趙金蘭，仝 珂，李 虹，郭 軍，劉劍雄，劉 青

(1.中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，西安 710077；2.西南油氣田安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，成都 610096；3.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田物資分公司，成都 610017)

0 引 言

隨著石油天然氣勘探技術(shù)的發(fā)展，油氣井逐步向深井、超井深、高溫、高壓、高含硫井發(fā)展，其管道服役工況越來越復(fù)雜。井下油套管經(jīng)常出現(xiàn)脫扣(滑脫)、擠毀/變形、泄漏、破裂/爆裂、表面損傷(磨損、腐蝕)等失效事件，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整口井的報(bào)廢，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失；若井下含腐蝕性氣體，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，甚至?xí)：姷纳】蛋踩玔1-3]。為了應(yīng)對(duì)井下復(fù)雜的服役工況，我國逐漸采用125V、140V等高鋼級(jí)套管，以此來提高承壓能力。目前，國內(nèi)外對(duì)于套管爆裂失效，研究的多為125鋼級(jí)以下的套管[4-6]，對(duì)于125V、140V鋼級(jí)套管的爆裂失效研究較少見。

某井在轉(zhuǎn)試油前進(jìn)行清水全井筒試壓時(shí)出現(xiàn)B環(huán)空起壓的現(xiàn)象。通過測井找漏及注水泥塞后連油帶底封分段找漏，分析出B環(huán)空起壓的原因是井深482.6 m處套管接箍(現(xiàn)場端)附近存在變形和泄漏，該處油層套管管體存在裂口。該失效油層套管規(guī)格為φ139.7 mm×12.7 mm，材料鋼級(jí)為140V，扣型為特殊扣，最小扭矩為21 000 N·m，最大扭矩為25 000 N·m，最佳扭矩為22 700 N·m。油層套管外為技術(shù)套管，規(guī)格為φ244.5mm×11.99mm，材料鋼級(jí)為110TS。為了找到爆裂原因，作者對(duì)該油層套管進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

失效油層套管管段長1.6 m，其裂口中心位置距離管端接箍160 mm，裂口附近未發(fā)現(xiàn)液壓鉗鉗牙壓痕，裂口附近管體存在輕微鼓包變形，如圖1(a)所示。由圖1(b)和圖1(c)可見：裂口縱向長度約為200 mm，裂口處管體側(cè)面存在周向擴(kuò)展裂紋，其中距管端接箍60 mm處的周向裂紋長約240 mm，另一側(cè)周向裂紋長約110 mm；裂口最大張開距離為95 mm，張開一側(cè)的爆裂斷口相對(duì)平齊，且存在長65 mm的橢圓凹陷變形區(qū)，另一側(cè)斷口為典型的45°剪切斷口。用超聲波清洗張開側(cè)斷口后觀察其形貌，可見該原始斷口為灰褐色，表面覆蓋了一層較厚的腐蝕產(chǎn)物，如圖1(d)所示。將剪切斷口用超聲波清洗，再用酒精清洗后觀察斷口形貌。由圖1(e)可以看出：斷口附近有明顯的塑性變形；整個(gè)斷口平行于主應(yīng)力方向，出現(xiàn)與主應(yīng)力方向成45°角的剪切形貌，斷口表面呈纖維狀，斷口內(nèi)未發(fā)現(xiàn)特征花樣及裂紋源區(qū)；在斷口中部，沿縱向有一條凹凸不平、無金屬光澤、長約100 mm的條帶，條帶弧線兩端均消失于套管內(nèi)壁。

圖1 爆裂油層套管宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of burst production casing: (a) overall morphology; (b) enlarged view of split side face; (c) enlarged view ofburst fracture; (d) fracture morphology on open side and (e) shear fracture morphology

將張開一側(cè)的管體切割后，將其斷口與另一側(cè)斷口進(jìn)行對(duì)接，因張開一側(cè)斷口發(fā)生凹陷變形，斷裂位置無法完全貼合，如圖2所示。裂口處張開一側(cè)管體與套管中心軸線的最大距離為125 mm，大于技術(shù)套管內(nèi)徑的1/2，因此推斷油層套管爆裂時(shí)，張開一側(cè)斷口撞擊外層技術(shù)套管內(nèi)壁導(dǎo)致斷口發(fā)生凹陷變形。

圖2 兩側(cè)爆裂斷口對(duì)接形貌Fig.2 Butt joint morphology of burst fracture on both sides

