楊向同, 呂拴錄,2, 彭建新, 王 鵬, 宋文文, 李金鳳, 耿海龍, 文志明, 石桂軍, 樊文剛

(1. 塔里木油田 油氣工程研究院, 庫(kù)爾勒 841000； 2. 中國(guó)石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程系, 北京 102249； 3. 中國(guó)石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院, 西安 710065)

某井特殊螺紋接頭油管脫扣原因分析

楊向同1, 呂拴錄1,2, 彭建新1, 王 鵬3, 宋文文1, 李金鳳3, 耿海龍1, 文志明1, 石桂軍1, 樊文剛1

(1. 塔里木油田 油氣工程研究院, 庫(kù)爾勒 841000； 2. 中國(guó)石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程系, 北京 102249； 3. 中國(guó)石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院, 西安 710065)

對(duì)某井特殊螺紋接頭油管脫扣事故進(jìn)行了深入調(diào)查研究，對(duì)失效油管試樣進(jìn)行了宏觀分析、幾何尺寸測(cè)量、金相分析、力學(xué)性能試驗(yàn)和化學(xué)成分分析;對(duì)油管在井下的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，對(duì)油管脫扣和接箍開(kāi)裂的先后順序進(jìn)行了推斷。結(jié)果表明：油管接箍脆性開(kāi)裂導(dǎo)致了油管脫扣事故，油管接箍開(kāi)裂主要與其材料屈服強(qiáng)度、硬度偏高以及修井過(guò)程中油管所受的溫度載荷有關(guān)。

油管；脫扣；接箍；開(kāi)裂

2012年9月27日，某井修井起原井油管，發(fā)現(xiàn)第167號(hào)φ88.9 mm×6.45 mm S13Cr110特殊螺紋接頭油管脫扣,落魚(yú)魚(yú)頭是第166號(hào)油管接箍,魚(yú)頂深度4 441.61 m,落魚(yú)長(zhǎng)度2 161.13 m。采用母錐僅撈獲第166號(hào)縱向開(kāi)裂的油管接箍,落魚(yú)魚(yú)頭是166號(hào)油管工廠(chǎng)端外螺紋接頭。該井油管下井記錄表明，第167號(hào)油管外螺紋接頭與第166號(hào)油管接箍現(xiàn)場(chǎng)端上扣連接扭矩正常。為查明該井油管脫扣原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖1 脫扣油管外螺紋接頭變形帶形貌Fig.1 The deformation band morphology of joint pin of the pulled out tubing

圖2 與圖1所示變形帶相隔180°位置第12～15扣螺紋損傷形貌Fig.2 The damage morphology of No.12-15 thread apart 180° from deformation band in Fig.1

脫扣的油管外螺紋接頭表面有一條縱向損傷變形帶，從外螺紋接頭大端到小端，變形帶逐漸變窄，其螺紋承載面嚴(yán)重?fù)p傷變形后倒向?qū)蛎?，如圖1所示，從外螺紋接頭端面觀察，該區(qū)域螺紋頂部像沿縱向切掉一樣。與變形帶相隔180°位置第12～15扣螺紋承載面也有脫扣時(shí)與內(nèi)螺紋干涉造成的損傷痕跡，如圖2所示。外螺紋接頭上的變形條帶是在脫扣過(guò)程中與破裂的接箍接觸干涉所致，說(shuō)明在脫扣之前接箍已經(jīng)開(kāi)裂。外螺紋接頭扭矩臺(tái)肩無(wú)異常過(guò)扭矩變形痕跡，說(shuō)明該接頭承受的扭矩正常。

對(duì)脫扣外螺紋接頭不同部位螺距偏差測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3，錐度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)外螺紋接頭大端螺距變小，說(shuō)明脫扣時(shí)該部位螺紋變形嚴(yán)重，即接頭大端螺紋受力大；外螺紋接頭大端錐度變小，說(shuō)明大端外徑變小，即脫扣外螺紋接頭大端已經(jīng)發(fā)生拉伸頸縮變形。

圖3 脫扣油管外螺紋接頭不同位置的螺距偏差Fig.3 The pitch deviation of joint pin of the pulled out tubing at different positions

