套管失效案例及控制技術研究

李　超，陳長青，劉文紅，李德偉

（1.渤海石油裝備第一機械廠，河北青縣062658；2.中國石油集團石油管工程技術研究院石油管工程重點實驗室，西安710077；3.華油一機抽油機有限公司，河北青縣062658）①

套管失效案例及控制技術研究

李超1，陳長青1，劉文紅2，李德偉3

（1.渤海石油裝備第一機械廠，河北青縣062658；2.中國石油集團石油管工程技術研究院石油管工程重點實驗室，西安710077；3.華油一機抽油機有限公司，河北青縣062658）①

通過對近年來典型套管失效的統計分析，闡述了套管失效的現狀、模式、原因和失效機理，指出套管失效以斷裂和脫扣為主要模式，同時表明近年來由于套管的質量問題導致的失效事故顯著增加。據此提出了從具體失效分析、對存在疑似缺陷的套管進行適用性評價、開展套管質量控制及其應用技術研究、套管及其管柱的完整性管理等幾個方面入手，開展套管失效控制技術研究，不但可對套管的質量是否滿足相關標準要求進行判斷，還可對不符合標準要求套管的使用范圍進行規范，從而保證油田選好用好套管，減少套管的失效。

套管；失效模式；失效分析；失效控制；適用性評價；完整性管理

套管是石油行業中重要的物資和器材，而且用量很大，在整個建井成本中平均占25%左右［1］。套管及其管柱失效將導致整個管柱不能正常生產，甚至整口井報廢。

近年來，隨著油氣勘探開發的快速發展和鉆采新工藝、新技術的應用，對套管的質量和性能提出了更高的要求，而套管的質量和性能不能很好地滿足油氣田勘探開發需求，與油氣勘探開發需求之間產生了較大的矛盾；加之在套管質量控制方面存在一些薄弱環節，一些質量和性能不合格的套管產品流入油氣田，由此引發一些由于質量引起的失效事故，對油氣田的正常生產帶來了不利影響，也會產生一些安全隱患。例如，某油田2008年至今就發生長圓螺紋套管接頭滑脫事故20余起以上，接頭上扣過程中發生粘扣40余起，給油田生產造成了很大的經濟損失。

通過對自2007年以來典型套管失效的統計分析，闡述了套管及其管柱失效的現狀、失效模式、失效原因和失效機理，指出斷裂、脫扣、粘扣、螺紋泄漏以及腐蝕是幾種經常遇到的套管失效模式，且套管失效以斷裂和脫扣為主要模式。通過統計分析以及典型套管失效分析表明，近年來由套管的質量問題導致的失效事故顯著增加。據此提出了從具體失效分析、對存在疑似缺陷的套管進行適用性評價、開展套管質量控制及其應用技術研究、套管及其管柱的完整性管理等幾個方面入手，開展套管失效控制技術研究。不但可對套管的質量是否滿足相關標準要求進行判斷，還可對不符合標準要求的套管的使用范圍進行規范。從而明確套管失效機理，選好用好套管以及對套管失效進行預防。

本文所討論的套管失效主要針對鉆井和完井過程中所發生的失效案例和分析，不包括油氣開采以及開發過程中及任何增產和作業措施造成的套管損壞。

1　套管失效模式及失效項目統計分析

1.1 套管失效模式

有學者將油井管的失效模式用脫、漏、粘、擠、破、裂、磨、蝕8個字概括，也有學者將套管失效模式劃分為掉井失效、固井失效、接箍開裂、粘扣失效、腐蝕磨損失效等［2］。

結合近年來套管失效的模式，為了更好地對套管失效進行歸類，總結其失效的特點和規律，本文在總結和歸納的基礎上，將套管及其管柱的失效模式按照如下模式進行分類：①斷裂，如橫向斷裂、爆裂、螺紋疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂、接箍縱裂；②變形，如擠毀、脫扣；③磨損，如粘扣、管體磨損；④螺紋泄露；⑤腐蝕。通過這種劃分，經常遇到的套管和油管及其管柱的失效模式就可歸類為斷裂、脫扣、粘扣、螺紋泄漏和腐蝕等失效模式。幾種典型失效模式［3］的宏觀形貌如圖1所示。

