Φ38.1 mm連續(xù)油管穿孔失效分析

李鴻斌，畢宗岳，鮮林云， 余 晗，張曉峰，汪海濤

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

Φ38.1 mm連續(xù)油管穿孔失效分析

李鴻斌1,2，畢宗岳1,2，鮮林云1,2， 余 晗1,2，張曉峰1,2，汪海濤1,2

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為預(yù)防和減少連續(xù)油管使用中穿孔失效事故發(fā)生，提高其使用壽命和效率，通過(guò)理化性能檢驗(yàn)、掃描電鏡以及模擬試驗(yàn)等方法，對(duì)Φ38.1 mm×3.4 mm規(guī)格80鋼級(jí)連續(xù)油管穿孔樣管進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明：超聲和磁粉檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)穿孔附近管體存在缺陷；樣管化學(xué)成分、金相及硬度分析，未發(fā)現(xiàn)異常；穿孔原因?yàn)橛凸茉诰畠?nèi)受到含砂流體沖蝕磨損，導(dǎo)致管體穿孔失效。

連續(xù)油管；沖蝕磨損；穿孔；失效

Abstract:In order to prevent and reduce the perforation failure occurrence during coiled tubing usage,improve its service life and efficiency,through physical and chemical properties testing,SEM,simulation test and other methods,the perforation sample of 80 steel grade coiled tubing with specification of Φ38.1 mm×3.4 mm was analyzed.The results showed that no defects were found near the perforation through ultrasonic and magnetic particle detection;no abnormality was found on specimen pipe by analysis on chemical composition,metallographic structure and hardness analysis;the perforation reason was that the tubing was eroded by the sand-containing fluid in the well,resulting in perforation failure of the pipe body.

Key words:coiled tubing;erosion wear;perforation;failure

1 概 述

連續(xù)油管（coiled tubing，簡(jiǎn)稱(chēng)CT）是相對(duì)于常規(guī)螺紋連接油管而言的，又稱(chēng)為連續(xù)管、撓性油管、蛇形管或盤(pán)管，可纏繞在大直徑卷筒上。它是由若干段鋼帶連接在一起，經(jīng)成型、焊接而成的無(wú)接頭管材。連續(xù)油管及其作業(yè)裝置被譽(yù)為“萬(wàn)能作業(yè)機(jī)”[1-3]，連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于油田修井、鉆井、完井、測(cè)井、增產(chǎn)、采油、采氣等領(lǐng)域，貫穿了油氣開(kāi)采的全過(guò)程[4-5]。由于連續(xù)油管的服役環(huán)境惡劣，受力情況苛刻，產(chǎn)生了復(fù)雜、多樣的連續(xù)油管失效問(wèn)題[6-9]。

本研究以Φ38.1 mm×3.4 mm規(guī)格80鋼級(jí)連續(xù)油管穿孔失效樣品為對(duì)象，通過(guò)檢測(cè)分析及模擬連續(xù)油管沖蝕磨損穿孔試驗(yàn)，分析了該盤(pán)連續(xù)油管穿孔失效的原因。分析結(jié)果對(duì)預(yù)防和減少連續(xù)油管使用中類(lèi)似失效事故的發(fā)生，提高連續(xù)油管使用壽命和效率具有積極的作用。

Φ38.1 mm×3.4 mm規(guī)格80鋼級(jí)連續(xù)油管在某作業(yè)區(qū)水平井中，完成洗井作業(yè)后進(jìn)行注氮舉升作業(yè)，注氮工作壓力約32.4 MPa，注氮速度170 L/min，注氮量7 m3。注氮過(guò)程中，操作人員發(fā)現(xiàn)失壓現(xiàn)象，隨即停止作業(yè)，起出連續(xù)油管。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)距管端約1 600 m位置發(fā)生油管穿孔。該盤(pán)連續(xù)油管累計(jì)作業(yè)20次，主要作業(yè)類(lèi)型為洗井及注氮舉升。

