某井超級13Cr油管接箍開裂原因分析

楊向同，呂拴錄，2，宋文文，王新虎，王　鵬，李金鳳饒文藝，耿海龍，石桂軍，路彩虹

(1.塔里木油田　新疆　庫爾勒　841000; 2.中國石油大學材料科學與工程系　北京　102249; 3.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077)

?

某井超級13Cr油管接箍開裂原因分析

楊向同1，呂拴錄1，2，宋文文1，王新虎3，王鵬3，李金鳳3饒文藝1，耿海龍1，石桂軍1，路彩虹3

(1.塔里木油田新疆庫爾勒841000; 2.中國石油大學材料科學與工程系北京102249; 3.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室陜西西安710077)

摘要:對某井油管接箍開裂事故進行了調查研究，對開裂接箍斷口形貌進行了宏觀分析和微觀分析，對開裂接箍進行了化學成分分析、力學性能試驗、金相分析。試驗結果表明:油管接箍斷口源區存在原始缺陷，接箍材料強度偏高，在修井過程中原始缺陷擴展導致接箍開裂。油管接箍開裂導致油管接頭脫扣。

關鍵詞:油管;接箍;斷口;裂紋;鍍銅

0　引言

油管接箍斷裂失效是油田酸化作業和油氣生產過程中常見的失效形式之一。油管接箍斷裂失效與油管材料質量、接頭上扣扭矩、油管柱組合、酸化作業和油氣生產工藝等有關，是一項復雜的系統工程問題。發生油管接箍斷裂事故之后，油田不得不花費大量的人力和物力進行修井作業。因此，搞清油田酸化作業和油氣生產過程中油管接箍斷裂失效的真正原因，才能采取有效預防措施，防止此類事故再次發生。

2012年9月5日，某井因套管壓力升高實施修井作業。9月12日7時56分，地面無任何操作，油壓由31.6 MPa下降至28.8 MPa，A環空壓力由48.5 MPa下降至46.0 MPa，B環空由45.0 MPa下降至44.3 MPa。9月13 日8時至13時30分采用電纜帶外徑為59 mm的通徑規通井至6 400 m。9月14日3時30分采用電纜帶59 mm通徑規通井至4 493.5 m遇阻。9月27日18時起原井油管發現第452根88.9 mm×6.45 mm S13Cr110特殊螺紋接頭油管現場端脫扣，落魚魚頭是88.9 mm×6.45 mm S13Cr110特殊螺紋接頭油管接箍，魚頂深度4 441.61 m，落魚長度2 161.13 m(6 602.74 m－4 441.61 m)。外螺紋接頭脫扣的油管入井編號為167號，內螺紋接頭脫扣的油管入井編號為166號。9月30日8時下母錐撈獲1個縱向開裂的油管接箍，落魚魚頭是88.9 mm× 6.45 mm S13Cr110特殊螺紋接頭油管工廠端外螺紋接頭，魚頂深度4 441.69m，落魚長度2 161.05 m。隨后撈出落魚發現接箍開裂的第166號油管距工廠端外螺紋接頭端面0.30 m位置穿孔，油管穿孔位于井深4 441.99 m。第167號油管外螺紋接頭與第166號油管接箍上扣扭矩曲線正常。

為了搞清油管接箍開裂和脫扣原因，本文對開裂接箍取樣進行了試驗分析。

1　試樣制備與試驗方法

將開裂接箍斷口清洗之后進行宏觀分析和掃描電鏡微觀分析，在開裂接箍斷口上取金相試樣、力學性能試樣和化學成分分析試樣，金相分析在MeF3A金相顯微鏡上進行，試驗方法按照GB/T 13298－1991、GB/T 10561－2005和GB/T 6394－2002執行。夏比沖擊試驗設備為PIT302D，拉伸性能試驗設備為UH－F500KNI，硬度試驗設備為HR－150D，力學性能試驗標準為ASTM A370－2010。化學成分分析設備為ARL 4460直讀光譜儀，LECO CS－844紅外碳硫分析儀，試驗標準為ASTM A751－2008。

