桑塔木油田某井氣舉閥斷裂失效分析

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(1.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2. 中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

桑塔木油田某井氣舉閥斷裂失效分析

沈建新1，單全生1，周懷光1，孫玉國1，龍巖2

(1.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2. 中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

通過宏觀檢驗、尺寸測量、化學成分分析、金相檢驗、腐蝕產物分析等手段對桑塔木油田某井氣舉閥斷裂的原因進行了分析。結果表明，氣舉誘噴施工過程中氣舉閥在含氯及含氧腐蝕介質的沖刷下產生了嚴重沖蝕；由于表面加工精度較低，加工刀痕促進了裂紋擴展，氣舉閥在腐蝕介質環境下發生了氯化物應力腐蝕開裂。

氣舉閥；斷裂；應力腐蝕；失效分析

0 引 言

桑塔木油田某井位于塔里木盆地桑塔木背斜帶LN22井區127井斷鼻南高點，該井于2012年11月17日完井，完鉆井深4 660.00 m。2016年2月該井補孔措施作業后采用氣舉自噴多功能管柱投產，管柱采用四級氣舉閥氣舉工藝[1-3]；2017年3月4日，該井進行措施作業時，發現原井第一、二級氣舉閥斷裂落井，其中斷裂第一級氣舉閥位于井深1 493.34 m處，斷裂第二級氣舉閥位于井深2 266.63 m處。該井作業前日產液81.00 t，日產油2.62 t，含水率高達96.7%，其產出水為典型的氯化鈣水型，其中Cl-含量高達131 000 mg/L，產出氣中CO2含量較低，僅為0.400%，不含H2S。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

氣舉閥材質為316L奧氏體不銹鋼，其宏觀形貌如圖1所示，該氣舉閥斷裂于進氣孔處，斷面可見腐蝕產物分布，存在三處平坦特征區，具有多源開裂特征，斷口周圍閥體未見頸縮變形特征。斷口平坦區形貌如圖2所示，三處平坦區靠近閥體內表面一側較平，靠外表面側可見局部剪切唇形貌。對氣舉閥內表面觀察如圖3和圖4所示，氣舉閥靠近斷口內表面具有腐蝕特征并存在大量加工刀痕，其刀痕延伸至斷口平坦區，此外，在刀痕處可見大量裂紋分布，裂紋主要沿橫向擴展，與斷口開裂特征類似，而光滑內表面區域則未見裂紋分布(如圖4所示)。通過斷口宏觀分析可初步推斷，該氣舉閥斷裂屬于多源脆性斷裂，起裂于內表面加工刀痕處。

圖1 氣舉閥斷口宏觀形貌

圖2 平坦區宏觀形貌

1.2 尺寸測量

采用游標卡尺對第二級氣舉工作筒及氣舉閥外徑進行測量，測量點具體位置如圖2所示，測量結果見表2。由測量結果可知，該氣舉工作筒及氣舉閥各測量截面外徑分布均勻，筒體及斷口附近閥體未見明顯塑性變形。

圖3 氣舉閥斷口內表面刀痕及裂紋

圖4 氣舉閥內表面刀痕及裂紋

1.3 化學成分分析

由檢測結果可知，該斷裂氣舉閥化學成分符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》標準對316L(國內牌號022Cr17Ni12Mo2)不銹鋼材質要求。

表1 幾何尺寸測量結果 mm

表2 化學成分(質量分數)分析結果 %

1.4 金相檢驗

從該斷裂氣舉閥取金相試樣，對其顯微組織、非金屬夾雜物及晶粒度進行分析，金相照片如圖9～10所示。金相分析結果表明，該斷裂氣舉閥顯微組織為奧氏體，晶粒度8.0級，非金屬夾雜物A0.5、B1.0、D0.5級。斷口內表面刀痕區域可見大量裂紋，其周圍組織無明顯異常，該氣舉閥內表面裂紋分叉較多，局部呈沿晶狀，裂紋多沿橫向擴展、貫穿閥體壁厚方向，局部刀痕密集處裂紋沿刀痕方向擴展，如圖9所示，閥體光滑內表面處則未見裂紋分布，說明閥體內表面加工刀痕對裂紋的萌生及擴展起到明顯促進作用。

1.5 腐蝕產物形貌及成分分析

氣舉閥斷口裂紋源區及擴展區微觀形貌如圖11所示，裂紋源區及擴展區表面可見腐蝕產物分布，斷面具有沿晶形貌，并存在二次裂紋特征。斷口及其附近裂紋能譜分析結果如圖12所示，腐蝕產物主要分布C、O、Fe、Cr等元素，還存在少量Ca、Cl等元素。

