KXS2-2-3井S13Cr110 特殊螺紋接頭油管斷裂原因分析

楊向同，呂拴錄,2，彭建新，謝俊峰，耿海龍，楊雙寶，王 鵬，王新虎，李金鳳，路彩虹

(1.中國石油大學材料科學與工程系 北京 102249；2.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；3. 中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

KXS2-2-3井S13Cr110 特殊螺紋接頭油管斷裂原因分析

楊向同1，呂拴錄1,2，彭建新1，謝俊峰1，耿海龍1，楊雙寶1，王 鵬3，王新虎3，李金鳳3，路彩虹3

(1.中國石油大學材料科學與工程系 北京 102249；2.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；3. 中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

對KXS2-2-3井S13Cr110 特殊螺紋接頭油管工廠上扣端斷裂事故進行了調查研究。對油管斷口進行了宏觀分析和微觀分析以及金相分析，判斷油管斷裂屬于應力腐蝕開裂。2根油管外螺紋接頭斷裂位置全在工廠上扣端接箍端面位置，這與工廠上扣扭矩值比現場上扣扭矩值高有一定關系。對斷裂油管和新油管理化檢驗結果表明，油管材料符合標準規定和用戶要求。

油管；特殊螺紋接頭；斷裂；應力腐蝕開裂

0 引 言

2013年3月11日，KXS2-2-3井酸化之后放噴求產，套壓異常升高，壓力變化情況如圖1所示。修井起油管柱發現入井編號為第216號88.9 mm×6.45 mm S13Cr110 特殊螺紋接頭油管工廠上扣端接箍端面位置外螺紋接頭大端斷裂。斷裂位置井深4 146.32 m，落魚總長2 669.19 m。

圖1 酸化之后求產過程中油管和套管壓力變化

打撈落魚發現入井編號為第202號88.9 mm×6.45 mm S13Cr110 特殊螺紋接頭油管工廠上扣端接箍端面位置外螺紋接頭大端斷裂。斷裂位置井深4 285.39 m，落魚總長2 529.94 m。

入井編號202號和216號油管工廠端上扣扭矩均為600 kg·m，符合廠家規定。

為弄清油管斷裂原因，對失效油管和新油管取樣進行失效分析。

1 理化試驗

1.1 取樣方案

88.9 mm×6.45 mm S13Cr110 特殊螺紋接頭油管取樣及試驗方案見表1。

表1 88.9 mm×6.45 mm S13Cr110 特殊螺紋接頭油管取樣及試驗方案

1.2 無損探傷

對遠離斷口的油管管體進行了超聲波檢測，超聲波探傷未發現裂紋；對靠近斷口的油管管體進行磁粉探傷，磁粉探傷在202號和216號失效管體斷口附近發現大量裂紋，裂紋有縱向，也有橫向。202號斷裂管體的縱向裂紋最長約60 mm，其形貌如圖2所示，216號失效管體的縱向裂紋最長約100 mm，其形貌如圖3所示。

1.3 斷口分析

1.3.1 斷口宏觀分析

入井編號為第202號油管工廠上扣端接箍端面位置外螺紋接頭斷裂，其端口形貌如圖4所示；圖4所示的斷口上50%區域有沖刷腐蝕痕跡，該沖蝕腐蝕斷口為先斷裂區。當裂紋穿透油管壁厚，油管內的高壓天然氣會從裂紋位置泄漏，導致裂紋表面沖刷腐蝕，接箍端面沖刷腐蝕，接箍外壁發亮(估計該位置套管內壁嚴重沖刷腐蝕)，接箍外壁局部區域也存在腐蝕痕跡；其余斷口為最后不規則新鮮瞬斷區，在斷口瞬斷區管體側可見到輕微頸縮。斷口瞬斷區域為打撈時斷裂形成。在斷口沖刷和瞬斷區交界位置斷口外壁側為平斷口，內壁側為斜斷口。斷口特征表明，平斷口區裂紋起源于外螺紋接頭螺紋消失位置的螺紋牙底。

