N80Q平式油管斷裂失效分析

馮 杰，馬春莉，郎 帆，趙春喜

（1.渤海石油裝備 新世紀機械制造公司，天津300280；2.中國石油天然氣管道局 天津設計院，天津300457）＊

某井在壓裂作業結束時，使用的73.02mm×5.51mm N80Q平式油管公扣端距螺紋消失點約12mm處發生斷裂。該井為2011年鉆探的新井，設計為斜井，完井井深2 440m，人工井底2 403m，最大井斜／井段：19.07／900m，最大狗腿度／井段：4.97／1 075m，造斜點600m，井底位移160.7m。此次施工目的是新井壓裂求產。2011－04－08該井開始壓裂，壓力26～35MPa，壓裂過程正常。壓裂作業結束后，進行提壓裂管柱作業，當載荷提至400 kN時，顯示異常。之后對油管進行核查發現，自井底往上數起第8根與第9根連接處發生斷裂，剩余8根油管及斷脫的油管接頭殘件仍在井下等待打撈，有部分油井設計資料和壓裂施工曲線圖表，但沒有其他施工作業資料和油管上緊轉矩值的記錄。

1 失效油管形態

從失效的73.02mm×5.51mm N80Q 平式油管外部形態看，斷裂位置發生在現場端外螺紋處，距螺紋消失點約12mm。從斷口形貌看出：斷口沒有明顯的塑性變形和撕裂的痕跡，斷口表面較為平滑，在螺紋齒根沿螺紋旋向發生斷裂，沒有發現塑性變形的明顯跡象，內孔也沒有明顯的縮頸，斷裂管體單側有大約150mm長的摩擦痕跡，如圖1～2。

圖1 管體照片1

圖2 管體照片2

2 材質及螺紋參數檢驗

2.1 化學成分

在失效油管上取塊狀樣品，依據API Spec 5CT做化學成分分析，結果如表1所示。比較N80Q鋼的標準化學成分［1］可知，失效油管材質完全符合N80Q鋼的標準化學成分。

表1 油管的化學成分 wB%

2.2 力學性能

在失效油管上取條形試樣，依據API Spec 5CT標準進行管體拉伸試驗。其綜合分析各項性能指標雖均符合API標準［1］，如表2。

表2 油管的力學性能

2.3 金相組織分析

在油管管體上取金相樣品，經預磨、拋光后，用4%硝酸＋酒精溶液腐蝕，在光學顯微鏡下觀察。金相組織均為回火索氏體，金相組織正常，如圖3所示。

圖3 金相組織（回火索氏體）

2.4 螺紋參數檢測

選取同批量該井油管做螺紋參數檢測，結果列于表3。可以看出，螺紋參數符合API Spec 5B標準規定［2］。

表3 同批油管螺紋參數

3 失效機理與原因

3.1 油管接頭失效機理

從失效管件斷口形貌分析，斷裂瞬間沒有承受過大的載荷，此次油管接頭斷裂屬于一種非正常疲勞斷裂現象。據相關文獻資料介紹［3－7］，造成這種非正常疲勞斷裂的原因很多。

油管與接箍連接后接近于一種懸臂狀態，使得靠近油管螺紋尾部與接箍螺紋嚙合的第1、2扣螺紋應力值最高。通過實物測量、計算及管子受力情況分析得知：這2扣螺紋不但承受壓裂液體產生的軸向拉力、管柱懸重，還要承受油管與接箍連接時產生的預緊力，在內、外部條件適宜的條件下，就會在此處產生裂紋源，并不斷擴展。由于裂紋是在很高應力水平作用下形成，并在持續的高應力狀態下工作，裂紋擴展速度很快，且油管的螺紋處壁厚較薄（理論厚度3.7～4.1mm，一般熱軋管壁厚均勻度較差，壁厚會存在一定的偏差），導致其裂紋擴展階段很短，因此一旦形成裂紋源，將很快發生疲勞斷裂。

3.2 油管接頭失效原因分析

從失效件斷口形貌看（如圖4），裂紋源的起點在螺紋齒根部，并逐步向內擴展，最終導致斷裂。導致此次失效原因可能有以下5個方面：

1） 下井作業時，過轉矩上扣。

2） 油管柱傾斜造成油管在工作中承受偏置應力。

3） 油管螺紋的幾何尺寸超差。

4） 低振幅、高頻率、超高壓作業產生的振動。

5） 管體原材料有缺陷。

因為斷裂部位發生在現場端，不排除現場連接管柱作業時有過轉矩上緊現象。因為現場有數量較多的油管螺紋出現較為嚴重的粘扣現象可以佐證，如圖5所示。

圖4 斷口橫截面

圖5 粘扣形貌

從壓裂施工曲線圖分析（如圖6～7）得知：壓裂過程中有2次壓力超載的過程，1次發生在2011－04－08T9：02—9：10之間，推算井口壓力達50～56 MPa，再加約2 200m液柱產生的壓力22MPa，作用在井底附近，油管承受的瞬間壓力達72～78 MPa；另1次發生在2011－04－08T9：54左右，井口瞬間壓力通過推算達65MPa，作用在井底附近，油管承受的瞬間壓力高達87MPa。這2次壓力超載時間雖然時間較短，沒有給壓裂管柱造成致命的傷害，但給處在超轉矩、有偏置傾向、管壁不均的管子最薄弱螺紋齒根部產生裂紋提供了條件。壓裂過程中壓裂液對管柱產生的低幅、高頻振動，加之上提管柱過程存在卡槽或砂卡致使軸向拉伸載荷增大，最終導致管體接頭疲勞斷裂。這一點也可以通過本次壓裂作業造成多根管子產生螺旋線彎曲加以佐證。因為本次作業為了防止管柱過渡伸長，使用了水力式油管錨，被限制伸長的油管受力超過屈服極限時就會產生彎曲變形。

圖6 壓裂曲線（一）

圖7 壓裂曲線（二）

4 結論

通過對失效樣品宏觀形貌分析、材質檢驗、螺紋檢測和理論分析，證明該井油管公扣端斷裂主要是由于現場端過轉矩上緊，壓裂過程有壓力超載，壓裂過程中壓裂液對管柱產生的低幅、高頻振動造成的。

［1］API Spec 5CT—2011，套管和油管規范［S］.

［2］API Spec 5B—2008，套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規范［S］.

［3］杜秀華，張德文，李 強，等.抽油機井油管疲勞斷裂原因［J］.大慶石油學院學報，2002，26（2）：71－73.

［4］何素娟，陳圣乾，趙大偉.L80油管腐蝕失效原因分析［J］.石油礦場機械，2011，40（6）：21－25.

［5］馬來增，張 辛，徐興平.玻璃鋼油管失效分析及對策［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：61－64.

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［7］張 瑟，張國正，張春婉，等.雙臺肩鉆桿接頭開裂失效分析［J］.石油礦場機械，2010，39（1）：71－77.