圖9 斷口附近裂紋擴展形貌

圖10 斷口附近顯微組織

圖11 斷口附近表面微觀形貌

圖12 斷口表面EDS圖

2 分析與討論

化學成分分析表明，斷裂氣舉閥化學成分符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》標準對316L不銹鋼材質要求。金相分析表明，氣舉閥顯微組織為奧氏體，晶粒度8.0級，非金屬夾雜物A0.5、B1.0、D0.5級，斷口周圍組織未見明顯異常。幾何尺寸測量結果表明，斷裂氣舉閥閥體外徑測量值分布均勻，未見明顯塑性變形，可排除過載導致其斷裂可能性。氣舉閥宏觀分析表明，其斷口附近內表面存在大量加工刀痕，刀痕區域分布大量橫向裂紋，其擴展特征與氣舉閥橫向斷裂方式類似，可推測該氣舉閥斷裂與內表面加工刀痕區域分布裂紋有關。裂紋分析表明，氣舉閥內表面裂紋起源于加工刀痕區域，多沿橫向擴展，分叉較多，局部呈沿晶狀，符合應力腐蝕開裂裂紋擴展形貌特征。斷口宏觀分析表明，氣舉閥沿橫向完全斷裂，起裂于加工內表面加工刀痕區域，斷面存在多處平坦區，平坦區靠內壁側較平整，斷口周圍閥體未見頸縮變形，宏觀上可確定該氣舉閥斷裂屬于多源脆性開裂，符合應力腐蝕開裂斷口的宏觀形貌特征。斷口微觀分析表明，該斷裂氣舉閥斷口裂紋源區位于平坦區靠內表面側，斷面存在沿晶開裂和二次裂紋特征，與裂紋分析結果相印證，符合應力腐蝕開裂斷口的微觀形貌特征[4-6]。

斷裂氣舉閥內表面存在大量加工刀痕，說明其表面加工精度較低，不但易造成腐蝕介質聚集引起氣舉閥腐蝕，還可能造成應力集中，促進應力腐蝕開裂的裂紋萌生。能譜分析結果表明，該氣舉閥斷口以及內表面裂紋各區域內均存在導致應力腐蝕開裂的Cl元素，同時O元素含量較高，特別是裂紋內部Cr元素出現富集，可推測腐蝕產物中存在Cr2O3，可見其已受服役井下含氯及含氧腐蝕介質腐蝕，滿足發生應力腐蝕開裂的環境條件。根據現場調研可知，該井地層水中Cl-含量高達131 000 mg/L；此外，2016年2月22日至25日現場注入高壓氮氣54 000 m3，其中氮氣中不可避免會存在氧氣，進一步促進應力腐蝕開裂裂紋萌生及擴展。

綜上所述，該氣舉閥斷裂滿足應力腐蝕開裂的基本條件，其失效機理為氯化物應力腐蝕開裂。此外，該斷裂氣舉閥內表面加工精度較低對應力腐蝕開裂起到一定促進作用。

3 結 論

1)氣舉閥內表面存在大量裂紋，其斷裂及內表面裂紋產生原因為氯化物應力腐蝕開裂，氣舉閥內表面存在的加工刀痕對應力腐蝕開裂起到一定促進作用。

2)高壓高速氮氣通過第一、二級氣舉閥進行氣舉誘噴作業，使得氣舉閥在含氯及含氧腐蝕介質的沖刷下產生了嚴重沖蝕，是氣舉閥腐蝕的主要原因。

3)該氣舉閥表面加工精度較低、存在應力集中，建議加強產品質量管理，機械加工過程中嚴格控制表面精度。

[1] 布朗.KE舉升法采油工藝:卷二(上)[M].北京:石油工業出版社，1987:604-608

[2] 楊川東.采氣工程[M].北京:石油工業出版社,1997:161-165.

[3] 杜 洋,徐曉峰,李 莉,等.氣舉閥氣舉工藝在川西深井的應用 [J]. 重慶科技學院學報(自然科學版),2016,18(3):82-85

[4] 左景伊.應力腐蝕破裂[M].西安: 西安交通大學出版社,1985:5-20.

[5] 劉春江,姜 濤,劉新靈,等. 應力腐蝕機理和基于FEM的應力腐蝕裂紋擴展模擬技術的研究進展[J].失效分析與預防,2016,11(2):111-115.

[6] 褚武揚,谷 飚,高克瑋.應力腐蝕機理研究的新進展[J].腐蝕科學與防護技術,1995,7(2):97-101.

FractureFailureAnalysisofGasLiftValveinaWellofSangtamuOilfield

SHENJianxin1，SHANQuansheng1，ZHOUHuaiguang1，SUNYuguo1，LONGYan2

(1.PetroChinaTarimOilfieldCompany，Korla,Xinjiang841000,China；2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi′an，Shaanxi710077，China)

Macroscopic examination, size measurement, chemical composition analysis, corrosion product analysis and metallographic examination were used to investigate the reasons for the fractured gas lift valve in a well of Sangtamu oilfield. The results indicated that the gas lift valve has suffered severe erosion under the erosion of chlorine and oxygen corrosion medium during the gas lift induced flow. The crack propagation was promoted by machining marks because of low machining accuracy and the cracking of the gas lift valve was a kind of stress corrosion cracking in chlorine corrosive environment.

gas lift valve; fracture; stress corrosion; failure analysis

沈建新，男，1970年生，高級工程師，博士研究生，2012年博士畢業于中國石油大學(北京)，目前主要從事采油工程技術管理工作。E-mail:shenjianxin-tlm@petrochina.com

TE28

A

2096-0077(2017)05-0054-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.014

2017-07-20編輯馬小芳)