圖2 202號失效管體裂紋形貌

圖3 216號失效管體裂紋形貌

圖4 第202號油管工廠上扣端接箍端面位置外螺紋接頭斷裂及沖刷腐蝕形貌

入井編為216號油管工廠上扣端接箍端面位置外螺紋接頭斷裂形貌如圖5所示，其中約80%的斷口外壁側為平斷口，內壁側為很小的斜斷口，其顏色為綠色完井液顏色，該部分平斷口區裂紋起源于外螺紋消失位置的不同螺紋牙底。平斷口不在同一平面，局部平斷口凹陷，凹陷深度4 mm，凹陷區周長9 mm。接箍端面位置局部腐蝕。其余斜斷口為瞬斷區，在斷口瞬斷區管體側可見到輕微頸縮。從凹陷平斷口推斷，斷裂之前該位置既有橫向裂紋，也有縱向裂紋。縱向裂紋與內壓有關，橫向裂紋與彎曲有關。也即油管斷裂時既承受軸向拉伸應力，又承受周向拉伸應力?？客獗谄綌嗫谑鞘紫犬a生的裂紋，靠內壁斜斷口為最后斷裂。

圖5 入井編號為第216號油管工廠上扣端接箍端面位置外螺紋接頭斷裂形貌

1.3.2 斷口微觀分析

在入井編號為202號油管斷口取樣，經掃描電鏡觀察，先斷裂的平區尖端斷口為沿晶形貌，如圖6所示，最后瞬斷區斷口為韌窩。

圖6 第202號油管平區斷口尖端沿晶形貌

在入井編號為216號油管斷口先斷裂的平區取樣，經掃描電鏡觀察，斷口為沿晶形貌，如圖7所示。

圖7 第216號油管平區斷口尖端沿晶形貌

掃描電鏡分析結果表明，斷口平區微觀沿晶形貌具有應力腐蝕斷裂特征。

1.4 金相分析

在斷口部位取樣進行金相分析，在216油管斷口附近發現網狀裂紋，如圖8所示；斷口表層組織與其它區域相同。油管基體組織和夾雜物分析結果見表2。

金相分析結果表明，斷口附近裂紋形貌具有應力腐蝕裂紋特征。

圖8 入井編號為第216號油管斷口附近網狀裂紋

試樣非金屬夾雜物ABCD薄厚薄厚薄厚薄厚組織管體0.500.50000.50回火索氏體接箍0.500.50000.50回火索氏體

1.5 化學成分分析

化學成分分析結果見表3。

表3 化學成分分析結果(質量分數) %

1.6 力學性能試驗

沿油管管體縱向取19.1 mm×50 mm的板狀拉伸試樣，沿接箍縱向取Φ6.25 mm×25 mm的棒狀拉伸試樣；沿油管管體縱向取5 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣，沿接箍縱向取7.5 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣；沿油管管體和接箍橫向取硬度塊試樣。力學性能試驗結果見表4和表5。力學性能試驗結果表明：各油管管體材料的抗拉強度、屈服強度、延伸率、沖擊功和硬度符合API SPEC 5CT《套管和油管規范》、ISO13680標準和塔里木訂貨補充技術條件要求。

表4 拉伸試驗結果

2 油管失效原因分析

2.1 油管失效過程

該井202號油管和216油管外螺紋接頭均在工廠上扣端接箍端面位置斷裂，斷裂位置井深分別為4 146.32 m和4 285.39 m。202號油管斷口上有明顯的沖刷腐蝕痕跡，而216號油管斷口上沒有沖刷腐蝕痕跡，這說明202號油管裂紋刺穿發生在216號油管斷裂之前；202號油管斷口瞬斷區為新鮮斷口，而216號斷口瞬斷區被完井液污染，這說明202號油管最終斷裂發生在216號油管斷裂之后。

