馮 定,晏 健,張 紅,施 雷,馬 威,李志敏

(長江大學 機械工程學院,湖北 荊州434023)

某海上油井隔水管斷裂原因分析

馮 定,晏 健,張 紅,施 雷,馬 威,李志敏

(長江大學 機械工程學院,湖北 荊州434023)

某海上油井在鉆井過程中下入339.7 mm(138英寸)隔水管時發(fā)生斷裂。取樣并進行化學成分分析、拉伸性能和夏比V型缺口沖擊試驗,材料性能均符合標準要求。對斷口處進行宏觀和微觀觀察、能譜分析,在斷口處發(fā)現(xiàn)了大塊夾雜區(qū)。經綜合分析,判定該隔水管的失效原因為惡劣服役環(huán)境下其薄弱環(huán)節(jié)(即含大尺寸夾雜處)發(fā)生彎曲而斷裂。

海上油井;隔水管;斷裂

隨著石油資源的不斷開采,石油天然氣勘探開發(fā)向極地、沙漠和海洋拓展,面向深井、海域等惡劣工況環(huán)境,開采難度越來越大,對油氣管提出了更高的性能要求。因此,對高強、高韌隔水管的需求也越來越大[1-2]。N80隔水管鋼作為一種微合金控軋鋼,是近年來發(fā)展起來的一種高強度、高韌性的新鋼種,隨著多數(shù)油田開采進入中后期,N80隔水管的使用愈加廣泛[3]。目前,N80石油隔水管用量約占隔水管總量的50%,隔水管的損壞在國內外呈上升趨勢,主要表現(xiàn)為隔水管被擠毀、錯斷、斷裂、嚴重變形以及嚴重腐蝕。這些失效嚴重妨礙了油田的正常生產,已成為目前國內外石油開采中的一個急需解決的重要問題之一[4-5]。某海上油田選用規(guī)格為339.7 mm(138英寸)的N80隔水管,在下入過程中遇阻,出現(xiàn)彎曲以致斷裂的事故。本文通過試驗,分析該隔水管的斷裂原因,為防止該類事故的發(fā)生提供參考。

1 現(xiàn)場事故調查

某海上油井在定向鉆達預定深度850 m后,按照設計下入339.7 mm(138英寸)隔水管。隔水管下至386 m時遇阻,下壓100 k N通過。繼續(xù)下隔水管至404～406 m時再次遇阻,嘗試最大下壓力115 k N,無法通過。此時在月池(一般半潛平臺上甲板中間開有月池,方便平臺鉆井采油)觀察到隔水管有些傾斜,通知ROV(水下機器人)觀察井口,發(fā)現(xiàn)隔水管在井口處發(fā)生彎曲,如圖1所示。

圖1 井口處隔水管彎曲情況

起出隔水管至剩余15根時,ROV聲吶掃描發(fā)現(xiàn)井口附近有異常,鉆臺暫停作業(yè)。檢查確認發(fā)生彎折的隔水管在本體上斷裂,共118.3 m隔水管落海。繼續(xù)起出隔水管,發(fā)現(xiàn)最后1根隔水管的斷口處有多處裂紋、沙眼及腐蝕銹跡,如圖2所示。該隔水管的材質為N80鋼級。

圖2 隔水管斷口形貌

本次事件從隔水管斷落時開始計算,到重新下隔水管到事件前位置,總共用時51.75 h,造成了極大的經濟損失。

2 試驗和分析

為確定隔水管的斷裂原因,依據API Spec 5CT的材料要求,需對現(xiàn)場取回的試樣進行化學成分、拉伸性能和夏比V型缺口沖擊試驗,用于確定材料的性能是否符合標準的規(guī)定[6]。若不符合標準規(guī)定則可直接認定是由于隔水管材料性能不符合標準導致斷裂失效;若符合標準的規(guī)定,則需要對斷口處的材料進行金相分析,確認材料在斷口處是否存在夾雜以及材質不均等因素,使隔水管因局部缺陷導致斷裂失效?，F(xiàn)場取樣:隔水管上端斷口試樣及隨機抽取未斷裂隔水管試樣。