圖1　幾種典型的套管失效模式

1.2 套管失效項目統計分析

2007—2011年，中國石油集團石油管工程技術研究院（以下簡稱中石油管研院，包括其前身中國石油天然氣集團公司管材研究所）完成34起套管和油管失效分析項目，這些失效數據僅是油田送中石油管研院進行套管和油管失效分析的數據結果統計。送檢的失效套管和油管也只是部分油田發生的套管和油管失效中典型的失效個例，實際失效的數目遠遠大于此數據。雖然只是全國失效事故的少部分，但是由于這些事故對油田造成了較大影響，阻礙了油氣井勘探與生產的發展，所以一定程度反映了近年來我國套管和油管失效的現狀。此項工作的主要目的是期望找到套管和油管失效的規律，從而采取措施盡量減少套管和油管的非正常失效。

近幾年以來，套管和油管失效事故按照油井管鋼級的統計情況如圖2所示，可以看出：J55鋼級失效事故13起，N80鋼級失效事故9起；這2種鋼級套管和油管失效占所有統計失效的65%以上，更高鋼級的套管和油管的失效事故也為數不少。

圖2　套管和油管失效按照鋼級的統計

套管和油管失效部位的統計情況如圖3所示，可以看出：油管螺紋部分的失效占到60%以上，而套管的失效則80%以上與螺紋部位有關，這也說明螺紋部位是套管和油管連接成管柱的薄弱部位，是經常發生失效的地方。

圖3　套管和油管失效的部位

按照螺紋形式進行統計的套管和油管失效情況如圖4所示，可以看出：長圓螺紋套管和油管的失效幾乎占到失效總數的80%；另外，特殊螺紋接頭形式套管和油管的失效也需要注意。

圖4　套管和油管失效按照螺紋形式的統計

套管和油管失效模式的統計情況如圖5所示，可以看出：油管的失效模式以斷裂和磨損（粘扣）為主，這2種失效模式占到油管失效的70%以上；套管的失效模式則以斷裂和形變（脫扣）居多，且這2種失效模式占到套管失效的90%以上。

圖5　套管和油管失效模式的統計

失效原因按照現場操作、產品質量、腐蝕等統計的情況如圖6所示，可以看出：純粹由于產品質量原因引起的失效占到將近50%；另外，與產品質量因素有關的失效原因結合起來，由于產品質量造成的失效原因占到所有失效的60%，必須引起各方面的重視。

圖6　失效原因和失效頻次的相關統計

2　套管失效案例分析

2.1 工廠端脫扣

2010-06，某鉆探工程公司施工的水平井發生177.8mm×10.36mmN80 Q LC套管脫扣失效事故，脫扣套管未能從井下取出。該井實際套管串為177.8mm浮鞋＋177.8mmP110套管×1根＋177.8mm浮箍＋177.8mmP110套管（3019.34～3517.68m）＋177.8 mm N80Q套管（0～3019.34 m）。

進行上卸扣試驗時，一次卸扣后外螺紋粘扣形貌如圖7所示，分析結果表明：套管接箍緊密距參數不合格，螺紋脂選用不當，致使套管螺紋抗粘扣性能較差，連接強度顯著降低。

圖7　進行上卸扣試驗時一次卸扣后外螺紋粘扣形貌

2010-06-27，東北地區某開發直井，在鉆至井深2650m時，下完232根-139.7 mm×7.72 mm J55 LC套管，下深2646.12 m。灌滿泥漿后，開泵環空不返泥漿，經3次上下活動套管后，泥漿返出，泵壓0～4 MPa，泥漿進多出少，停泵觀察環空有外溢。起出套管甩掉注托器時，發生第10根套管起出轉盤面5 m接箍與本體突然脫開，下部套管落井。落井套管223根，長度2544.03 m，魚頂105.97 m。接箍斷面變形形貌以及管體局部大片P組織如圖8所示。

圖8　接箍斷面變形形貌以及管體局部大片P組織

分析結果表明：套管選用不當，套管接箍鏜孔直徑不符合標準要求；接箍承載面寬度過小，導致承載面過早屈服；接箍承載面寬度過小、瞬時提拉載荷過大是導致套管脫扣失效的重要原因。

2.2 現場端脫扣

2010-07，國內某著名套管制造廠生產的139.7mm×7.72mmJ55 LC套管用于某定向井的二開套管，下二開套管作業時套管脫落，此時下井套管170根，套管串長度1 852 m。隨后，上提剩余套管有2根。該套管外螺紋接頭第1～17扣導向面形貌和管體組織如圖9所示。