表5 沖擊試驗結果

2013年3月2～3日該井放噴求產期間，油管壓力平穩，沒有泄漏。

3月7日13:25到15:29，在酸化期間油壓與套壓同步上升，只得不斷釋放套壓。說明在開始酸化時202號油管已經產生穿透裂紋泄漏。在酸化期間，從地面注入的冷酸液不但使油管承受內壓載荷，而且使油管柱受冷縮短后承受拉伸載荷，最終使油管產生穿透裂紋。

3月11日放噴求產，08：00關井，8:05和8:30兩次補套壓。在放噴求產和關井開始階段油管受熱伸長，油管柱承受壓縮載荷后裂紋閉合，故油管柱暫時沒有泄漏。關井1 h之后，油管柱承受的內外壓差越來越大。09:02套壓從24.550 MPa開始緩慢上升，說明油管再次開始泄漏。08:30至09:02油壓上升速度為0.0451 MPa/min； 09:02至09:49油壓上升速度為0.0161 MPa/min。由于202號油管泄漏，油壓上升速度降低了2.8倍(0.0451/0.0161)。09:54將套壓從28.648 MPa放至25.90 MPa時，油壓突然從92.85 MPa下降至86.89 MPa后又升至91.92 MPa，套壓從25.90 MPa突然升至49.69 MPa。這說明此時第202號油管刺穿空洞變大。放套壓使油管內外壓差增加，加劇原始裂紋擴展，導致202號油管刺穿空洞越來越大。

3月12日1:10，發現油管里出完井液，這說明環空完井液從刺漏位置漏入油管后從井口返出。

3月12日17:30，采用完井液正擠壓井。在壓井期間油管柱被從地面注入的完井液冷卻縮短，油管柱承受拉伸載荷后導致第216號油管斷裂。

3月29日打撈落魚，起管柱導致入井編號為第202號斷裂。

綜上所述，油管失效過程為：202號油管裂紋穿透壁厚刺穿→油壓下降、套壓升高→在壓井過程中216號油管斷裂→在打撈過程中202號油管斷裂。

2.2 應力腐蝕開裂

試驗結果表明，油管斷裂屬于應力腐蝕斷裂。由殘余應力或外加應力和腐蝕聯合作用產生的材料破壞過程為應力腐蝕[1-4]。應力腐蝕導致材料斷裂稱應力腐蝕斷裂。應力腐蝕必須具備的條件是腐蝕介質+拉伸應力+材料具有應力腐蝕敏感性,其影響關系如圖9所示。