2 穿孔失效分析

2.1 宏觀分析

樣管外表面宏觀形貌如圖1所示，樣管總長(zhǎng)度約260 mm，樣管中部有一個(gè)穿孔，穿孔部位為管體母材，尺寸約為9 mm（縱向）×11 mm（橫向），穿孔沿管體外壁向內(nèi)壁壁厚逐漸減薄，形成一定坡度，在底部形成穿透。樣管外壁及穿孔部位未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕痕跡。

樣管內(nèi)表面宏觀形貌如圖2所示，樣管內(nèi)壁腐蝕輕微，腐蝕產(chǎn)物致密、無(wú)疏松脫落現(xiàn)象；內(nèi)壁孔洞尺寸約為4.5 mm（縱向）×3 mm（橫向），孔洞邊沿呈現(xiàn)由外壁向內(nèi)壁的“毛邊”。綜合樣管穿孔位置內(nèi)、外表面宏觀形貌可以判斷，該孔洞是由外壁向內(nèi)壁發(fā)生壁厚減薄最終導(dǎo)致穿孔失效。

圖1 樣管外表面宏觀形貌

圖2 樣管內(nèi)表面宏觀形貌

2.2 無(wú)損檢測(cè)分析

2.2.1 超聲波探傷

為評(píng)價(jià)樣管穿孔周?chē)覆氖欠翊嬖谫|(zhì)量缺陷，對(duì)樣管進(jìn)行超聲波探傷分析，檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。采用底波法校驗(yàn)超聲波設(shè)備的靈敏度，使用直探頭以3.0 m/min的速度在樣管穿孔周?chē)覆倪M(jìn)行手動(dòng)探傷，超聲波形無(wú)異常，表明穿孔樣管周?chē)覆臒o(wú)分層缺陷，母材質(zhì)量合格。

表1 超聲波探傷參數(shù)

2.2.2 磁粉檢測(cè)

對(duì)樣管進(jìn)行磁粉檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2。采用A1型30/100標(biāo)準(zhǔn)試片校驗(yàn)設(shè)備靈敏度，使用磁粉探傷儀分別對(duì)樣管橫向和縱向進(jìn)行磁化，磁化時(shí)間為2 s。隨后向磁化區(qū)域緩慢倒入預(yù)先調(diào)好的磁懸液，母材上未發(fā)現(xiàn)磁痕，說(shuō)明母材無(wú)裂紋缺陷，母材質(zhì)量合格。

表2 磁粉檢測(cè)參數(shù)

2.3 常規(guī)檢測(cè)分析

靠近穿孔位置化學(xué)成分分析結(jié)果表明，其化學(xué)成分符合API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求。靠近穿孔位置金相分析結(jié)果表明，母材金相組織為鐵素體+珠光體，未發(fā)現(xiàn)異常組織（如圖3所示）；母材晶粒度為13級(jí)，符合API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求晶粒度8級(jí)或8級(jí)以上。焊縫、母材及熱影響區(qū)的硬度為225~243HV，符合API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求硬度≤22HRC（22 HRC根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) ASTM E140—07換算為248 HV）。

圖3 樣管母材金相組織照片

2.4 掃描電鏡分析

在掃描電鏡上進(jìn)行孔洞形貌分析，圖4為低倍下外壁孔洞形貌，由圖4可以看出，孔洞整體形貌近似于圓形狀，孔洞外輪廓均勻、光滑，形成一定坡度，在底部形成穿孔。圖5～圖7為高倍下孔洞周?chē)煌恢玫湫臀⒂^形貌 （如圖4中A、B、C所示）。圖5顯示在A位置管壁表面微觀形貌呈現(xiàn)大量沖擊凹坑；圖6顯示在B位置管壁表面微觀形貌呈現(xiàn)切削溝槽；圖7顯示在C位置管壁表面存在異物嵌入。對(duì)圖7（b）中異物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明：異物主要含有Si、Al、Ti、O等元素，該異物與油田常用石英砂或陶粒所含元素相類(lèi)似。

