一種常見套管落井事故的原因分析

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(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2. 川慶鉆探長慶鉆井總公司管具公司 陜西 榆林 719000)

0 引 言

在固井作業(yè)時，經(jīng)常發(fā)生一種套管失效事故，就是在下放套管過程中，套管突然脫扣落井，損失很大，如果打撈失敗，整口井報廢。本文分析其中一個案例，某井下入139.7 mm、J55油層套管，當接好第221號套管后正常下放套管柱約1 m時第221號套管與其接箍脫扣，整個套管柱突然落井，第221號套管接箍從8 m高的吊卡上落下。該井設計深度2 030 m，但實際完井深度2 424 m，套管落井長度為2 185.32 m，總重55.3 t，當時指重表指示45 t，泥漿密度1.05 g/cm3。

1 接箍損傷形貌

對發(fā)生事故的139.7 mm油層套管脫扣部位的接箍外觀形貌進行分析，接箍大約有一半圓周的承載面及周邊被擦傷或擠壓變形，約三分之一圓周的承載面因一定厚度金屬被摩擦掉而減薄，如圖1、圖2所示。圖3和圖4顯示了接箍承載面被擠壓變形的形貌，其中圖3是圖1、圖2的左視圖(即圖1、圖2左邊半部分的形貌)，圖4是圖1、圖2的右視圖(即圖1、圖2右半部分的形貌)。接箍損傷形貌與吊卡內(nèi)孔幾何形狀非常吻合，所以這些損傷是接箍斜插入吊卡內(nèi)孔內(nèi)被吊卡擦傷及擠壓造成。

2 套管材料力學性能及套管幾何參數(shù)檢驗

對脫扣套管的接箍、兩根未用過的套管、幾片打撈上來的套管碎片進行化學成分分析和力學性能試驗，結(jié)果都符合API Spec 5CT規(guī)定。

圖1 接箍大約有一半圓周的承載面及周邊被擦傷或擠壓變形

圖2 接箍大約有一半圓周的承載面及周邊被擦傷或擠壓變形

圖3 顯示圖1、圖2左邊半部分的形貌

圖4 顯示圖1、圖2右邊半部分的形貌

脫扣套管接箍的關(guān)鍵幾何尺寸見表1，符合API Spec 5CT規(guī)定。對同批次但還未下井的套管的螺紋參數(shù)進行了檢測，其結(jié)果符合API Spec 5B規(guī)定。

表1 脫扣套管接箍的有關(guān)幾何尺寸

*注：為接箍工廠端無損傷處承載面寬度b測量值。

3 事故原因分析

套管螺紋連接強度的影響因素有套管材料強度、套管螺紋參數(shù)、接箍尺寸等[1]。

套管幾何尺寸和螺紋參數(shù)是影響套管螺紋連接強度的重要因素，本次事故套管的一些重要尺寸如套管接箍承載面寬度等都符合API Spec 5CT規(guī)定。內(nèi)、外螺紋的緊密距和錐度等螺紋參數(shù)也符合API Spec 5B規(guī)定，這說明螺紋加工質(zhì)量符合要求，不是套管脫扣的原因。

雖然套管材料強度也是影響套管螺紋連接強度的重要因素，但是該事故套管材料性能符合API Spec 5CT規(guī)定，也不是套管脫扣的原因。

根據(jù)接箍損傷形貌分析，套管落井是由于接箍偏斜插入吊卡內(nèi)孔，如圖5所示，螺紋之間無法嚙合，同時產(chǎn)生強大沖擊力，由此導致接箍以下套管滑脫落井。

圖5 接箍偏斜插入吊卡內(nèi)孔示意圖

圖6和表2是吊卡的關(guān)鍵幾何尺寸，由于磨損及活門變形的緣故，沿活門開啟方向測量的內(nèi)孔直徑D1為145 mm，該值超過了SY/T 5041的規(guī)定。活門承載面內(nèi)孔邊沿被磨損成為明顯的圓角，該圓角半徑約1.5 mm。如果當套管管體正好完全靠向活門對面內(nèi)孔壁時，那么在內(nèi)孔的活門一側(cè)就有比較大的空隙，如圖7所示，這個空隙的寬度可達(145+1.5)-140=6.5 mm，大于套管接箍的承載空間寬度6.0 mm，如圖8所示；這樣在套管柱巨大拉力作用下，接箍就會斜插入吊卡內(nèi)孔。由此可見吊卡活門變形導致內(nèi)孔增大及活門承載面內(nèi)孔邊沿磨損是套管接箍偏斜插入吊卡內(nèi)孔的主要原因。

圖6 吊卡結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖

項目吊卡孔徑/mm承載面內(nèi)孔邊沿圓角半徑/mm測量值直徑D1直徑D2活門主體145.0143.01.50.5SY/T 5041規(guī)定142+1.6/

圖7 內(nèi)孔的活門一側(cè)比較大的空隙示意圖

經(jīng)調(diào)查，該井設計深度2 030 m，套管設計深度2 025 m，抗拉安全系數(shù)3.00。但實際完井深度2 424 m，套管落井長度為2 185.32 m，超出了設計范圍，套管柱拉伸載荷增大。雖然在正常情況下套管柱仍有足夠高的安全性，但增大了套管下入風險，如果實際井深沒有超過設計深度，那么當套管下入深度最多到2 025 m時就會完成下套管作業(yè)，而不會出現(xiàn)當套管下到2 185 m時發(fā)生落井事故，所以實際套管深度超過設計深度也是套管滑脫落井的促進因素。

圖8 吊卡內(nèi)孔尺寸與套管接箍端面尺寸/mm

4 結(jié) 論

吊卡經(jīng)過多年使用后，側(cè)開活門已經(jīng)變形，邊沿磨損嚴重，已經(jīng)不能承擔下放套管作業(yè)重任。在套管上扣完畢，提起吊卡下放套管時，套管接箍偏斜插入吊卡內(nèi)孔，導致套管滑脫落井。此類事故并非個別事故，幾乎每年都有發(fā)生。相比套管，一個小吊卡費用并不高，但作業(yè)方為了節(jié)約一點經(jīng)費，不及時更換吊卡，造成重大損失，教訓深刻。