1.2 斷口微觀形貌和微區(qū)成分

將由乙酸纖維素和丙酮組成的膠狀液體附著于斷口，待干結(jié)后揭取，反復(fù)多次附著、揭取后，再用超聲波震動(dòng)清洗，以除去斷口表面腐蝕產(chǎn)物。采用TESCAN VEGAⅡ型掃描電鏡(SEM)觀察去除表面腐蝕產(chǎn)物后斷口的微觀形貌。由圖3可以看出：裂口處管體上的斷口呈45°剪切形貌；放大后可見斷口上存在大量的韌窩，表明該套管裂口處發(fā)生了韌性斷裂。使用SEM附帶的能譜儀(EDS)對(duì)斷口上條帶內(nèi)和條帶外區(qū)域進(jìn)行成分分析，結(jié)果顯示條帶內(nèi)和條帶外區(qū)域均主要含有鐵、氧、鉻、鈣、硅、硫等元素，成分無明顯差異。由斷口的宏觀和微觀形貌特征可知，該失效套管爆裂模式為韌性斷裂。

圖3 清理掉腐蝕產(chǎn)物后剪切斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology on shear fracture after cleaning corrosion products: (a) low magnification morphology and(b) high magnification morphology

使用SEM及其附帶的EDS對(duì)斷口上腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌觀察和成分分析。由圖4可見，在斷口內(nèi)表面附近孔洞和縫隙處存在腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物主要含有鐵、氧、鈣、鎂、鋁、硫等元素。這說明套管服役環(huán)境中含有硫元素，但斷口上未見明顯腐蝕形貌。

圖4 斷口內(nèi)表面附近腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌和EDS分析結(jié)果Fig.4 SEM morphology (a) and EDS analysis results (b) corrosion of products near inner surface of fracture

1.3 壁厚和外徑

使用MMX-6DL型超聲波測厚儀測量油層套管壁厚。在裂口處(C端到D端范圍，C端距接箍的距離為260 mm)，將張開一側(cè)管體展開，按照虛擬坐標(biāo)xy對(duì)管體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示，網(wǎng)格尺寸為20 mm，以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為壁厚測量點(diǎn)。測得斷口區(qū)套管壁厚在10.62～13.14 mm，非凹陷部位的最小壁厚為9.93 mm，出現(xiàn)在坐標(biāo)(20，20)處，斷口凹陷部位最小壁厚為9.54 mm，位于裂口處。結(jié)果表明，裂口位置發(fā)生了明顯的塑性變形。

在裂口區(qū)域從C端向遠(yuǎn)離裂口方向，先每隔30 mm取一截面，共取8個(gè)截面，再每隔100 mm取一截面，共取9個(gè)截面，每個(gè)截面上在0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)和9點(diǎn)位置進(jìn)行壁厚測量。測得管體正常部位(非裂口區(qū)域)0點(diǎn)位置軸向壁厚較小，最小壁厚為11.08 mm，6點(diǎn)位置軸向壁厚較大，均大于13 mm，其余位置軸向壁厚在11.94～13.71 mm之間。管體正常部位壁厚符合技術(shù)協(xié)議要求，壁厚不均勻度(最大與最小壁厚之差除以平均壁厚)在3.8%～11.3%。

在裂口區(qū)域管體和正常部位管體截面上測量0點(diǎn)與6點(diǎn)，3點(diǎn)與9點(diǎn)之間的外徑。測得裂口區(qū)域鼓脹處的最大外徑為145.0 mm，大于油層套管內(nèi)徑，表明裂口部分發(fā)生了明顯鼓脹變形；管體正常部位的外徑均勻，在141.0～142.1 mm，符合技術(shù)協(xié)議要求。

圖5 斷口區(qū)域的壁厚測點(diǎn)分布示意Fig.5 Distribution of measuring points for wall thicknessin fracture area

1.4 化學(xué)成分

依據(jù)ASTM A751-21，采用ARL 4460型直讀光譜儀對(duì)遠(yuǎn)離裂口部位的套管管體進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可以看出，油層套管的化學(xué)成分均符合技術(shù)協(xié)議要求。

表1 爆裂油層套管的化學(xué)成分

1.5 力學(xué)性能

在爆裂失效油層套管管體遠(yuǎn)離裂口的部位上取縱向板狀拉伸試樣以及橫向、縱向沖擊試樣，拉伸試樣的標(biāo)距段尺寸為25.4 mm×50.0 mm，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開V型缺口。依據(jù)ASTM A370-21，采用UTM5303型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；采用PIT302D型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為0 ℃，橫向和縱向各測3個(gè)試樣取平均值。由表2可知，失效套管正常部位的力學(xué)性能滿足技術(shù)協(xié)議要求。