圖4 外壁孔洞低倍下SEM照片

圖5 管壁表面A位置SEM照片

圖6 管壁表面B位置SEM照片

圖7 C位置管壁表面嵌入異物形貌

2.5 模擬試驗(yàn)

為進(jìn)一步明確連續(xù)油管穿孔失效原因，對(duì)同規(guī)格連續(xù)管進(jìn)行不同角度沖蝕磨損模擬穿孔試驗(yàn)[10-16]。試驗(yàn)在某高校自制的噴射型沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，流體沖蝕介質(zhì)采用清水加陶粒砂（砂粒質(zhì)量濃度15%），沖蝕速度約20~25 m/s，試樣的沖蝕角分別為 45°、 60°、 75°、 90°， 試驗(yàn)裝置如圖9所示。

不同入射角度沖蝕穿孔后試樣宏觀形貌如圖10所示。對(duì)比圖4和圖10可以看出，90°沖蝕穿孔試樣宏觀形貌與樣管穿孔位置形貌接近。90°沖蝕穿孔試樣表面典型SEM照片如圖11所示。由圖11可以看出，A位置沖蝕表面微觀形貌呈現(xiàn)大量沖擊凹坑；B位置沖蝕表面微觀形貌呈現(xiàn)切削溝槽。

圖8 管壁表面異物能譜分析

圖9 沖蝕磨損試驗(yàn)裝置

圖10 不同沖蝕攻角沖蝕穿孔后試樣形貌

圖11 圖10中90°沖蝕角不同位置沖蝕表面SEM照片

2.6 綜合分析

從樣管穿孔位置宏觀形貌可以判斷，該失效是由外壁向內(nèi)壁發(fā)生壁厚減薄最終導(dǎo)致的穿孔失效；從樣管穿孔位置微觀形貌可以判斷，管壁表面微觀形貌呈現(xiàn)大量沖擊凹坑及切削溝槽；且管壁表面存在嵌入異物，其主要含有Si、Al、Ti、O等元素，該異物與油田常用石英砂或陶粒所含元素相類(lèi)似。

通過(guò)不同入射角度沖蝕穿孔模擬試驗(yàn)，90°沖蝕穿孔試樣宏觀形貌與樣管穿孔宏觀形貌接近；該試樣沖蝕表面微觀形貌與樣管穿孔微觀形貌接近。

綜合上述分析，可以推斷該盤(pán)連續(xù)油管穿孔失效的原因是由于連續(xù)油管在井內(nèi)受到接近90°沖擊角的含砂流體沖蝕，管壁發(fā)生沖蝕磨損，最終導(dǎo)致管體穿孔失效。

3 結(jié)論及建議

（1）穿孔樣管經(jīng)超聲和磁粉檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)穿孔附近管體存在缺陷；

（2）通過(guò)對(duì)穿孔樣管進(jìn)行化學(xué)成分、金相及硬度分析，未發(fā)現(xiàn)異常；

（3）穿孔原因?yàn)檫B續(xù)油管在井內(nèi)受到含砂流體沖蝕磨損，導(dǎo)致管體穿孔失效。

（4）連續(xù)管因沖蝕磨損造成管體局部發(fā)生損傷、穿孔的現(xiàn)象國(guó)內(nèi)外均有發(fā)生，建議加強(qiáng)對(duì)連續(xù)油管沖蝕磨損方面的研究，特別是其磨損原因及預(yù)防機(jī)制的研究。

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Perforation Failure Analysis of Φ38.1 mm Coiled Tubing

LI Hongbin1,2,BI Zongyue1,2,XIAN Linyun1,2,YU Han1,2,ZHANG Xiaofeng1,2,WANG Haitao1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE973

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.010

2017-02-23

編輯：羅 剛

李鴻斌（1984—），男，碩士，工程師，目前主要從事連續(xù)管新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及管材失效分析等工作。