2.1 化學成分

分析試樣在隨機抽取的未斷裂隔水管試樣上提取,經劃線、氬弧焊氣割、鋸床切割、刨床刨平、磨床磨平等,制作尺寸為5 cm×4 cm×1 cm的化學成分試驗樣本,如圖3所示。

圖3 化學成分分析試樣

用直讀光譜儀分析該試樣的化學成分,結果如 表1?；瘜W成份符合API Spec 5CT規(guī)定。

表1 斷裂隔水管試樣的化學成分 w B%

2.2 拉伸性能

依據GB/T228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》和API Spec 5CT—2005《隔水管和油管規(guī)范》的要求,在隨機抽取的未斷裂隔水管試樣上提取縱向弧形試樣,經劃線、氬弧焊氣割、鋸床切割、銑床銑面等程序制作而成[7-8]。試樣加工各尺寸參數(shù)值為:標距長度50 mm,寬度38 mm±3 mm,最小過度圓半徑40 mm,縮減截面長度60 mm±0.1 mm,如圖4所示。

圖4 拉伸試驗試樣

試驗結果如表2所示,可見材料的拉伸性能符合標準要求。

表2 斷裂隔水管試樣的拉伸試驗結果

2.3 沖擊性能

參考API Spec 5CT—2005《套管和油管規(guī)范》中夏比沖擊試驗的要求,考慮到隔水管的周向和軸向承受載荷的不同,沖擊試驗時分別在隔水管的橫向和縱向進行了取樣,取樣位置如圖5所示。

在隔水管的橫向和縱向上分別進行了二組取樣,以便于進行對比試驗;每組又分為四個小組進行對比,其中每個小組各取試樣3個,縱向試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。橫向試樣的尺寸為7.5 mm×10.0 mm×55.0 mm,針對縱向試樣又進行了徑向沖擊和切向沖擊試驗,試驗結果如表3所示,可見材料的沖擊性能符合標準要求。

圖5 沖擊試驗取樣位置

表3 沖擊對比試驗結果

2.4 斷口微觀分析

經對現(xiàn)場取回的試樣進行的化學成分、拉伸性能和夏比V型缺口沖擊試驗,確定材料的性能是否符合標準的規(guī)定,需要對斷口處的材料進行微觀分析,確認材料在斷口處是否存在夾雜以及材質不均等因素,使隔水管因局部缺陷導致斷裂失效[9]。

2.4.1 隔水管斷口處取樣

試驗樣本取自斷裂隔水管的斷口處,由于SEM設備最大只能放入50 mm×20 mm的小樣,所以通過觀察分析斷口形貌及裂紋走向,選取8個重點部位,進行鉬線切割(冷加工),并對所取試樣進行編號(1～8號試樣),重點部位及最終取樣如圖6所示。

圖6 斷口取樣部位及所取試樣編號

2.4.2 斷口微觀形貌

在盡量保證原始斷口形貌不受破壞的情況下,首先用場發(fā)射掃描電鏡對所制8個樣品的斷口表面進行微觀觀察。觀察結果顯示,斷口表面絕大部分區(qū)域已被嚴重的腐蝕銹跡所覆蓋,如圖7所示,只在幾個微小區(qū)域發(fā)現(xiàn)撕裂狀的韌性斷口微觀組織,如圖8所示。

圖7 斷口處腐蝕形貌

圖8 斷口的撕裂狀組織

2.4.3 金相顯微分析

通過對失效隔水管斷口宏觀和微觀形貌觀察,發(fā)現(xiàn)1號和4號試樣位于斷口兩端最大變形處,并存在較大裂紋;2號試樣在1號附近,而且存在2個45°方向的裂紋,所以重點對1、2和4號存在裂紋的斷口試樣金相組織進行觀察分析。在進行了打磨、拋光、浸蝕后,金相組織觀察結果如圖9所示。