2　試驗結果與分析

2.1接箍斷口宏觀分析

接箍縱向開裂，接箍現場端端面外壁位置裂口寬度15.91 mm，接箍中間外壁位置裂口寬度14.79 mm，接箍工廠端端面外壁位置裂口寬度13.55 mm。斷口上有明顯可見的收斂于裂紋源區的人字紋，裂紋源區斷口區域較平，顏色呈鐵銹色，其外壁軸向寬度7 mm，內壁軸向寬度13 mm，局部貫穿接箍內外壁如圖1所示。接箍斷口原始裂紋區靠端面位置外壁僅有一“三角形”局部區域沒有機加工刀痕，其軸向寬度約5 mm，周向寬度約4 mm，該“三角形”區域顏色與原始斷口顏色一致，由此判斷該區域也是原始裂紋區的一部分(空間分布)。除過原始裂紋區之外，整個斷口為脆性斷口。接箍斷口上沒有沖刷痕跡，而穿孔位置有沖刷痕跡，說明油管管體穿孔在前，接箍開裂在后。

圖1　接箍斷口局部形貌及靠近端面外壁“三角形”形貌

接箍表面有明顯的天然氣附著痕跡，與接箍現場端裂口相隔約90°位置端面首扣螺紋承載面變形后倒向導向面，接箍螺紋損傷變形程度相對于外螺紋接頭較輕，說明接箍硬度高于外螺紋接頭硬度。接箍扭矩臺肩完好，說明接箍開裂時所受扭矩并不大。

開裂接箍不同位置螺距偏差測量結果表明，在脫扣時由于接箍開裂，不同圓周部位螺紋受力不同。

2.2接箍斷口微觀分析

對接箍斷口進行掃描電鏡觀察，斷口源區較平，表面有一層覆蓋物，擴展區的放射條紋收斂于源區。斷口外壁”三角形”區域凹陷且不規則，表面有一層覆蓋物，其對應的端面部位也呈凹陷形貌如圖2所示。

圖2　斷口源區附近外壁“三角形”源區形貌

斷口源區能譜分析結果見圖3、圖4及表1、表2。

圖3　斷口源區(淬火裂紋)形貌及能譜分析結果

斷口微觀分析結果表明:

1)接箍外壁有一層覆蓋物，覆蓋物含有O、P、Ca、Na、Ba和Na等。覆蓋物之下為鍍銅層，鍍銅層銅含量質量百分比為8.93％，原子百分比為3.82％;鍍銅層鎳含量質量百分比為8.25％，原子百分比為3.82％。

2)斷口源區銅含量質量百分比為4.36％～6.76％，原子百分比為2.17％～3.12％，銅含量明顯高于斷口擴展區，說明在鍍銅之前就存在原始缺陷。

圖4　斷口源區表層鍍銅層形貌及能譜分析位置(橫截面)

表1　斷口源區(淬火裂紋)能譜分析結果

表2　斷口源區表層鍍銅層形貌及能譜分析結果(橫截面)

3)斷口源區表層有一層氧化物，含氧量重量百分比達到31.10％，原子百分比達到56.61％;斷口源區外壁“三角形”表面含氧量重量百分比達到53.27％，原子百分比達到74.27％。

4)斷口源區與斷口外壁“三角形”區連為一體，兩者斷口形貌和斷裂性質類似，具有軋制裂紋缺陷的特征。

5)接箍端面長裂紋起源于外壁，裂紋里灰色物為氧化物，含氧量重量百分比達到41.36％，原子百分比達到69.79％。將裂紋打開之后其斷口為沿晶形貌，含氧量重量百分比為23.56％，原子百分比達到46.30％。裂紋形貌具有淬火裂紋的特征。

6)斷口擴展區具有快速擴展脆斷的特征。

7)接箍外壁鍍層含有Cl和S，其來源可能與酸化液成分有關。

2.3材質分析

2.3.1金相分析

接箍裂源區斷口表層有一層灰色氧化物，其下方有多條微小裂紋如圖5所示。斷口擴展區(裂紋兩側)表層組織與其它區域相同。

圖5　接箍斷裂源區斷口表層灰色氧化物(厚度0.007～0.024 mm)、微小裂紋及組織

在接箍端面距斷口約3.6 mm左側有1條長度約3.5 mm的徑向長裂紋和2條短裂紋，裂紋里有灰色氧化物如圖6和圖7所示。

圖6　在接箍端面距斷口約3.6 mm左側位置長度約3.5 mm的灰色裂紋形貌

圖7　接箍端面外壁長裂紋分枝及灰色氧化物

在靠近接箍端面外壁位置的“三角形”褐色區域沿縱向取樣進行金相分析，三角形區域縱向端面位置存在傾斜微裂紋如圖8所示;三角形區域外壁有一層覆蓋物，其形貌與其它區域外壁覆蓋物不同。

