国内某油田注二氧化碳采油井油层套管失效分析

韩进山，李恒政，扈立，王正，张旭

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

国内某油田注二氧化碳采油井油层套管失效分析

韩进山，李恒政，扈立，王正，张旭

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

针对国内某油田注二氧化碳驱油井套管在使用过程中发生断裂失效，通过宏观观察、化学成分分析，金相宏观观察，SEM微观观察，力学性能测试，韧脆转变温度计算，有限元计算对失效套管原因进行分析。结果表明：套管材料在低温下呈现低温脆性，套管内表面局部应力集中，在其作用下，套管发生脆性断裂。

超注二氧化碳；油层套管；圆螺纹；断裂；选材

1 引言

我国各大油田每年都有石油套管断裂事故发生，给油田带来了巨大的经济损失[1-5]。国内某油田采用CO2驱油工艺增产，使用N80 1类Φ139.70 mm×9.17 mm圆螺纹套管作为油层套管，套管下至3 075.46 m固井，随后实施压裂注气作业，注气后下入油管，使用封隔器封隔油套管环空。该井投产10个月后大修过程中，上提悬挂器吨位30 t时，提出悬挂器+双公+Φ139.70 mm×9.17 mm套管一支，经地面检查发现套管公螺纹缺损。

针对油田送检的失效套管样品，从样品几何尺寸、理化性能、螺纹断口形貌等方面进行宏观、微观分析，根据相关检验结果及螺纹断口分析结果，推测井下套管断裂原因，并给出套管选材、使用方面的建议。

从油田送检失效套管进行失效分析。采用宏观观察、化学成分分析、金相宏观观察、SEM微观观察、力学性能测试、韧脆转变温度计算、有限元计算等分析方法，确定套管断裂原因。

2 失效样管的理化性能检验

油田送检失效套管见图1。

图1 油田送检失效套管

2.1 化学成分分析

对样品进行化学成分检验，结果如表1所示。检测结果满足标准要求。

2.2 力学性能检测

对样品进行拉伸、冲击性能检测，结果表明力学性能检测结果满足标准要求，结果如表2所示。

2.3 系列温度冲击试验

对样管材料进行-60~100℃系列温度冲击试验，并根据试验结果绘制材料的韧脆转变温度曲线，结果见图2。

表1 化学成分检测结果

表2 力学性能检测结果

图2 套管材料的韧脆转变温度曲线

由图2可以看出，套管材料的韧脆转变温度为+49℃。当环境温度低于+49℃时，套管材料表现出脆性倾向，裂纹扩展阻力下降，材料断裂特征表现为脆性解理断裂特征，失效样管F+P组织见图3。

图3 失效样管F+P组织

2.4 金相分析

样管的夹杂物及晶粒度检验结果见表3，检测结果满足标准要求。

图3所示为样管材料室温下F（铁素体）+P（珠光体）组织，该组织符合N80 1类套管轧态交货组织特点，无晶粒粗大及组织偏析现象。

3 失效样管断口分析

3.1 断口宏观特征

如图4所示，失效套管在打捞、取样过程中，断口发生磕碰导致断口宏观形貌损坏，无法进行分析。

图5所示的断口局部形貌可以看出，断裂由套管内壁裂纹源引发，裂纹沿壁厚方向由内至外扩展做快速低能量撕裂，放射线平行于裂纹扩展方向，指向外壁，形成大面积放射区，放射区呈现迅速撕裂的解理状脆性断口特征。断裂后期，在靠近外表面附近形成较窄的杯状剪切唇，与拉伸轴呈45°[7]。

表3 金相检测结果

图4 套管断口宏观形貌

图5 断口局部宏观形貌

3.2 断口微观特征

图6、图7为放大倍数200×时，试样断口裂纹源及扩展区扫描电镜照片。可以看出，裂纹源断口呈现出较长周期内缓慢撕裂、逐渐扩展的小尺寸解理断口微观特征；而裂纹扩展区在拉伸试验载荷作用下迅速撕裂，断口表现为平坦光滑的河流状解理特征，进一步确定为脆性断裂。

