國內某油田注二氧化碳采油井油層套管失效分析

韓進山，李恒政，扈立，王正，張旭

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

國內某油田注二氧化碳采油井油層套管失效分析

韓進山，李恒政，扈立，王正，張旭

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

針對國內某油田注二氧化碳驅油井套管在使用過程中發生斷裂失效，通過宏觀觀察、化學成分分析，金相宏觀觀察，SEM微觀觀察，力學性能測試，韌脆轉變溫度計算，有限元計算對失效套管原因進行分析。結果表明：套管材料在低溫下呈現低溫脆性，套管內表面局部應力集中，在其作用下，套管發生脆性斷裂。

超注二氧化碳；油層套管；圓螺紋；斷裂；選材

1 引言

我國各大油田每年都有石油套管斷裂事故發生，給油田帶來了巨大的經濟損失[1-5]。國內某油田采用CO2驅油工藝增產，使用N80 1類Φ139.70 mm×9.17 mm圓螺紋套管作為油層套管，套管下至3 075.46 m固井，隨后實施壓裂注氣作業，注氣后下入油管，使用封隔器封隔油套管環空。該井投產10個月后大修過程中，上提懸掛器噸位30 t時，提出懸掛器+雙公+Φ139.70 mm×9.17 mm套管一支，經地面檢查發現套管公螺紋缺損。

針對油田送檢的失效套管樣品，從樣品幾何尺寸、理化性能、螺紋斷口形貌等方面進行宏觀、微觀分析，根據相關檢驗結果及螺紋斷口分析結果，推測井下套管斷裂原因，并給出套管選材、使用方面的建議。

從油田送檢失效套管進行失效分析。采用宏觀觀察、化學成分分析、金相宏觀觀察、SEM微觀觀察、力學性能測試、韌脆轉變溫度計算、有限元計算等分析方法，確定套管斷裂原因。

2 失效樣管的理化性能檢驗

油田送檢失效套管見圖1。

圖1 油田送檢失效套管

2.1 化學成分分析

對樣品進行化學成分檢驗，結果如表1所示。檢測結果滿足標準要求。

2.2 力學性能檢測

對樣品進行拉伸、沖擊性能檢測，結果表明力學性能檢測結果滿足標準要求，結果如表2所示。

2.3 系列溫度沖擊試驗

對樣管材料進行-60~100℃系列溫度沖擊試驗，并根據試驗結果繪制材料的韌脆轉變溫度曲線，結果見圖2。

表1 化學成分檢測結果

表2 力學性能檢測結果

圖2 套管材料的韌脆轉變溫度曲線

由圖2可以看出，套管材料的韌脆轉變溫度為+49℃。當環境溫度低于+49℃時，套管材料表現出脆性傾向，裂紋擴展阻力下降，材料斷裂特征表現為脆性解理斷裂特征，失效樣管F+P組織見圖3。

圖3 失效樣管F+P組織

2.4 金相分析

樣管的夾雜物及晶粒度檢驗結果見表3，檢測結果滿足標準要求。

圖3所示為樣管材料室溫下F（鐵素體）+P（珠光體）組織，該組織符合N80 1類套管軋態交貨組織特點，無晶粒粗大及組織偏析現象。

3 失效樣管斷口分析

3.1 斷口宏觀特征

如圖4所示，失效套管在打撈、取樣過程中，斷口發生磕碰導致斷口宏觀形貌損壞，無法進行分析。

圖5所示的斷口局部形貌可以看出，斷裂由套管內壁裂紋源引發，裂紋沿壁厚方向由內至外擴展做快速低能量撕裂，放射線平行于裂紋擴展方向，指向外壁，形成大面積放射區，放射區呈現迅速撕裂的解理狀脆性斷口特征。斷裂后期，在靠近外表面附近形成較窄的杯狀剪切唇，與拉伸軸呈45°[7]。

表3 金相檢測結果

圖4 套管斷口宏觀形貌

圖5 斷口局部宏觀形貌

3.2 斷口微觀特征

圖6、圖7為放大倍數200×時，試樣斷口裂紋源及擴展區掃描電鏡照片。可以看出，裂紋源斷口呈現出較長周期內緩慢撕裂、逐漸擴展的小尺寸解理斷口微觀特征；而裂紋擴展區在拉伸試驗載荷作用下迅速撕裂，斷口表現為平坦光滑的河流狀解理特征，進一步確定為脆性斷裂。

3.3 斷口附近金相組織觀察

對斷口微裂紋附近金相組織進行了觀察分析，組織照片如圖8所示。

失效套管鋼級為N80-1，管體交貨狀態為軋態。該套管終軋溫度820~860℃，如果裂紋在軋制過程中產生，在該溫度下裂紋部位應該出現局部脫碳氧化，造成組織異常。如圖8所示，裂紋部位組織均為F+P，屬于在線常化工藝套管正常組織，未出現局部氧化脫碳及組織異常，因此排除冶煉成分偏析以及軋制過程中形成裂紋的可能性。