圖9 影響應力腐蝕裂紋的因素

1)腐蝕介質及材料對應力腐蝕特性

油管裂紋起源于外壁，這說明油管和套管環空的完井保護液含有腐蝕介質[5，6]。有關S13Cr油管的完井液中應力腐蝕特性有待進一步試驗研究。

2)拉伸應力

導致油管斷裂應力是拉伸應力，拉伸應力來源包括上扣殘余拉應力，內壓產生的拉應力，拉伸載荷產生的拉應力和彎曲載荷產生的拉應力。

3)材料具有應力腐蝕敏感性

S13Cr110油管材料對應力腐蝕敏感，在存在腐蝕介質和拉伸應力的工況下容易發生應力腐蝕開裂。

2.3 油管受力分析及失效位置

油管螺紋接頭設計本身在外螺紋消失部位存在應力集中，接頭應力分布情況如圖10所示。

圖10 在拉伸載荷作用下油管螺紋接頭應力分布

同一根油管接頭工廠上扣端和現場上扣端受力條件差別不大，為何2根油管均從工廠端接箍端面位置外螺紋接頭螺紋消失處橫向斷裂，而沒有從現場上扣端斷裂。這與工廠上扣扭矩與現場上扣扭矩不同有關，見表7。從表7可知，工廠上扣扭矩最小值比現場上扣扭矩最小值高8.2%；工廠上扣扭矩最佳值比現場上扣扭矩最佳值高3.7%；工廠上扣臺肩扭矩值比現場上扣臺肩扭矩值高3.7%。特殊螺紋接頭上扣連接之后外螺紋接頭螺紋消失部位為應力最大部位。在使用過程中油管所受的應力實際是上扣殘余拉應力與工作應力之合。因此，上扣扭矩越大，內外螺紋接頭上扣干涉越嚴重，上扣之后殘留的拉伸應力越大，最終油管受力越大。該井2根油管斷裂位置全在工廠上扣端外螺紋接頭螺紋消失部位，這與工廠上扣扭矩值比現場上扣扭矩值高有一定關系。

表7 88.9 mm×6.45 mm S13Cr 110油管工廠上扣扭矩與現場上扣扭矩對比

2.4 材料韌性對油管斷裂的影響

由于油管接箍上扣連接之后承受周向拉應力，在應力腐蝕環境下接箍容易首先發生應力腐蝕開裂。KXS2-2-3井S13Cr新油管0℃沖擊功(換算為10 mm×10 mm試樣)，管體縱向最小184 J,平均187 J,發生了開裂；新接箍縱向最小205 J，平均213 J，沒有發生開裂。新油管管體沖擊功平均值比新接箍沖擊功平均值低26 J，這說明提高材料沖擊功，有利于防止應力腐蝕開裂。油管材料韌性符合用戶訂貨技術標準要求，但卻發生了應力腐蝕斷裂，這說明用戶訂貨技術標準要求的材料韌性指標(0℃沖擊功，橫向≥60 J，縱向≥80 J)偏低。為了預防13Cr材料油管應力腐蝕斷裂，用戶訂貨技術標準已經提高了材料韌性指標(0℃沖擊功，橫向≥120 J，縱向≥140 J)。

3 結論與建議

1)油管失效過程為：2013年3月7日13:25開始酸化時第202號油管裂紋穿透壁厚泄漏→油壓下降、套壓升高→3月11日(放噴求產關井后)09:54將套壓從28.648 MPa放至25.90 MPa時第202號油管穿透裂紋擴展→油管泄漏通道增大、套壓大幅度升高→3月17日04:30-10:30(采用完井液正擠壓井后)在通井和下射孔槍過程中216號油管斷裂→在打撈過程中202號油管斷裂。

2)油管斷裂屬于應力腐蝕斷裂。2根油管斷裂位置全在工廠上扣端接箍端面外螺紋接頭螺紋消失部位，這與工廠上扣扭矩值比現場上扣扭矩值高有一定關系。

3)建議對S13Cr油管在完井液中的應力腐蝕特性進一步試驗研究。

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Fracture Cause Analysis on S13Cr110 Tubing with Premium Connection for KXS2-2-3 Well

YANG Xiangtong1, LYU Shuanlu1,2, PENG Jianxin1, XIE Junfeng1, GENG Hailong1, YANG Shuangbao1，WANG Peng3, WANG Xinhu3, LI Jinfeng3, LU Caihong3

(1.MaterialScienceandEngineeringDepartmentofChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.PetrochinaTarimOilFieldCompany,Korla,Xinjiang841000,China；3.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The mill-end connection fracture failure is investigated on S13Cr110 tubing with premium connection in one well. It is considered that tubing fracture failure belongs to SCC based on analysis of fracture’s macrography, fractography, and metallography. It is concluded that the both fracture of the two tubing all at coupling end made up by mill is related to higher make-up torque at mill end than that at field end. The physical testing and chemical analysis of the tubing material show that the tubing material is in accordance with standard specification and user requirement.

tubing; premium connection; fracture; SCC

楊向同，男，1972年生，高級工程師，1996年畢業于中國石油大學(華東)礦場地球物理專業，主要從事測井和試油技術研究和管理工作。E-mail: lvshuanlu@163.com

TE933

A

2096-0077(2017)04-0051-06

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.013

2016-10-03 編輯：葛明君)