圖8　“三角形”區域縱向剖面傾斜微裂紋及周圍組織(右端為接箍端面)

油管接箍基體材料金相分析結果見表3。

表3　金相分析結果

金相分析結果表明，油管接箍開裂斷口源區表層有非金屬物，在“三角形”區域縱向試樣接箍端面發現的傾斜微裂紋，其形貌具有軋制裂紋特征。斷口附近接箍端面外壁裂紋里也有類似的灰色非金屬物，其形貌具有淬火裂紋在高溫回火過程中氧化的特征。

2.3.2力學性能試驗

力學性能試驗結果見表4。

2.3.3化學成分分析

化學成分試驗結果見表5。

表4　力學性能

表5　化學成分(質量分數)　％

2.4結果分析

2.4.1接箍開裂時間

2012年9月12日7時56分，地面無任何操作，油壓降低2.8 MPa(31.6 MPa－28.8 MPa)，A環空壓力降低2.5 MPa(48.5 MPa－46.0 MPa)，B環空壓力降低0.7 MPa(45.0 MPa－44.3 MPa)。此刻壓力自己發生變化，這實際是接箍開裂所致。接箍開裂會引起油管柱容積變化，導致油管、A環空和B環空內壓變化，其中內壓變化最大的應當是油管，其次是A環空和B環空，這與實際情況一致。

2.4.2脫扣時間

9月13日13時30分采用59 mm通徑規通井至6 400 m，接箍開裂位置井深4 441.61 m，這說明此時接箍雖然開裂，但還沒有導致脫扣。9月14日3時30分采用59 mm通徑規通井至4 493.5 m(不應當大于4 441.61 m，可能與電纜長度誤差有關)遇阻，這說明此時接箍開裂已經導致脫扣。脫扣之后內外螺紋接頭已經不在同一軸線，即內外螺紋接頭在橫向已經發生相對位移，故通徑規會在脫扣位置遇阻。

分析結果表明，第166號油管接箍開裂導致了該油管接箍內螺紋與第167根油管外螺紋現場連接端接頭脫扣。接箍開裂之后其兩端的接頭連接強度會大幅度降低［1］。由于接箍開裂起源于現場連接端，現場端裂口更寬，該接箍現場連接端首先脫扣，在隨后下母錐打撈時該接箍工廠端脫扣，只撈出了開裂的接箍。

2.4.3斷口源區原始缺陷特征分析

分析結果表明，斷口源區銅含量質量百分比為材料本身銅含量的3.0～4.7倍，斷口源區銅含量質量百分比為接箍鍍銅層銅含量的49％～76％。說明在鍍銅之前就存在原始缺陷。斷口源區為軋制缺陷，斷口源區裂紋為淬火裂紋。

在高溫軋管過程中，接箍管坯表面和裂紋缺陷兩側會發生氧化。接箍管坯在后續淬火加熱過程中與外界空氣連通的原始裂紋缺陷表面會繼續氧化，在淬火冷卻之后原始軋制裂紋進一步擴展，產生淬火裂紋。在隨后的高溫回火過程中淬火裂紋內氧化后呈灰色。一般鋼高溫氧化與脫碳同時存在［2］，但該接箍S13Cr不銹鋼碳含量僅0.018％，在軋制和淬火加熱過程中原始缺陷表面雖然形成了一層氧化物，但脫碳并不明顯。

2.4.4斷口源區外壁“三角形”區域形成原因分析

宏觀分析結果表明，接箍端面斷口源區外壁”三角形”區域凹陷，沒有機加工刀痕。接箍外壁局部沒有機加工刀痕可能與磨損、碰傷、腐蝕、存在原始缺陷等有關。下面分別予以分析:

