曾 鋒， 楊專釗， 李德君， 李蘭云

（1. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安710065；2. 中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院， 西安710077）

1 概 述

套管是油井中至關(guān)重要的部件之一， 起到支撐井壁、 封固地層和防止坍塌的作用[1]。 套管失效是各油田生產(chǎn)過程中不可避免的問題， 其中最為嚴(yán)重的問題是套管接頭的失效[2]。 生產(chǎn)使用中，在套管連接螺紋處經(jīng)常會(huì)發(fā)生疲勞斷裂、 漏失、擠毀、 粘扣、 破損、 偏磨、 腐蝕等失效事件[3]， 螺紋連接處的失效事故占比超過80%[4]。 套管失效嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)油氣井報(bào)廢和重大安全生產(chǎn)事故的發(fā)生， 給油田帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失[5-6]。

某公司在Φ193.7 mm×8.83 mm J55 LC 套管固井作業(yè)時(shí)， 需將套管柱上提5 mm， 上提懸重6 t，在校正環(huán)形鋼板時(shí)套管突然發(fā)生異響， 造成第15 根套管公扣斷裂， 公扣殘余7 扣12 mm， 剩余88 mm 公扣殘留在第16 根母接箍?jī)?nèi)， 裂痕參差不齊， 幾處絲扣因斷裂有磨平現(xiàn)象， 井下套管魚頭處在表套之內(nèi)。 送檢斷脫套管實(shí)物照片如圖1所示， 送檢套管僅保留部分外螺紋， 失效套管的接箍在井內(nèi)尚未打撈出， 殘留的外螺紋與接箍并未送檢， 故無法對(duì)接箍進(jìn)行觀察。 本研究通過管體尺寸測(cè)量、 斷口宏觀形貌和微觀形貌分析， 以及管材理化性能檢測(cè)， 對(duì)套管斷裂失效原因進(jìn)行分析， 希望對(duì)油田的安全生產(chǎn)提供參考借鑒。

圖1 送檢失效套管實(shí)物照片

2 理化試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 套管尺寸測(cè)量

2.1.1 壁厚及外徑測(cè)量

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11344—2008， 用DATAKA MX-5 型超聲測(cè)厚儀及游標(biāo)卡尺對(duì)失效套管管體外徑與壁厚進(jìn)行測(cè)量， 檢測(cè)位置如圖2 所示。

圖2 管體幾何尺寸檢驗(yàn)位置示意圖

根據(jù)外徑、 壁厚的實(shí)際測(cè)量結(jié)果可得套管內(nèi)徑均值約為177.37 mm。 將外螺紋沿縱向剖開，發(fā)現(xiàn)螺紋徑向收縮明顯， 如圖3 所示。 經(jīng)測(cè)量失效外螺紋斷口處管體的內(nèi)徑僅為172.93 mm， 內(nèi)徑收縮率達(dá)到2.5%， 表明在失效螺紋斷口處存在較大的應(yīng)力作用導(dǎo)致了塑性變形。

圖3 斷口處縱斷面螺紋徑向收縮照片

2.1.2 同批次套管螺紋參數(shù)檢測(cè)

失效套管外螺紋粘扣嚴(yán)重且不完整， 以至于失效螺紋參數(shù)無法測(cè)量。 對(duì)送檢的同批次Φ139.7 mm×9.17 mm J55 LC 未失效套管和接箍的螺紋依據(jù)API 5B 和API 5CT 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明被檢同批次套管和接箍的螺紋參數(shù)及幾何尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求， 則排除了螺紋參數(shù)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求引起失效的可能。

2.2 螺紋宏觀形貌分析

失效套管殘存的外螺紋宏觀形貌如圖4 所示。 由圖4 可以看出， 斷口處外螺紋粘扣現(xiàn)象嚴(yán)重， 從倒數(shù)第6 扣完整扣至第9 扣， 部分螺紋結(jié)構(gòu)被完全磨平。 圖5 為失效套管斷口形貌， 從圖5 可以發(fā)現(xiàn)， 斷口絕大部分?jǐn)嗔衙嫫教梗?為脆性斷口， 斷口上突起的部分與主斷面成一定夾角的部分為最后斷裂的瞬斷區(qū)， 約占整個(gè)斷口的1/5， 且斷口上還可觀察到2 個(gè)裂紋源， 由外壁呈放射狀向內(nèi)壁延伸。 套管螺紋處發(fā)生的斷裂情況為脆性斷裂， 并具有多源起裂特征。

圖4 失效套管外螺紋宏觀形貌

圖5 失效套管斷口宏觀形貌

2.3 微觀形貌分析

將套管斷口上的裂紋源區(qū)以線切割的方式切取下來， 并徹底清理后采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析， 斷口形貌如圖6 所示。 由圖6 可以看出，斷口具有解理斷裂特征， 脆性斷裂特征顯著， 斷口的裂紋源區(qū)還能觀察到較多的二次裂紋。

圖6 套管斷口SEM 形貌及二次裂紋

2.4 化學(xué)成分分析

依據(jù)ASTM A751-14a 標(biāo)準(zhǔn)， 在失效的管體上取樣， 濕度56%及檢測(cè)溫度24 ℃的條件下，采用ARL4460 直讀光譜儀檢測(cè)其化學(xué)成分， 檢測(cè)結(jié)果符合API SPEC 5CT—2018 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.5 金相分析

采用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡， 在失效套管的管體和外螺紋上取樣進(jìn)行組織分析， 結(jié)果如圖7 所示。 從圖7 可以看出， 失效套管金相組織為珠光體 （P） +鐵素體 （F） +沿晶界析出的魏氏體鐵素體（WF）， 并且管體出現(xiàn)混晶組織及帶狀組織， 混晶組織中約有40%晶粒的晶粒度為4.0 級(jí)， 剩余約60%晶粒的晶粒度為8.5 級(jí)，為J55 LC 套管的常規(guī)組織。