3.3 断口附近金相组织观察

对断口微裂纹附近金相组织进行了观察分析，组织照片如图8所示。

失效套管钢级为N80-1，管体交货状态为轧态。该套管终轧温度820~860℃，如果裂纹在轧制过程中产生，在该温度下裂纹部位应该出现局部脱碳氧化，造成组织异常。如图8所示，裂纹部位组织均为F+P，属于在线常化工艺套管正常组织，未出现局部氧化脱碳及组织异常，因此排除冶炼成分偏析以及轧制过程中形成裂纹的可能性。

图6 试样裂纹源解理状断口微观形貌

图7 试样裂纹扩展区解理状断口微观形貌

图8 试样断口裂纹及F+P组织

4 套管断裂原因分析

4.1 套管服役工况

已知下井时的泥浆密度为1.10×103kg/m3，在管串浮重及内压产生的轴向总载荷作用下，套管螺纹承受约为300 MPa轴向应力[10]，见表4。此外，封隔器失封后CO2气体泄漏进入环空，通过与环空保护液不断发生置换向井口位置聚集，使环空带压，套管内表面承受不超过30 MPa（注气压力）的内压。同时，由于注CO2工艺，N80-1套管材料还处于-20℃低温环境下。

表4 套管螺纹承载计算

4.2 圆螺纹接头特点及受力分析

失效套管为LC（长圆螺纹）扣型，该扣型螺纹接头机紧后示意图如图9所示。

图9 长圆螺纹（LC）接头连接示意图

如图9所示，Φ139.70 mm×9.17 mm LC套管外螺纹全长L4=88.9 mm，完整螺纹长度L2=81.66 mm[11]。在LC螺纹加工过程中，螺纹车刀行进至L2位置后抬刀，因此L2是管体最后一圈完整螺纹的位置，也是机紧后接箍螺纹与管体螺纹啮合的最后一圈。当接箍与管体拧紧后，管体L2位置容易出现螺纹接触应力集中，也是发生螺纹断裂的危险截面。

4.3 LC扣型螺纹接触应力计算

根据以上受力特点，对套管接箍拧紧后、轴向应力为300 MPa时，环空内压力从0~30 MPa变化的情况下，螺纹接头应力分布状况进行了有限元分析。

如图10所示，接箍拧紧时螺纹线方向上出现局部应力集中现象，管端和螺纹根部接触应力较高，其中螺纹根部最后一圈完整螺纹位置应力集中最为明显，呈现“马鞍形”分布特点。与此同时，随着轴向载荷与环空内压逐渐增加，应力集中水平也显著升高。应力-应变曲线见图11。

5 失效分析结论

圆螺纹套管接箍机紧后，公端L2位置产生较大应力集中，轴向载荷与内压共同作用使应力集中水平增加。根据弹性力学原理可知，套管内壁应力水平最高，因此套管失效应该从内壁开始。

注CO2气体过程中，低温环境导致封隔器失封，注入的CO2气体由封隔器进入油套内部并与环空保护液发生置换，气体上窜至环空上部接近井口位置。由于注入CO2气体在井口位置温度最低（接近-20℃），因此井口位置套管处于低温环境中。

图10 螺纹线方向上接触应力分布状态

图11 应力-应变曲线

N80 1类套管韧脆转变温度为+49℃，在低温环境中套管材料韧性较差，在应力集中部位极易产生微裂纹。

由于注CO2工艺为长周期、间歇式作业，因此套管受周期性载荷作用，导致裂纹形成后由内壁向外壁扩展。

大修作业过程中上提套管柱时，瞬间轴向载荷作用引发裂纹迅速扩展，造成套管脆性断裂。

6 套管选材建议

根据失效分析结论，对采用该采油工艺工况条件下套管选材及施工作业提出如下建议：

提高固井质量，确保油层套管柱外水泥充满并有限胶结。

选用具有优异低温韧性的套管材料，韧脆转变温度低于CO2入井温度。

选用API偏梯形等自然退刀加工螺纹的套管，减轻接箍机紧后产生的应力集中。

考虑到井下高温含水环境，应注意CO2气体对套管产生腐蚀作用，套管柱适当位置应选用抗CO2腐蚀套管。

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[11]API SPEC 5B-2008，套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范[S].

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

韩进山（1964—），硕士，副高级工程师，主要从事产品销售和技术方面的研究工作。