脫扣油管接箍縱向開(kāi)裂，接箍現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)端端面外壁位置裂口寬度13.55 mm，如圖4所示。斷口上有明顯可見(jiàn)的收斂于裂紋源區(qū)的人字紋，裂紋源區(qū)斷口較平，顏色呈鐵銹色，其外壁軸向?qū)挾燃s7 mm，內(nèi)壁軸向?qū)挾燃s13 mm，局部貫穿接箍?jī)?nèi)外壁，如圖5所示。接箍斷口原始裂紋區(qū)靠端面位置外壁僅有一“三角形”局部區(qū)域,沒(méi)有機(jī)加工刀痕，其軸向?qū)挾燃s5 mm，周向?qū)挾燃s4 mm，“三角形”區(qū)域顏色與原始斷口顏色一致，由此判斷該區(qū)域也是原始裂紋區(qū)的一部分(空間分布)。除原始裂紋區(qū)外，整個(gè)斷口為脆性斷口。與接箍現(xiàn)場(chǎng)端裂口相隔約90°位置端面首扣螺紋承載面變形后倒向?qū)蛎?，接箍螺紋損傷變形程度相對(duì)于外螺紋接頭較輕，說(shuō)明接箍硬度高于外螺紋接頭硬度。接箍扭矩臺(tái)肩完好，說(shuō)明接箍開(kāi)裂時(shí)所受扭矩并不大。

表1 脫扣外螺紋接頭不同位置的錐度Tab.1 The taper of pin pulled out in different position

圖4 油管接箍裂口形貌Fig.4 The crack morphology of the tubing coupling

圖5 油管接箍斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of the tubing coupling

開(kāi)裂油管接箍?jī)?nèi)螺紋不同位置螺距偏差測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6。螺距測(cè)量結(jié)果表明，在脫扣時(shí)由于接箍開(kāi)裂，不同圓周部位螺紋受力不同。

宏觀分析結(jié)果表明，油管接箍開(kāi)裂導(dǎo)致油管接頭脫扣。

1.2 金相分析

采用MEF4M型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對(duì)油管基體材料進(jìn)行金相分析。由表2可見(jiàn)，脫扣外螺紋接頭和開(kāi)裂接箍的非金屬夾雜物含量不高，晶粒細(xì)小，顯微組織為正常的回火索氏體。

圖6 開(kāi)裂油管接箍?jī)?nèi)螺紋不同位置的螺距偏差Fig.6 The pitch deviation of joint box of the cracked tubing coupling at different positions

試樣非金屬夾雜物含量ABCD細(xì)粗細(xì)粗細(xì)粗細(xì)粗晶粒度顯微組織脫扣外螺紋接頭0．501．00001．008級(jí)回火索氏體開(kāi)裂接箍0．500．50001．008級(jí)回火索氏體

接箍裂紋源區(qū)斷口表層有一層灰色非金屬物，其下方有多條裂紋。裂紋擴(kuò)展區(qū)(裂紋兩側(cè))組織與其他區(qū)域相同。裂紋內(nèi)有灰色非金屬物，如圖7所示。斷口附近接箍端面外壁裂紋里也有類(lèi)似的灰色非金屬物，其形貌具有淬火裂紋在高溫回火過(guò)程中氧化的特征。裂紋擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)沿晶裂紋形貌，具有明顯的應(yīng)力腐蝕裂紋特征，如圖8所示。

圖7 接箍端面外壁裂紋及附近灰色非金屬物Fig.7 The cracks on outer surface of the coupling end and the nearby gray non-metallic material

圖8 接箍端面外壁裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌及顯微組織Fig.8 The crack propagation area morphology on outer surface of the microstructure

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

分別在脫扣外螺紋接頭和開(kāi)裂接箍上取縱向拉伸試樣，依據(jù)ASTM A370-13使用UH-F500KNI型拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；分別在脫扣外螺紋接頭及開(kāi)裂接箍上取縱向和橫向沖擊試樣，依據(jù)ASTM E23-12c使用PIT302D型沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)；分別在脫扣外螺紋接頭和開(kāi)裂接箍上取硬度試樣，依據(jù)ASTM E8-15使用RB2002型硬度計(jì)對(duì)其進(jìn)行硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，可見(jiàn)脫扣外螺紋接頭和開(kāi)裂接箍的屈服強(qiáng)度以及接箍的硬度均高于油田技術(shù)要求。