圖6 試樣裂紋源解理狀斷口微觀形貌

圖7 試樣裂紋擴展區解理狀斷口微觀形貌

圖8 試樣斷口裂紋及F+P組織

4 套管斷裂原因分析

4.1 套管服役工況

已知下井時的泥漿密度為1.10×103kg/m3，在管串浮重及內壓產生的軸向總載荷作用下，套管螺紋承受約為300 MPa軸向應力[10]，見表4。此外，封隔器失封后CO2氣體泄漏進入環空，通過與環空保護液不斷發生置換向井口位置聚集，使環空帶壓，套管內表面承受不超過30 MPa（注氣壓力）的內壓。同時，由于注CO2工藝，N80-1套管材料還處于-20℃低溫環境下。

表4 套管螺紋承載計算

4.2 圓螺紋接頭特點及受力分析

失效套管為LC（長圓螺紋）扣型，該扣型螺紋接頭機緊后示意圖如圖9所示。

圖9 長圓螺紋（LC）接頭連接示意圖

如圖9所示，Φ139.70 mm×9.17 mm LC套管外螺紋全長L4=88.9 mm，完整螺紋長度L2=81.66 mm[11]。在LC螺紋加工過程中，螺紋車刀行進至L2位置后抬刀，因此L2是管體最后一圈完整螺紋的位置，也是機緊后接箍螺紋與管體螺紋嚙合的最后一圈。當接箍與管體擰緊后，管體L2位置容易出現螺紋接觸應力集中，也是發生螺紋斷裂的危險截面。

4.3 LC扣型螺紋接觸應力計算

根據以上受力特點，對套管接箍擰緊后、軸向應力為300 MPa時，環空內壓力從0~30 MPa變化的情況下，螺紋接頭應力分布狀況進行了有限元分析。

如圖10所示，接箍擰緊時螺紋線方向上出現局部應力集中現象，管端和螺紋根部接觸應力較高，其中螺紋根部最后一圈完整螺紋位置應力集中最為明顯，呈現“馬鞍形”分布特點。與此同時，隨著軸向載荷與環空內壓逐漸增加，應力集中水平也顯著升高。應力-應變曲線見圖11。

5 失效分析結論

圓螺紋套管接箍機緊后，公端L2位置產生較大應力集中，軸向載荷與內壓共同作用使應力集中水平增加。根據彈性力學原理可知，套管內壁應力水平最高，因此套管失效應該從內壁開始。

注CO2氣體過程中，低溫環境導致封隔器失封，注入的CO2氣體由封隔器進入油套內部并與環空保護液發生置換，氣體上竄至環空上部接近井口位置。由于注入CO2氣體在井口位置溫度最低（接近-20℃），因此井口位置套管處于低溫環境中。

圖10 螺紋線方向上接觸應力分布狀態

圖11 應力-應變曲線

N80 1類套管韌脆轉變溫度為+49℃，在低溫環境中套管材料韌性較差，在應力集中部位極易產生微裂紋。

由于注CO2工藝為長周期、間歇式作業，因此套管受周期性載荷作用，導致裂紋形成后由內壁向外壁擴展。

大修作業過程中上提套管柱時，瞬間軸向載荷作用引發裂紋迅速擴展，造成套管脆性斷裂。

6 套管選材建議

根據失效分析結論，對采用該采油工藝工況條件下套管選材及施工作業提出如下建議：

提高固井質量，確保油層套管柱外水泥充滿并有限膠結。

選用具有優異低溫韌性的套管材料，韌脆轉變溫度低于CO2入井溫度。

選用API偏梯形等自然退刀加工螺紋的套管，減輕接箍機緊后產生的應力集中。

考慮到井下高溫含水環境，應注意CO2氣體對套管產生腐蝕作用，套管柱適當位置應選用抗CO2腐蝕套管。

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Analysis on Failure of Oil-string Casing at Carbon Dioxide Filling W ell at Certain Oil Field in China

HAN Jin-shan,LI Heng-zheng,HU Li,WANG Zheng and ZHANG Xu
(Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

The fracture failure of oil-string casing during service at carbon dioxide filling well at Certain Oil Field in China was analyzed by means of macro inspection,chemical composition analysis, metallographic macro inspection,SEM micro inspection,mechanical property test,ductile to brittle transition temperature calculation and finite element calculation.Results showed oil casing presented low temperature brittleness at low temperature and the inner surface inside oil casing concentrated stress locally,which caused the brittle fracture of oil casing.Relevant suggestions were proposed on oil casing material selection and construction under the working conditions with this kind of oil production technology.

carbon dioxide filling;oil-string casing;round thread;fracture;material selection

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.007

2016-05-18

2016-06-12

韓進山（1964—），碩士，副高級工程師，主要從事產品銷售和技術方面的研究工作。