圖9 顯微金相分析

試樣觀察結果表明,1號試樣與4號試樣裂紋附近金相組織中只存在幾處微小腐蝕坑,屬正?，F(xiàn)象,并不能導致隔水管失效。2號試樣裂紋附近存在一定量的冶金夾雜和一定量的微裂紋。

2.4.4 掃描電鏡及能譜分析

為進一步確定2號斷口試樣所含夾雜成分及大小,需對2號樣品進一步加工處理。對2號試樣的存在裂紋的兩個面進行切割、打磨、拋光,2號試樣加工處理后如圖10所示,將2個加工面編為1號面及2號面。

圖10 2號試樣最終制樣

經掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)1號面與2號面均存在夾雜,其中1號面夾雜較大,如圖11所示。

圖11 1號面夾雜長度測量

采用GBT 10561—2005標準進行測量,1號面夾雜長度約2.5 mm,屬于超大塊夾雜。

對夾雜進行能譜分析,結果如圖12所示,查詢GBT 10561—2005夾雜物分類標準知夾雜物為B類(氧化鋁類夾雜)。

圖12 夾雜物能譜

2.5 隔水管受力分析

在進行掃描電子顯微鏡及能譜分析時發(fā)現(xiàn)了大塊的B類夾雜,為了進一步確定隔水管的斷裂原因需要模擬隔水管受力,了解存在夾雜處的隔水管應力情況[10-11]。ROV監(jiān)控海底流速流向結果如表4所示。

表4 ROV監(jiān)控海底流向和流速記錄

采用Ansys建立隔水管的受力模型,如圖13所示。

圖13 隔水管受力示意

加載約束后求解,結果如圖14所示,發(fā)現(xiàn)最大應力在井口附近為686 MPa,大于N80隔水管試驗測試得出的屈服極限(565 MPa)。

圖14 隔水管單元等效應力云圖

3 結論

1) 失效隔水管化學成分和拉伸性能以及夏比缺口沖擊試驗均達到API Spec 5CT—2005標準的要求。

2) 失效隔水管斷口處存在B類大尺寸氧化物系冶金夾雜和多處微裂紋。

3) 基于Ansys軟件的海況數(shù)字模擬分析表明,隔水管服役環(huán)境惡劣,使隔水管在井口部存在強大應力,超出隔水管強度極限,致使隔水管在井口附近發(fā)生塑性變形。

4) 隔水管斷裂原因可以判定為惡劣服役環(huán)境下隔水管在薄弱環(huán)節(jié)(即含大尺寸氧化物系冶金夾雜處)發(fā)生彎曲斷裂。

5) 惡劣工作環(huán)境下,海上油井在下隔水管時應適當選擇下壓力。

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Failure Analysis of an Offshore Oil Well Riser

FENG Ding,YAN Jian,ZHANG Hong,SHI Lei,MA Wei,LI Zhi-min
(School of Mechanical Engineering,Yangtze University,Jingzhou 434023,China)

The 13-3/8”riser failure accident occurred in the process of an offshore oil well drilling.The riser sampling and chemical analysis,tensile properties and Charpy V-notch impact test were tested.The basic properties of the riser were in line with the standard requirements.Large inclusions were found when macroscopic and microscopic examination as well as energy spectrum anal-ysis were used to detect the broken riser.Through comprehensive analysis,to determine the failure reasons of the riser for bad service environment of its weak links(including large size inclusions)bending fracture.

offshore oil well;riser;fracture

TE951

A

1001-3482(2014)02-0033-06

2013-08-08

中海石油(中國)有限公司重大科研項目(Z2011SLSZ-399)。

馮 定(1963-),男,安徽東至人,博士,教授,博士生導師,主要從事石油機械及井下工具的設計、診斷及動態(tài)仿真的技術研究。