表2 爆裂油層套管正常部位的力學(xué)性能

在遠(yuǎn)離裂口部位的油層套管管體上截取15 mm厚的圓環(huán)，將其兩端橫截面磨平后，依據(jù)ASTM E18-19，采用RB2002T型洛氏硬度計(jì)測試硬度。在距內(nèi)表面1/4壁厚、1/2壁厚和3/4壁厚處，沿圓周方向均勻取點(diǎn)測試，各測12個(gè)點(diǎn)取平均值。測得油層套管管體截面距內(nèi)表面1/4壁厚、1/2壁厚和3/4壁厚處沿圓周方向的硬度測試值分別在33.1～34.4 HRC，33.1～34.6 HRC，33.1～34.7 HRC，平均硬度分別為33.6，34.0，34.0 HRC。可見油層套管管體硬度分布均勻。

1.6 顯微組織

在遠(yuǎn)離裂口部位(正常部位)的油層套管管體以及剪切斷口處管體上取金相試樣，經(jīng)180#～1500#砂紙依次打磨、精細(xì)拋光，再用體積分?jǐn)?shù)2%硝酸酒精溶液腐蝕后，依據(jù)ASTM E3-11(2017)，使用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡觀察顯微組織。由圖6可以看出，油層套管正常部位和剪切斷口處的顯微組織均為回火索氏體，但是斷口處的組織發(fā)生變形。

圖6 爆裂油層套管不同位置的顯微組織Fig.6 Microstructures at different positions of burst productioncasing: (a) normal part and (b) at shear fracture

根據(jù)ASTM E45-18a，在拋光處理后的金相試樣上采用A法進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)，結(jié)果顯示，失效套管管體中的非金屬夾雜物等級(jí)為A0.5,B1.0,D1.0,剪切斷口處為A0.5,B1.0,D1.0,二者無區(qū)別。根據(jù)ASTM E112-13，依據(jù)比較法測定晶粒度。油層套管正常部位和斷口處的晶粒度均為8.5級(jí)，無異常。

1.7 套管抗內(nèi)壓性能

采用1 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)同批次未下井油層套管進(jìn)行拉伸載荷下的水壓試驗(yàn)：將油層套管在扭矩22 793 N·m下上扣后，對(duì)其兩端焊接階梯狀堵頭，將焊接后套管試樣裝入極限試驗(yàn)機(jī)中，試驗(yàn)機(jī)兩端加法蘭墊片密封，控制扭矩在22 700 N·m(委托方資料提供的最佳扭矩)對(duì)套管施加拉伸載荷，同時(shí)向套管內(nèi)施加水壓，測試?yán)燧d荷下的抗內(nèi)壓性能。

根據(jù)SY/T 5731-2012保守計(jì)算套管柱井口懸掛載荷。由套管自重產(chǎn)生的軸向應(yīng)力計(jì)算公式為

σa=Fa/S

(1)

Fa=(ρ-ρ1)SLg-ρSL2g

(2)

式中：σa為套管自重產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；Fa為套管自重產(chǎn)生的軸向載荷；ρ為油層套管密度，取7 800 kg·m-3；ρl為鉆井液密度，取2 200 kg·m-3；S為油層套管橫截面積，取0.005 065 m2；L為管柱觸地點(diǎn)深度，取3 480 m；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；L2為爆裂點(diǎn)深度，取482.6 m。

施加水壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力計(jì)算公式為

σaw=σhν

(3)

(4)

式中：σaw為施加水壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；σh為施加水壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力；Pw為施加水壓產(chǎn)生的井口壓力，取95 MPa；ν為泊松比，取0.3；d為內(nèi)徑，取114.3 mm；t為壁厚，取12.7 mm。

由式(1)～(4)計(jì)算得到由套管自重和施加水壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力分別為158，128 MPa，則套管在試壓過程中的最大軸向拉伸應(yīng)力σmax為286 MPa。由內(nèi)壓產(chǎn)生的封端管端軸向應(yīng)力計(jì)算公式為

σap=PiSi/S

(5)

式中：σap為內(nèi)壓產(chǎn)生的封端管端軸向應(yīng)力；Pi為內(nèi)壓；Si為內(nèi)圓面積，取0.010 256 m2。

假設(shè)套管在內(nèi)壓為95 MPa時(shí)爆破，則由式(5)計(jì)算得到該內(nèi)壓產(chǎn)生的封端管端軸向應(yīng)力為192 MPa。故水壓試驗(yàn)時(shí)施加的拉伸應(yīng)力為最大軸向拉伸應(yīng)力與內(nèi)壓產(chǎn)生的封端管端軸向應(yīng)力之差，乘以套管橫截面積即得到拉伸載荷，為476 kN。因此，在水壓試驗(yàn)時(shí)，首先施加476 kN拉伸載荷，再向套管內(nèi)加水壓。結(jié)果顯示，當(dāng)持續(xù)增加內(nèi)壓至172 MPa時(shí)，油層套管未發(fā)生塑性變形，試驗(yàn)后套管壁厚及外徑均未發(fā)生變化。