1)假設接箍端面外壁局部磨損

如果接箍外壁局部磨損導致機加工刀痕消失，那么該區域應當可以見到磨損痕跡。實際接箍該區域沒有磨損痕跡，這說明此假設不成立。

2)假設接箍端面外壁局部碰傷

如果接箍外壁局部碰傷凹陷導致機加工刀痕消失，其周圍金屬會變形凸起，在金相顯微鏡下會發現變形流線。實際接箍該區域沒有這些跡象，這說明此假設不成立。

3)假設接箍端面外壁局部腐蝕

如果接箍外壁局部腐蝕導致機加工刀痕消失，那么該區域應當可以見到腐蝕痕跡。實際接箍外壁，包括油管管體沒有腐蝕痕跡，這說明此假設不成立。

4)假設接箍端面外壁局部存在原始缺陷

如果接箍端面外壁局部存在原始缺陷，由于接箍該區域外壁凹陷機加工車削不到，最終保持原貌，沒有機加工刀痕。如果缺陷是在軋制過程中形成的，缺陷位置應當具有高溫氧化的特征。實際接箍外壁“三角形”區與斷口源區連為一體，兩者斷口形貌類似，斷裂性質相同;斷口源區表層有一層高溫氧化物，氧化物之下有多條小裂紋。油管失效位置溫度不會超過160℃，不可能形成這種氧化物，斷口擴展區沒有這種氧化物已經說明井下不會形成這種氧化物。斷口源區氧化物與接箍端面斷口源區外壁“三角形”區域氧化物含量接近，說明接箍端面斷口源區外壁“三角形”區域也為裂紋源區一部分，裂紋源區的原始缺陷是在工廠熱加工過程形成的裂紋類缺陷，缺陷里存在高溫氧化物。在“三角形”區域縱向試樣接箍端面位置發現了傾斜軋制微裂紋，這進一步說明“三角形”區域為軋制缺陷區。為了消除接箍管坯在熱加工過程形成的表面缺陷，雖然工廠對接箍表面進行了機械加工，但加工余量小于缺陷深度，加工之后接箍上仍然殘留有原始裂紋缺陷。以上分析說明接箍端面外壁局部存在原始缺陷的假設成立。

2.4.5原始缺陷降低了油管承載能力

開裂接箍斷口現場端端面位置存在原始裂紋缺陷，原始裂紋不僅減小了接箍承載面積，而且會產生應力集中［3］。當接箍所受周向拉伸應力超過其承載能力，就會發生縱向開裂。

2.4.6接箍開裂時所受載荷

導致油管接箍縱向開裂的載荷主要是拉伸應力，拉伸應力來源包括上扣應力，內壓產生的應力，拉伸載荷產生的應力。油管接頭上扣之后接箍會承受周向拉伸應力。油管上扣扭矩越大，接箍承受的周向拉伸應力越大。該油管現場上扣扭矩符合廠家規定，可以排除現場上扣扭矩偏大導致接箍開裂的可能性。

油管內壓越大，接箍承受的周向拉伸應力越大。接箍開裂時油管柱內壓低于外壓，可以排除油管內壓偏大導致接箍開裂的可能性。

導致油管接箍縱向開裂的載荷主要是拉伸應力，拉伸應力來源包括上扣應力，內壓產生的應力，拉伸載荷產生的應力。

油管接頭上扣之后接箍會承受周向拉伸應力。油管上扣扭矩越大，接箍承受的周向拉伸應力越大。該井油管上扣扭矩符合廠家規定，可以排除上扣扭矩偏大導致接箍開裂的可能性。

油管內壓越大，接箍承受的周向拉伸應力越大。接箍開裂時油管柱內壓低于外壓，可以排除油管內壓偏大導致接箍開裂的可能性。

溫度變化越大，油管柱受到的軸向載荷越大［4］。2011年12月12日該井在系統試井關井測壓力恢復期間，井底高溫天然氣從油管柱里邊流到井口，此時油管柱受熱伸長承受壓縮載荷。依據油管接箍開裂宏觀形貌判斷，此時接箍還沒有開裂，可以排除油管在此期間溫度變化導致接箍開裂的可能性。

2012年9月9日12時至15時，該井修井采用1.50 g/cm3有機鹽水正擠壓井，地面較低溫度的有機鹽水從油管柱里流入井底，此時油管柱受冷收縮承受拉伸載荷。宏觀分析結果表明，脫扣外螺紋接頭大端已經發生拉伸頸縮變形。這說明在此期間溫度變化產生的拉伸應力導致油管接箍開裂。

2.4.7材料敏感性

材料強度越高，對環境介質越敏感，越容易發生脆性斷裂。開裂接箍材料屈服強度平均值比塔里木油田規定的上限值高出82 MPa，比ISO 13679規定的上限值高出13 MPa。硬度超過了標準規定上限值。同批新油管接箍材料屈服強度平均值比該油田規定的上限值高出13 MPa。硬度接近標準規定上限值。S13Cr材料本身對應力腐蝕開裂非常敏感，在硬度、強度偏高和存在原始缺陷的情況下更容易發生脆性開裂。該井所用的進口油管沒有發生失效事故，其材料屈服強度(758～896 MPa)比失效油管低。這進一步說明油管材料屈服強度高容易發生應力腐蝕開裂。