圖9　外螺紋接頭第1～17扣導向面形貌和管體組織

分析結果表明：套管材料屈服強度偏低，材料組織中有混晶現象，含有少量的WF（魏氏鐵素體）有害組織，晶粒度低（40%3.0級，60%5.0級），試樣現場端外螺紋接頭上扣擰接圈數不足是造成滑脫失效的原因。

套管滑脫事故主要集中于API長圓螺紋接頭，失效的原因有螺紋參數不合格、下放套管速度過快而撞擊井口、螺紋脂選用不當以及螺紋發生粘扣等，這些因素顯著降低了接頭的連接強度［4］。關于API長圓螺紋接頭套管的滑脫問題，經過多年研究證實，螺紋參數及其公差是很重要的影響因素，建議在套管柱拉伸載荷較高時選用API偏梯形螺紋接頭或特殊螺紋接頭。

2.3 套管接箍縱向開裂失效

2009-04，某鋼管公司生產的177.8mm×10.36mmP110 BC套管在某井發生7根套管接箍破裂和脫扣事故。該井在關井期間進行壓力監測，油套環空帶壓，泥漿中有天然氣存在，泥漿漏入244.5mm（9英寸）與177.8mm（7英寸）套管環空，后來起出177.8mm（7英寸）尾管。該套管裂紋源區起裂源位置斷口宏觀形貌和倒角截面凹坑及凹坑內裂紋形貌如圖10所示。

圖10　裂紋源區起裂源位置斷口宏觀形貌和倒角截面凹坑及凹坑內裂紋

分析結果表明：套管接箍材料沖擊韌性不符合API Spec 5CT標準要求，接箍端部倒角機械加工形成凹槽并在底部有裂紋存在，由于應力集中造成從接箍端部倒角處起裂，接箍沖擊韌性低是造成接箍脆性開裂的主要原因。

2.4 套管外螺紋根部斷裂

2007-10，某油田在進行起下鉆桿的防噴演習中，半封閘板防噴器開關正常，在隨后進行鉆進工況的防噴演習時，半封閘板防噴器無法關閉。打開半封閘板側門檢查防噴器時，發現技術套管懸掛器上移1.6 m，阻擋了半封閘板的有效關井。起鉆完，接套管對扣，2次都沒有成功，懸掛器連接螺紋磨平。隨后拆轉盤，甩掉萬能防噴器、閘板防噴器和四通，提出上升的技術套管懸掛器，懸掛器下帶出1根技術套管，技術套管從外螺紋根部斷裂。經過多次打撈，一共撈出斷裂的套管9根和3個接箍。其中，有6根套管從現場端管體外螺紋根部斷開，3根套管從工廠端的管體外螺紋根部斷開，3個接箍內的兩端均有斷裂的管體螺紋。該批套管為某油井管制造公司生產的244.5mm×8.94 mmJ55 LC套管。圖11為失效套管與未使用套管的端面形貌對比及失效套管螺紋根部裂紋特征。

圖11　失效套管與未使用套管的端面形貌對比及失效套管螺紋根部裂紋特征

分析結果表明：失效套管材料組織粗大，屈服強度低于API Spec 5CT標準，在參考API RP 5C5標準進行上卸扣試驗時，經過1次上卸扣后都發生了不同程度的粘扣，螺紋連接強度低于API Bull 5C2中給出的最低連接強度。

2.5 套管管體刺漏失效

某油田在對2011-01交井的某油井進行聲幅檢測時，發現-139.7 mm×9.17 mm P110 LC套管試壓不正常。現場固井施工正常，碰壓15 MPa，經聲幅檢測，人工井底3 323.5m，水泥返深1 610m。對套管柱在20MPa下試壓，穩壓30min后壓降為0。現場發現套管柱有漏失后使用清水對油管試壓，在20MPa壓力下試壓30 min壓力未降低，說明油管未發生漏失。下73mm油管帶PT封隔器于1 663.65m在15MPa壓力下加壓30min，壓力不降，證明水泥返高以下套管無問題，在300.64m以上在5 MPa壓力下反加壓結果壓力不上升，表套出液體，說明油層套管有漏失問題。下73mm油管＋PT封隔器再次找漏，經8次找漏證實漏失發生在149.4m上部套管。圖12為套管刺漏處附近折疊缺陷外表面局部組織及外表面裂紋周圍組織形貌。分析結果表明：套管在下井使用前刺漏部位管體折疊處就已經存在裂紋，剩余壁厚在低的液壓作用下擴展穿透并導致最終的刺漏失效。管體表面折疊缺陷是套管管體發生刺漏失效的主要原因。