使用水壓爆破試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)套管進(jìn)行靜水壓爆破試驗(yàn)，持續(xù)增加內(nèi)壓至202.1 MPa時(shí)，油層套管的壁厚及外徑未發(fā)生變化，套管管體未發(fā)生塑性變形及泄漏。此時(shí)套管的實(shí)際靜水壓試驗(yàn)壓力已大于技術(shù)規(guī)格書要求的抗內(nèi)壓強(qiáng)度153 MPa，說明該套管的塑性變形安全系數(shù)大于其理論安全系數(shù)，套管的抗內(nèi)壓性能良好。

140V鋼對(duì)應(yīng)的理論屈服強(qiáng)度為965 MPa，由Mises第四強(qiáng)度理論[7]可知

(6)

(7)

式中：σy為理論屈服強(qiáng)度；σr為套管徑向應(yīng)力；p為內(nèi)壓；D為套管外徑，取139.7 mm。

簡便起見，可認(rèn)為σr=-p。將前文計(jì)算得到的各數(shù)據(jù)及套管尺寸代入式(6)和式(7)，可以計(jì)算得到理論內(nèi)壁屈服時(shí)的內(nèi)壓為177.1 MPa。由油層套管力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)測屈服強(qiáng)度為1 010 MPa，實(shí)測抗拉強(qiáng)度為1 086 MPa，代入式(6)和式(7)可分別計(jì)算得到內(nèi)壁屈服時(shí)的內(nèi)壓為185.1 MPa，理論爆破壓力(將理論屈服強(qiáng)度替換為實(shí)測抗拉強(qiáng)度)為198.7 MPa。由此可知，爆裂套管理論抗內(nèi)壓強(qiáng)度大于技術(shù)協(xié)議要求的抗內(nèi)壓強(qiáng)度153 MPa。

由拉伸試驗(yàn)測得同批次未失效套管的管體實(shí)際屈服強(qiáng)度為1 023 MPa，實(shí)際抗拉強(qiáng)度為1 097 MPa，則通過式(6)和式(7)計(jì)算得到理論內(nèi)壁屈服時(shí)的內(nèi)壓為186 MPa，理論爆破壓力為200 MPa，均大于技術(shù)協(xié)議要求的抗內(nèi)壓強(qiáng)度153 MPa。綜上，失效套管及同批次未失效套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度均滿足技術(shù)協(xié)議要求。

2 爆裂原因分析

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，爆裂油層套管的壁厚、直徑、化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合技術(shù)協(xié)議要求，洛氏硬度分布均勻。對(duì)未下井同批次油層套管進(jìn)行拉伸載荷下的水壓試驗(yàn)和靜水壓爆破試驗(yàn)，可知其抗內(nèi)壓強(qiáng)度大于153 MPa，符合技術(shù)協(xié)議要求。爆裂油層套管裂口處顯微組織、晶粒度等與遠(yuǎn)離裂口處相同，未見明顯異常。爆裂油層套管裂口附近管體存在輕微鼓包變形，爆裂起源于距離套管接箍60～260 mm管體段鼓脹變形最大、壁厚減薄最大處，鼓脹區(qū)最大直徑145.0 mm，減薄處最小壁厚9.54 mm，減薄明顯。斷口兩側(cè)爆裂斷口呈現(xiàn)不同形貌，張開一側(cè)的爆裂斷口相對(duì)平齊，另一側(cè)斷口為典型的45°剪切斷口，斷口上存在韌窩，該斷裂為韌性斷裂。套管服役環(huán)境中含有硫元素，但斷口未見腐蝕形貌，說明套管壁厚減薄非硫腐蝕所致，而是由于套管內(nèi)部壓力逐步增加所致。當(dāng)壁厚減薄至該部位不足以承受壓力時(shí)即發(fā)生爆裂。綜上所述，該套管爆裂原因?yàn)樵谌苍噳簤毫Τd作用下，套管局部管體發(fā)生鼓脹變形、壁厚減薄，管體內(nèi)部壓力超過管體自承受壓強(qiáng)導(dǎo)致管體爆裂失效。

3 結(jié) 論

(1) 失效套管管體失效模式為韌性斷裂。爆裂的主要原因是其管體內(nèi)部壓力超過了管體自身承壓強(qiáng)度，過載導(dǎo)致其爆裂失效。

(2) 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，推測全井筒試壓時(shí)出現(xiàn)了壓力異常情況，建議現(xiàn)場作業(yè)單位嚴(yán)格遵守作業(yè)流程和規(guī)定。