開裂接箍屈服強度平均值比新接箍屈服強度平均值高6.2％。開裂接箍延伸率平均值比新接箍延伸率平均值低2.6％(表7)。這說明油管使用之后屈服強度增加，延伸率降低。

開裂接箍Cu含量為1.43％。ISO 13680標準對Cu含量沒有要求，API SPEC 5CT規定L80 13Cr油管材料Cu≤0.25％。Cu含量高是否會增加接箍應力腐蝕開裂的敏感性，此問題有待繼續研究。

2.4.8失效預防

為了防止油管發生失效事故，塔里木油田訂貨技術條件要求“油管不允許存在裂紋、發紋、折疊、皺折、凹槽等缺陷。”

該批油管接箍存在原始裂紋類缺陷，油管質量不符合塔里木油田訂貨技術要求。

表7　油管管體與接箍拉伸性能對比

是否需要對該批剩余的油管接箍進行探傷檢查，采用何種探傷方法可以發現油管接箍上存在的原始裂紋，該批剩余的油管是否可以繼續使用，這是我們關心的問題。

從理論上講，采用熒光磁粉探傷和著色探傷可以找出管體和接箍含有缺陷的油管，但考慮到S13Cr不銹鋼油管探傷的特殊性，加之現場探傷條件有限，接箍在機緊狀態探傷檢查的正確性很難保證。有關該批油管探傷檢查問題有待進一步研究。

3　結論及建議

1)2012年9月12日7時56分，在修井期間第166號油管接箍開裂，2012年9月13日13時30分至9月14 日3時30分開裂的接箍脫扣。

2)油管材料屈服強度不符合塔里木油田訂貨技術要求。

3)接箍端面存在原始裂紋，在使用過程中發生脆性開裂。

4)建議系統試井關井測壓力恢復期間油管壓差不能超過85 MPa。

5)建議井下注液應降低排量，減小溫度載荷對油管柱的影響。

參考文獻

［1］Shuan－Lu Lv，Xue－Qing Teng，Yan－Jun Kang，and etc.Analysis on Causes of a Well Casing Coupling Crack［J］.MATERIALS PERFORMANCE，April 2012，NACE International，51(4): 58－62.

［2］滕學清，呂拴錄，丁毅，等.140ksi高強度套管外螺紋接頭裂紋原因分析［J］.物理測試，2012，30(2): 59－62.

［3］竇益華，姜學海.井口油管擠扁原因分析及其防治措施［J］.鉆采工藝，2009，32(5): 70－72.

［4］丁毅，歷建愛，張國正，等.110鋼級φ88.9 mm×6.45 mm超級13Cr鋼油管刺穿失效分析［J］.理化檢驗(物理分冊)，2011，47(10): 663－667.

Cause Analysis on S13Cr Tubing Coupling Crack in One Well

YANG Xiangtong1，LV Shuanlu1，2，SONG Wenwen1，WANG Xinhu3，WANG Peng3，LI Jinfeng3，RAO Wenyi1，GENG Hailong1，SHI Guijun1，LU Caihong3
(1.Tarim Oil Field，Korla，Xinjiang 841000，China; 2.Material Science and Engineering Department of China University of Petroleum，Beijing 102249，China; 3.CNPC Tubular Goods Research Institute，State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials，Xi'an，Shaanxi 710077，China)

Abstract:The tubing coupling crack accident in one well was investigated through the macro analysis and fractography on the coupling fracture，the coupling's chemical composition analysis，the mechanical property tests，and metallography analysis.The results showed that there was original crack in the coupling，its material strength was too high，and the original crack extending resulted in the coupling crack leading to the joint being pulled out in the repairing well process.

Key words:tubing; coupling; fracture; crack; copper facing

(收稿日期:2015－8－5編輯:屈憶欣)

第一作者簡介:楊向同，男，1972年生，高級工程師，1996年畢業于中國石油大學(華東)礦場地球物理專業，一直從事測井和試油技術研究和管理工作。E-mail: Y5xt@ sohu.com

中圖法分類號:TE931

文獻標識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0040－06