圖12　刺漏處附近折疊缺陷外表面局部組織及外表面裂紋周圍組織

3　套管失效控制技術

套管及其管柱失效事故均與產品質量有關，應該引起各方面的注意。所以有必要采取一系列有效措施（譬如制訂套管訂貨技術條件、對套管進行駐廠監造、選擇性能優良的螺紋脂），從套管的質量控制入手，進行套管失效控制技術研究。進行套管及其管柱失效控制技術，主要包括以下內容。

3.1 加強失效分析工作，掌握失效原因與機理

符合API標準訂貨的油井管，生產廠家同樣也按照API標準組織生產，但是到貨后用戶在驗收或者使用中仍然會發現各種各樣的問題，這些和失效分析密切相關。

符合API標準訂貨的油井管產品，不等于完全符合使用；同樣，不符合標準的產品也不等于不符合使用［5］。

注重失效分析，根據失效特點以及油井管產品的力學性能、工藝性能和使用性能，確定產品訂貨技術條件。

失效分析是保障套管及其管柱安全可靠性的重要技術措施；失效分析工作為查明失效原因、預防事故再次發生提供技術支持；通過大量失效分析，積累大量數據，為套管評價與選用技術奠定基礎。

3.2 全面開展適用性評價，幫助油田選好用好套管

失效分析及對問題井的調查分析表明：管材產品滿足制造廠規定指標要求，管柱強度設計符合相關標準，管柱失效原因主要是設計管柱與使用條件的不適應導致，沒有對復雜工況油氣井設計管柱進行適應性評價，大量非API套管產品在油田使用前必須進行適用性評價以確保使用安全。對復雜工況油氣井設計管柱進行適應性評價就是預防失效的有效措施之一。進行適用性評價研究，建立套管失效分析和工況的適用性評價方法與技術，為套管的安全使用和服役可靠性提供技術保證［6］。

開展套管柱的適應性評價是對管柱設計的進一步完善，有些影響因素在管柱設計中未考慮，例如接頭在各種機械載荷作用下的內部應力分布、高壓高產氣井管柱橫向振動、各種腐蝕介質等對管材及接頭性能的影響等［7］。適應性評價主要針對目前管柱設計方法中無法量化的因素對油井管管柱進行驗證性評價，適應性評價可檢驗選用的管柱在使用環境及工況條件下的性能表現，是否出現異常，對操作中可能出現的問題進行預演及預防，增加使用安全可靠性，避免或降低事故損失和處理時間，提高管柱的使用安全可靠性。

對存在疑似缺陷的套管進行適用性評價，不但可對套管的質量是否滿足相關標準要求進行判斷，還可對不符合標準要求的套管的使用范圍進行規范，提高資源利用率，避免經濟損失，同時帶來較大的社會效益和經濟效益。

3.3 加強套管的質量控制技術和應用技術研究

經過對發生的套管及其管柱失效事故的分析，可以明確套管失效發生的原因基本有：

1） 產品質量原因。主要是生產過程中參數波動及過程控制不力導致的。

2） 生產工藝不完善。一些新產品由于生產工藝還需進一步完善，未最終定型，影響到產品的最終質量。

3） 使用過程不當。例如載荷超過設計值、現場機械損傷、未涉及到的腐蝕介質等，導致套管發生失效事故，從而對現場使用造成安全隱患。

很多套管的失效事故是母材存在缺陷造成的，套管的生產質量需要嚴格控制，應加強套管的在線無損探傷，油田對重點井也應進行探傷檢驗。同時，螺紋加工水平也應不斷提高，以減少油田的套管失效。

油田在選擇和設計套管時，要充分了解套管特別是螺紋接頭的操作性能，對于酸性介質、高溫環境下，要慎重選擇套管材料和鋼級。另外，油田應嚴格遵守套管上扣和下放等作業，以防發生套管粘扣、滑脫失效事故。

應根據油田的具體使用條件，加大力度開發和應用特殊鋼級及特殊螺紋接頭的套管品種，保證套管柱的安全可靠性，延長套管的使用壽命，減少套管在使用中的早期破壞，以滿足我國油氣田長期開發的要求，實現總體上的低成本目標。開展非API標準特殊規格、特殊螺紋接頭套管應用技術研究，預防套管及其管柱失效。