1.4 化學(xué)成分分析

采用ARL 4460型直讀光譜儀對(duì)脫扣外螺紋接頭和開(kāi)裂接箍取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4，可見(jiàn)各元素含量均符合油田技術(shù)要求。

2 分析與討論

在自重或外力作用下，油管柱內(nèi)、外螺紋接頭相互分離脫開(kāi)的現(xiàn)象稱(chēng)之為脫扣。脫扣會(huì)導(dǎo)致管柱落井，破壞管柱的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性[1-11]。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The mechanical performance test results

表4 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.4 The chemical composition analysis results (mass fraction) %

前述分析結(jié)果表明，第166號(hào)油管接箍開(kāi)裂，導(dǎo)致第166號(hào)油管接箍?jī)?nèi)螺紋與第167根油管外螺紋現(xiàn)場(chǎng)連接端接頭脫扣。以下分別對(duì)油管脫扣和接箍開(kāi)裂原因及脫扣時(shí)間進(jìn)行分析。

2.1 材料性能對(duì)油管接箍開(kāi)裂的影響

材料屈服強(qiáng)度越高，其對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂越敏感[12]。該井油管接箍材料的屈服強(qiáng)度和硬度均超過(guò)了油田技術(shù)要求，且裂源位置存在原始缺陷，從而導(dǎo)致油管接箍發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[13]。

2.2 失效載荷分析

油管接箍開(kāi)裂之后才發(fā)生脫扣。導(dǎo)致油管接箍縱向開(kāi)裂的載荷主要是拉伸應(yīng)力，拉伸應(yīng)力來(lái)源包括上扣應(yīng)力、內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力以及拉伸載荷產(chǎn)生的應(yīng)力。下面對(duì)油管接箍失效載荷進(jìn)行分析。

油管接頭上扣之后接箍會(huì)承受周向拉伸應(yīng)力。油管上扣扭矩越大，接箍承受的周向拉伸應(yīng)力也越大。該井油管上扣扭矩符合廠(chǎng)家規(guī)定，可以排除上扣扭矩偏大導(dǎo)致接箍縱向開(kāi)裂的可能性。

油管內(nèi)壓越大，接箍承受的周向拉伸應(yīng)力也越大。接箍開(kāi)裂時(shí)油管柱內(nèi)壓低于外壓，因此可以排除油管內(nèi)壓偏大導(dǎo)致接箍縱向開(kāi)裂的可能性。

溫度變化越大，油管柱受到的軸向載荷越大(6 500 m油管柱井口由井口裝置固定，井下由封隔器固定，熱脹時(shí)管柱伸長(zhǎng)受彎曲載荷作用，冷縮時(shí)管柱縮短受拉伸載荷作用)。2011年12月12日該井在系統(tǒng)試井關(guān)井測(cè)壓力恢復(fù)期間，井底高溫天然氣從油管柱里邊流到井口，此時(shí)油管柱受熱伸長(zhǎng)承受壓縮載荷，因此可以排除油管在此期間溫度變化導(dǎo)致接箍縱向開(kāi)裂的可能性。

2012年9月9日12:00-15:00，該井修井采用1.50 g·cm-3的有機(jī)鹽水正擠壓井，地面較低溫度的有機(jī)鹽水從油管柱里流入井底，此時(shí)油管柱受冷收縮承受拉伸載荷。宏觀分析結(jié)果表明，脫扣外螺紋接頭大端已經(jīng)發(fā)生拉伸頸縮變形。這已經(jīng)證明接箍開(kāi)裂和脫扣時(shí)油管承受拉伸載荷，這說(shuō)明在此期間溫度變化產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力是導(dǎo)致油管接箍開(kāi)裂、接頭脫扣的主要原因。