圖7 失效套管管體微觀組織

2.6 力學(xué)性能分析

2.6.1 拉伸試驗(yàn)

沿失效套管管體縱向取板狀試樣， 規(guī)格為25 mm×50 mm （寬×標(biāo)距）， 檢測(cè)條件為室溫，采用UTM5305 材料試驗(yàn)機(jī)， 依據(jù)ASTM A370-18標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見表1。 表1 試驗(yàn)結(jié)果表明， 失效套管的拉伸性能符合API SPEC 5CT—2018 的要求。

表1 失效套管接箍與管體拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.6.2 沖擊試驗(yàn)

依據(jù)ASTM A370-18 標(biāo)準(zhǔn)， 夏比V 形缺口沖擊試樣規(guī)格為5 mm×10 mm×55 mm， 試驗(yàn)溫度為20 ℃， 采用PIT302D 沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行橫向夏比V 形沖擊試驗(yàn)， 沖擊吸收能量平均值為25 J。

2.6.3 硬度試驗(yàn)

依據(jù)ASTM E10-18 標(biāo)準(zhǔn)， 用KB30BVZ-FA維氏硬度計(jì)對(duì)失效套管斷口裂紋源附近的管體和遠(yuǎn)離斷口位置的管體進(jìn)行硬度測(cè)試， 在失效螺紋表面、 中部及內(nèi)壁附近各測(cè)試3 個(gè)點(diǎn)； 遠(yuǎn)離斷口的管體在內(nèi)壁、 中部及外壁附近各測(cè)3 個(gè)點(diǎn)， 測(cè)試位置如圖8 所示， 硬度測(cè)試結(jié)果見表2。 由表2可知， 斷口附近螺紋表面的硬度顯著高于管體中部及內(nèi)壁的硬度， 失效部位外螺紋近表面硬度超過310HV， 遠(yuǎn)高于除螺紋外表面之外的管體硬度。 可見， 加工硬化現(xiàn)象在金屬材料的冷變形中產(chǎn)生， 從而會(huì)造成材料的硬度升高， 塑性、 韌性下降。

圖8 失效套管硬度測(cè)試位置

表2 失效套管硬度檢測(cè)結(jié)果

3 斷裂失效原因分析

由金相分析可知， 失效套管的內(nèi)部組織為J55 LC 套管的常規(guī)組織， 排除了由于組織異常引起的失效。 另外， 套管螺紋參數(shù)、 上扣作業(yè)都會(huì)影響螺紋兩側(cè)的接觸應(yīng)力， 然而同批次管材螺紋參數(shù)檢測(cè)結(jié)果表明， 失效套管的螺紋參數(shù)符合API SPEC 5B—2017 標(biāo)準(zhǔn)要求， 排除了套管和接箍螺紋參數(shù)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求而引起失效的可能性。

圓螺紋嚙合后， 螺紋兩側(cè)的接觸應(yīng)力大小在螺紋嚙合全長(zhǎng)上呈“馬鞍型” 分布， 即前后端螺紋接觸應(yīng)力高， 中間螺紋接觸應(yīng)力低[8]， 該套管螺紋斷裂失效位置正好處于接觸應(yīng)力最大的部位， 如圖9 所示。 從圖9 可知， 接觸應(yīng)力不當(dāng)是引起套管斷裂失效的主要原因， 應(yīng)該為上扣作業(yè)控制不當(dāng)引起的。 在上扣作業(yè)過程中， 錯(cuò)扣、 夾持位置不當(dāng)、 扭矩控制不當(dāng)?shù)榷紩?huì)使得套管螺紋的接觸應(yīng)力變大， 當(dāng)管材屈服強(qiáng)度低于接觸應(yīng)力時(shí)， 造成螺紋接觸面摩擦力加大， 致使在螺紋表面出現(xiàn)粘著磨損現(xiàn)象， 最終引起粘扣。 在粘著磨損過程中， 螺紋產(chǎn)生大量微裂紋， 在螺紋旋合全長(zhǎng)齒面接觸應(yīng)力最大的部位， 微裂紋首先擴(kuò)展成為宏觀裂紋， 從而導(dǎo)致套管在該處發(fā)生脆性斷裂。

圖9 螺紋嚙合后全長(zhǎng)上的齒面接觸應(yīng)力變化情況

4 結(jié)論及建議

（1） 套管斷裂的主要原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)上扣作業(yè)控制不當(dāng)， 導(dǎo)致管材屈服強(qiáng)度低于接觸應(yīng)力， 造成螺紋接觸面摩擦力加大出現(xiàn)粘著磨損， 在粘著磨損過程中， 螺紋管體產(chǎn)生大量微裂紋， 在螺紋旋合全長(zhǎng)齒面接觸應(yīng)力最大的部位， 微裂紋首先擴(kuò)展成為宏觀裂紋， 最終導(dǎo)致套管斷裂。

（2） 在現(xiàn)場(chǎng)上扣作業(yè)中引入自動(dòng)對(duì)扣機(jī)，能提高上扣操作的對(duì)中率， 減少錯(cuò)扣、 粘扣的發(fā)生。

（3） 在現(xiàn)場(chǎng)上卸扣作業(yè)中采用自動(dòng)裝置控制扭矩值， 實(shí)現(xiàn)超限操作立即停止。

（4） 對(duì)油套管產(chǎn)品加強(qiáng)抽檢， 特別是上卸扣等實(shí)物性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)， 確保油套管產(chǎn)品的質(zhì)量。