)處到井底的距離,m。 

圖  5  縱橫彎曲理論受力示意

Figure  5.  Schematic diagram of theoretical stress in vertical and horizontal bending

針對該微分方程求解,其通解為 

根據(jù)邊界條件：兩端撓度等于0,且兩端轉(zhuǎn)角相等,解得撓度曲線解析方程,見式(13)。把x=2 860 m代入該方程即可求得此處油管柱的撓度為1.15 m。 

通過計(jì)算可以得出,失效位置的撓度1.15 m遠(yuǎn)大于環(huán)空間隙0.055 1 m,可見在套管出現(xiàn)漏點(diǎn)時(shí),在壓差作用下,油管將與套管漏點(diǎn)位置緊密接觸。在溫度效應(yīng)、膨脹效應(yīng)、活塞效應(yīng)導(dǎo)致的附加應(yīng)力作用下,油管上下移動(dòng),不斷磨損,最終穿孔、斷裂。 

4.   結(jié)論與建議

由失效油管的化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織分析結(jié)果可知,導(dǎo)致油管斷裂和穿孔的主要原因不是材料因素。從失效油管的斷裂形貌呈典型韌性拉斷特征推斷,油管斷裂和穿孔不是由于腐蝕引起的。通過載荷計(jì)算可知,在斷裂油管附近套管出現(xiàn)漏點(diǎn)時(shí),環(huán)空壓力和地層形成壓差,油管在壓差作用下與套管接觸。在附加應(yīng)力作用下,油管上下移動(dòng),不斷磨損,最終穿孔斷裂。為防止此類事故再次發(fā)生,提出以下建議：加強(qiáng)材料成分控制；檢查斷裂油管附近及其他套管泄漏位置附近油管,若油管出現(xiàn)磨損應(yīng)及時(shí)更換；加強(qiáng)測井及日常檢測,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)