套管接箍應力腐蝕開裂分析及預防

楊宏利，武磊

西安三維應力工程技術有限公司質量管理室(陜西西安710061)

套管接箍應力腐蝕開裂分析及預防

楊宏利，武磊

西安三維應力工程技術有限公司質量管理室(陜西西安710061)

以某套管接箍縱向開裂失效為例，分析了接箍材料的理化性能、腐蝕產物、接箍內應力等。結果顯示，材料理化性能滿足標準要求，由于接箍內部環向應力與硫化氫腐蝕綜合作用導致接箍發生縱向開裂。提出如果降低選用材料耐蝕等級，必須對油套管采取系統措施，包括控制螺紋參數偏差、控制上扣扭矩、采用無牙痕或微牙痕大鉗、選用特殊接頭等，才可避免發生應力腐蝕開裂失效。

套管;接箍;環向應力;應力腐蝕;扭矩;開裂失效

由于油價降低，很多油田開發過程中加大了低價常規油套管的選用。在進行充分研究的基礎上，選用性價比最好的油套管不失為降本增效的好方法。但如果不顧井下工況條件，盲目選用低成本油套管，現場就會很容易發生失效事故［1-6］。中亞地區的油田多數都有一定腐蝕性，如未進行系統研究就選用常規材料，失效將不可避免。

詳細分析了中亞某區塊油井Φ244.48×11.05mm P110 BC套管接箍腐蝕失效事故。結果顯示，由于管柱設計選材過程中未考慮井下腐蝕因素，為了節約管柱成本，選用了常規API材料。但管柱下井后，在井下遇到硫化氫，上扣扭矩過大的接箍在環向應力作用下產生縱向應力腐蝕開裂。最后給出了在輕微腐蝕條件下使用普通材料應注意的一些事項。

圖1 縱裂接箍宏觀形貌

1 失效概況

2014年10月中亞某井下Φ244.48×11.05mm P110 BC套管管柱，試壓過程中未能穩定壓力。取出管柱后發現一個接箍縱向貫穿開裂，宏觀形貌如圖1所示。接箍表面有很多點蝕形貌，一些區域多個腐蝕坑合并形成小區域苔蘚狀剝落區。宏觀形貌顯示裂紋源區靠近接箍端面處，宏觀無屈服變形，有多個源區自外表面向內擴展，裂紋穿過表面損傷嚴重的區域。裂紋源區表面顏色較深，快速擴展區表面呈黃色。接箍內表面磷化層無明顯腐蝕痕跡。對失效接箍材料理化性能、腐蝕產物、接箍內應力等進行分析，探討了該接箍縱向開裂的原因，為研究井下油套管的應力腐蝕開裂提供案例，再次證明油田開發油套管選材必須進行系統研究才能避免井下失效發生。

2 常規理化性能檢測

2.1 化學成分分析

從失效接箍上取樣，用直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1。分析結果表明，接箍化學成分符合API SPEC 5CT-2011標準要求。

2.2 力學性能

從失效接箍上分別取拉伸、沖擊和硬度試樣進行相應的力學性能試驗。結果見表2。

2.3 金相分析

從失效接箍上取金相樣，依據GB/T 13298、GB/ T 6394和GB/T 10561標準進行金相組織、晶粒度及非金屬夾雜物評定。失效接箍材料組織為回火索氏體(圖2)，組織均勻。晶粒度等級為8.0級，非金屬夾雜物分別為:A0.5，B0.5，C0.5，D1.5(圖3)。

表1 化學成分分析/%

表2 失效接箍力學性能試驗結果

圖2 顯微組織

圖3 非金屬夾雜物

圖4 接箍表面點腐蝕形貌

3 形貌分析

3.1 宏觀分析

從圖1可看出，接箍發生縱向貫穿開裂失效，接箍表面裂紋走向有多處曲折變化，接箍外表面多處嚴重腐蝕，一些區域多個腐蝕坑合并形成小區域苔蘚狀剝落區，如圖4所示。斷面裂紋宏觀形貌顯示裂紋源區靠近接箍端面處，裂紋為自外表面向內擴展，形成微小的臺面，初始腐蝕區域腐蝕產物顏色較深，裂紋快速擴展區域和斷后磨損區域有黃色的氧化腐蝕產物，如圖5所示。