3.4 開展油井管完整性管理，預防套管及其管柱失效

套管及其管柱的失效仍很嚴重，對油氣田安全生產和效益造成重要影響。失效分析結果表明：某些環節的管理仍比較薄弱，油氣田工況條件日益苛刻，生產和安全要求越來越高，全面開展油井管柱完整性管理十分必要和迫切。

油井管完整性管理的關鍵技術包括失效分析及失效案例庫的建立、危險因素與危險源的識別、風險評價、完整性評價（核心內容是適用性評價）、安全可靠性評估、故障診斷等技術。

油井管柱的完整性管理是指對所有影響油井管柱完整性的因素進行綜合的、一體化的管理。完整性管理是保障油井管柱安全和油氣田效益的有效方法和重要管理措施。

總之，失效分析是油井管完整性管理的基礎，完整性管理是油井管失效分析的延伸，是全面、科學有效地預測、預防油井管失效的措施。

4　結論

1） 經常遇到的套管和油管及其管柱的失效模式可歸類為斷裂、脫扣、粘扣、螺紋泄漏和腐蝕等。

2） 很多套管的失效事故是母材存在缺陷造成的，套管的生產質量需要嚴格控制，應加強套管的在線無損探傷，油田對重點井也應進行探傷檢驗。同時，螺紋加工水平也應不斷提高，減少油田的套管失效。

3） 套管滑脫事故主要集中于API長圓螺紋接頭，失效的原因有螺紋參數不合格、下放套管速度過快而撞擊井口、螺紋脂選用不當以及螺紋發生粘扣等，這些因素顯著降低了接頭的連接強度。建議在套管柱拉伸載荷較高時選用特殊螺紋接頭套管。

4） 失效分析和適用性評價是保障套管及其管柱安全可靠性的重要技術措施。適用性評價是完整性評價的核心內容，完整性管理是在失效分析的基礎上進行的，是失效分析的繼續和發展，是套管及其管柱失效控制技術的重要組成部分。

［1］ 馮耀榮，楊龍，樊治海，等.從油井管的失效分析及質量狀況談加強油井管質量控制的建議［J］.石油管工程，2009（5）：1-5.

［2］ 李鶴林.石油管工程［M］.北京：石油工業出版社，2011.

［3］ 李鶴林，馮耀榮.石油管材與裝備失效分析案例集（一）［M］.北京：石油工業出版社，2006.

［4］ American Petroleum Institute.API STD 5B specifica-tion for threading，casing，and thread inspection of cas-ing，tubing，and line pipe threads［G］.14nded.USA：USA.API.1996.

［5］ American Petroleum Institute.API SPEC 5CT specifi-cation for casing and tubing［G］.16nded.USA：Sixth Edition.USA.API.1998.

［6］ ISO/TR 10400，6th edition—2007.Bulletin on Formu-las and Calculations for Casing，Tubing，Drill Pipe and Line Pipe Properties［S］.ISO，2007.

［7］ ISO 13679：2002 Petroleum and natural gas industries-Procedures for testing casing and tubing connections ［S］.

Cases of Casing Failure and Casing Failure Control Technology

LI Chao1，CHEN Changqing1，LIUWenhong2，LI Dewei3
（1.Bohai Petroleum Equipment 1st Machinery，Qingxian 062658，China；2.Key Laboratory of Oil Tubular Goods Engineering，Tubular Goods Research Institute of CNPC，Xi’an 710077，China；3.HG Pumping Unit Co.，Ltd.，Qingxian 062658，China）

By statistical analysis，the main data from the typical casing failure analysis in recent years，it described that the status of failure，patterns，causes and failure mechanism of casing.It is pointed out that failure to fracture and pull out of the casing as the main mode，but that in recent years the quality of the casing failure caused a significant increase in accidents.Accordingly，fail-ure analysis，the existence of suspected defect evaluation of the fitness of the casing string，quality control and its application technology research，the integrity of the casing string and its manage-ment aspects are carried out to carry out casing failure control technology.Not only the quality ofthe casing meets the requirements of relevant standards to judge，but also do not meet the require-ments of the standard to regulate the use of casing，in order to ensure good use of selected casing and reducing casing failure in oil field.

casing；failure mode；failure analysis；evaluation of the fitness；integrity management

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.004

1001-3482（2015）07-0014-07

①2015-01-09

李 超（1972-），男，河北涿州人，工程師，主要從事油井管產品的研發和制造工作，E-mail：lichao＠cnpc-hg.com。