油套管的缺陷失效分析

李 超，蘇金洋，王愛兵，石運超

渤海裝備第一機械廠油井管公司，河北滄州 062658

由于過去對表層資源的過度開采，致使表層資源的嚴重枯竭，隨著社會的進步和和科技的深度發展，越來越多的能源消耗品進入廣大老百姓的家庭，致使能源的需求越來越大，因此能源的開發轉向了深層次的開發，隨著深井、超深井的開發，油套管的安全性就成了一個非常突出的問題。油田對油套管技術的需求也日益增加，對油套管的安全性也有了更高的要求，新的鉆井工藝和新的套管技術及強化鉆井安全措施已得到廣泛應用，大力地推進了鉆井油井管技術科技的快速發展。隨之各油田在完井過程中油套管因缺陷造成的事故也呈現出上升的趨勢。尤其是西北油田和一些復雜地層深井和超深井的勘探開發完井過程中油套管因缺陷失效事故的發生，給油田建設和勘探開發帶來了較大的經濟損失，同時也影響到對深層次石油資源高效、經濟的勘探與開發。

美國《金屬手冊》認為，機械產品的零件或部件處于下列3種狀態之一時定義為失效：1）當它不能完全工作時；2）仍然可以工作，但已不能令人滿意地實現預期的功能時；3）受到嚴重損傷不能可靠而安全地繼續使用，必須立即從產品或裝備上拆下來進行修理或更換時。通過對構件或零件的失效殘樣形貌、成分、性能和受力情況等進行綜合分析，有時需要做再現性試驗，最終推斷出失效原因。尋找失效原因，不斷降低產品或裝備的失效率，提高可靠性，防止重大失效事故發生是失效分析的任務

油套管缺陷失效一般呈現為管體斷裂和爆裂，接箍和管體螺紋處因加工缺陷失效等。一般是由以下一些因素引起的：管材制造過程中的缺陷及油套管加工制造工程中的偏差缺陷，完井下油套管的基本力學工況，油套管的組合及鉆井工藝，井徑規則性，偏卡，螺紋密封性，鉆井液，套管扶正器結構和材料，井內腐蝕介質等，以上因素交互作用的結果導致油套管失效。

1 管體制造與螺紋缺陷

管體制造原材料連鑄坯氣孔的形成，一般在表面或表層下，呈現針狀、柱狀或圓球狀。一般針狀、柱狀氣孔的產生原因；保護渣潮濕、天氣潮濕情況下二次吸氣、二冷區蒸汽逸流進入結晶器。球狀氣孔產生的原因；保護渣潮濕、保護渣鋪展性不良，卷入鋼液內、保護渣堿度高、二次吸氣。這些微小的原材料管體制造過程的缺陷都會給油套管生產留下巨大的失效隱患；油套管螺紋加工過程中由于加工設備的精密度誤差、檢測設備的誤差、管體與接箍料材質的誤差、及螺紋緊密距等的誤差，都會給油套管的連接造成連接強度的缺陷。

2 油套管的基本力學工況

油套管在完井過程中通常要承受拉力、扭矩、彎、液力等負荷。如果油套管所受拉力大于其鋼級和規格型號屈服強度和抗拉強度時就會發生斷裂，套管的屈服強度和承受彎曲、抗拉強度和拉伸應力組成的復合應力很大，特別是在大位移定向井及水平井中抗拉強度極大，當油套管受到大于其自身的抗拉強度和屈服強度時就會管體斷裂或管體連接部位脫扣斷裂。

3 油套管組合及鉆井工藝

油套管作為一個細長的彈性桿件，有其自有振動頻率，油套管長度的組合和扶正器的配比位置決定了此自有震動頻率。油套管在下井作業時還會產生縱向和扭轉2種形式的振動，當他們的頻率與固有頻率相吻合時則產生共振。共振的結果會使油套管的屈服強度和抗拉強度的基礎上又增加了一個疲勞應力，加速油套管缺陷的失效。采用高質量的石油專用管材、是對石油鉆井完井工藝的完善及保證，以減少因油套管缺陷所造成的損失。

4 井徑不規則影響

井徑不規則或擴井嚴重的井段，油套管下井過程中的彎曲程度隨之相應增大，油套管連接螺紋部位受交變彎曲應力加速油套管螺紋疲勞失效，同時螺紋連接受力復雜化，加劇了螺紋疲勞損壞。

5 偏卡

油套管在井下的情況非常復雜，由于井下地質情況的復雜，油套管下井過程的泥漿循環的停止，造成井下松散地層的坍塌都會造成油套管的偏卡、造成油套管抗拉強度的失效。

6 螺紋密封脂

螺紋脂的涂抹方法不當，如用柴油清洗油套管絲扣、螺紋密封脂保管不當混入水、鉆井液、雜質或加機油稀釋使螺紋密封脂附著困難、螺紋密封脂涂抹量少或涂抹不到位等，造成油套管螺紋連接時不能進行有效的密封和潤滑而發生粘扣。

7 鉆井液

目前，使用的鉆井液體系中的化學物質，如鹽水鉆井液、酸性鉆井液、火堿、重晶石粉等加重材料系等會造成油套管桿的腐蝕。

8 套管扶正器結構和材料

目前使用的扶正器大多是螺旋扶正器，其螺旋扶正棱的邊線與扶正器本體的軸線成30°～45°夾角。如果扶正器的結構在搬運過程中出現磕碰，軸線夾角發生變化都會給油套管自身的缺陷增加失效應力。

9 腐蝕介質

由于鉆井液循環系統不是密封的，大氣中氧氣會通過泥漿池、泥漿泵等設備在鉆井液的循環過程中混入鉆井液成為游離氧，當泥漿中含有一定量的溶解氧時，就會對油套管表面造成腐蝕，來源于地層或由于泥漿中一些含硫有機添加劑高溫分解和泥漿中硫酸鹽還原菌的新陳代謝產生的H2S 還會導致油套管的氫致應力腐蝕斷裂。由H2S 腐蝕產生的硫化鐵與鋼鐵形成腐蝕電偶，導致油套管表面產生很深的潰瘍狀蝕坑使鉆桿在短時間使用發生刺穿及孔洞腐蝕。浸入鉆井液中的CO2使其具有弱酸性，也會對油套管造成腐蝕。另外，油套管遇卡后注入類似HCI 強酸解卡時，也會對油套管造成嚴重的腐蝕。而鉆井液中其他離子如CIˉ等，和H2S、CO2共同作用加速鉆桿表面的腐蝕，這些都會增加油套管缺陷的快速失效應力。

以上所述，油套管失效的因素繁多，油套管的失效是各因素綜合作用的結果。就具體每口井來講，應根據油套管失效分析，提煉出主要影響因素并采取相應的措施。目前，一些廠家生產的涂層油套管就已解決因腐蝕和應力交互作用造成的油套管斷裂失效問題。具體我們應根據實際情況分析，確保鉆井、完井的成功。西北深井、超深井管柱優化設計、管材選用及安全可靠性保障技術；酸性和高酸性氣田管材選用及質量控制技術；低滲透油氣田經濟型管材選用及質量保障技術；典型工況管材失效案例分析及預防措施；石油管材失效的現狀、原因、規律、機理，失效分析、預測預防技術的趨勢和研究方向。