圖5 裂紋擴展形貌

圖6 垂直斷裂面二次裂紋

3.2 微觀形貌及能譜分析

在接箍垂直裂紋擴展面上多處可看到二次裂紋，裂紋曲折擴展伴隨多處次級裂紋萌生，如圖6a)和b)所示，裂縫中填充大量腐蝕產物，如圖6c)和d)所示。

腐蝕坑坑底局部有細小的微裂紋擴展到金屬基體內部，微裂紋曲折有分叉，多個裂紋并存，如圖7所示。裂紋中可以觀測到深色腐蝕產物，檢測結果顯示腐蝕產物中S元素的特征譜線較強，如圖8所示。

4 接箍應力情況分析

油套管接頭內、外螺紋均為錐度螺紋，在上扣操作過程中接箍內部產生越來越大的環向應力［7］。由于如下幾個因素，接箍內局部環向應力及軸向應力會繼續增加，一旦遇到合適的環境介質，就會發生應力腐蝕開裂［8-10］。

1)螺紋加工偏差。加工螺紋參數偏差可緩解接箍內環向應力水平，尤其是采用帶臺肩特殊接頭，通過優化設計，可把環向應力水平控制在合理水平，大大降低接箍發生縱向開裂的概率。案例中套管采用普通偏梯形螺紋，尺寸偏差大，實際上扣扭矩變化范圍較大，不利于接箍內應力水平的控制，極端情況下，接箍僅上扣后就可能出現較高的環向拉應力。

2)管柱下井后接箍承受拉伸及內壓載荷，進一步增加了接箍內部的環向應力水平。

3)上扣大鉗對接箍外表面的夾持，經常會造成較深的牙痕［9］，牙痕底部將形成環向應力集中點。

由于上述原因，普通偏梯形螺紋接箍內部的環向應力水平很難控制。一旦內部環向應力較高的接箍遇到硫化氫腐蝕環境，就很容易發生縱向開裂［10］。

圖7 腐蝕坑坑底二次裂紋

圖8 腐蝕坑微裂紋處能譜分析

5 結論與建議

綜上所述，該井的接箍縱向開裂失效是由硫化氫腐蝕引起的環向應力腐蝕開裂。

針對含硫化氫的環境，為了保證安全，避免發生井下失效，在油套管選用或使用過程中建議如下:

1)優先采用低臺肩扭矩的特殊接頭油套管。由于接頭結構經過優化設計，其內部應力水平較低，可降低應力腐蝕開裂概率。

2)嚴格控制螺紋參數加工質量，減少接頭上扣扭矩波動范圍，避免大上扣扭矩導致接箍內很大環向應力。

3)采用無牙痕或微牙痕上扣大鉗，避免接箍表面出現應力集中點。

4)在保證接頭性能可滿足強度與密封條件下，盡可能降低接頭上扣扭矩，尤其是螺紋過盈產生的扭矩，可把接箍內環向應力水平降低，減少發生應力腐蝕開裂的可能性。

5)根據硫化氫等腐蝕介質壓力與濃度，選用合適的材料，避免應力腐蝕開裂失效，在經濟與安全中間取得平衡。

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Taking the longitudinal cracking failure of a casing coupling as an example，the physical and chemical properties，the corrosion products and the internal stress of the coupling material are analyzed.It is shown that，the physical and chemical properties of the coupling material meet the standard requirements，and the combined effect of the internal circumferential stress and the hydrogen sulfide corrosion of the coupling leads the longitudinal cracking of the coupling.It is held that if the corrosion resistance grade of the coupling material is reduced，it is necessary to adopt a series of measures to prevent the stress corrosion cracking of the casing coupling，including to control the deviation of thread parameters，to control buckle torque，to use the hydraulic tong without tooth mark or with micro tooth mark，to choose special joint，etc.

casing;coupling;circumferential stress;stress corrosion;torque;cracking failure

梅

2015-07-06

楊宏利(1984-)，女，主要從事油氣開采用油套管加工及質量檢測控制管理工作。