2.3 油管脫扣和接箍開(kāi)裂時(shí)間分析

一般在井口沒(méi)有施工的情況下，管柱壓力不會(huì)突然發(fā)生變化。2012年9月12日7:56，該井地面無(wú)任何操作，油管內(nèi)壓力降低2.881 MPa(由31.637 MPa到28.756 MPa)，A環(huán)空壓力降低2.457 MPa(由48.476 MPa到46.019 MPa)，B環(huán)空壓力降低0.736 MPa(由45.014 MPa到44.278 MPa)。此刻管柱壓力發(fā)生變化，這實(shí)際是接箍開(kāi)裂所致。接箍開(kāi)裂會(huì)引起油管柱容積變化，導(dǎo)致油管、A環(huán)空和B環(huán)空內(nèi)壓變化，其中內(nèi)壓變化最大的應(yīng)當(dāng)是油管，其次是A環(huán)空和B環(huán)空，這與實(shí)際情況一致。

通井可以檢查管柱的結(jié)構(gòu)完整性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管柱結(jié)構(gòu)完整性的變化情況。該井于9月13日13:30采用φ59 mm通徑規(guī)通井至6 400 m，接箍開(kāi)裂位置井深4 441.61 m，這說(shuō)明雖然此時(shí)接箍已開(kāi)裂，但還沒(méi)有導(dǎo)致脫扣。9月14日3:30采用φ59 mm通徑規(guī)通井至4 441.61 m附近遇阻，說(shuō)明此時(shí)接箍開(kāi)裂已經(jīng)導(dǎo)致脫扣。脫扣之后內(nèi)外螺紋接頭已經(jīng)不在同一軸線(xiàn)，即內(nèi)外螺紋接頭已經(jīng)發(fā)生相對(duì)橫向位移，故通徑規(guī)會(huì)在脫扣位置遇阻。

接箍開(kāi)裂之后其兩端的接頭連接強(qiáng)度會(huì)大幅度降低[14]。由于接箍開(kāi)裂起源于現(xiàn)場(chǎng)連接端，現(xiàn)場(chǎng)端裂口更寬，故該接箍現(xiàn)場(chǎng)連接端首先脫扣，在隨后下母錐打撈時(shí)該接箍工廠(chǎng)端脫扣，只撈出了開(kāi)裂的接箍。

3 結(jié)論及建議

(1) 2012年9月12日7:56修井期間第166號(hào)油管接箍開(kāi)裂，9月13日13:30至 9月14日3:30開(kāi)裂的接箍脫扣。

(2) 接箍材料屈服強(qiáng)度和硬度偏高，且裂紋源位置存在原始缺陷，從而導(dǎo)致接箍在溫度載荷作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

(3) 建議井下注液應(yīng)降低排量，減小溫度載荷對(duì)油管柱的影響；嚴(yán)格按照油田要求控制材料性能和質(zhì)量。

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Causes Analysis on Pulling out of a Premium Connection Tubing in One Well

YANG Xiang-tong1, Lü Shuan-lu1,2, PENG Jian-xin1, WANG Peng3, SONG Wen-wen1, LI Jin-feng3, GENG Hai-long1, WEN Zhi-ming1, SHI Gui-jun1, FAN Wen-gang1

(1. Oil and Gas Engineering Resarch Institute, Tarim Oil Field, Korla 841000, China； 2. Material Science and Engineering Department of China University of Petroleum, Beijing 102249, China； 3. CNPC Tubular Goods Research Institute, Xi’an 710065, China)

A thorough investigation was done on the pulling out accident of a premium connection tubing in one well. The macro analysis, geometry dimension measurement, metallographic analysis, mechanical performance test and chemical composition analysis were carried out to the failure tubing samples. The stress state of the tubing was analyzed, and time order of the tubing connection pulling out and the coupling cracking was deduced. The results show that the tubing connection was pulled out due to the brittle cracking of the coupling, and the coupling cracking was mainly related to the high yield strength and high hardness of its material as well as the temperature load of the tubing during repairing well.

tubing; pulling out; coupling; cracking

10.11973/lhjy-wl201704015

2015-11-11

楊向同(1972-)，男，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)井和試油技術(shù)研究和管理工作。

呂拴錄(1957-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事石油管材失效分析、技術(shù)監(jiān)督和科研工作，lvshuanlu@163.com。

TE931

B

1001-4012(2017)04-0291-05

質(zhì)量控制與失敗分析