某油井壓裂用油管爆裂失效分析

汪瑞 李少華

摘 ? ? ?要：某井在壓裂投產施工過程中，使用的Φ88.9 mm×6.45 mmN80外加厚油管出現油管管體爆裂事故，為了分析油管管體爆裂的原因，通過油管的理化性能和力學性能，結合了現場壓裂施工的情況，對該井油管斷裂原因進行綜合分析。結論為：爆裂的油管化學成分和力學性能符合APISpec5CT要求，爆裂的原因是有關材料性能不能滿足實際服役條件，在薄弱處爆裂。

關 ?鍵 ?詞：壓裂;油管;斷裂;失效分析

中圖分類號：TE357.1+4 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）04-0638-04

Abstract： In the process of fracturing operation in a well， a bursting accident occurred in the tubing body of 88.9mm ×6.45mm N80 external upset tubing. In order to analyze the reasons for the bursting of tubing body， the physical and chemical properties and mechanical properties of tubing were analyzed， and the reasons for tubing fracture in the well were comprehensively analyzed combined with the field fracturing operation. The results showed that the chemical composition and mechanical properties of the burst tubing met the requirements of APISpec5CT. The reason for the burst was that the properties of the related materials did not meet the actual service conditions and the bursting accident occurred at the weak points.

Key words： Fracturing; Tubing; Fracture; Failure analysis

1 ?事故概況

2018年8月28日，該井第一次壓裂未成后，起出油管后發現油管掛下面第一根油管被高壓液體爆裂。爆裂的油管為Φ88.9 mm×6.45 mm N80外加厚油管，為油管柱的井口第1根，斷裂部位距離接箍端面約為700～750 mm，處于這根油管的下部，是整個油管柱的最上部，壓裂管柱圖如圖1所示。

油管爆裂壓裂施工過程整體如下：2018-8- 2810：50開始反洗井，第一臺泵車開泵運轉，排量為1.1 m3/min，井口開始返出液體，設備良好正常，泵壓顯示5 MPa;根據設計排量要求2.6 m3/min，開啟第二臺壓裂車，排量逐步增加到1.5 m3/min，壓力突然迅速上升（感覺撞墻），施工人員立即關停第二臺泵車，觀察壓力變化，壓力有52 MPa下降至43 MPa，隨后又繼續上升，因壓力異常，施工人員立即將所有泵車關停，此時井口施工人員發現，油管出口有大量黑色液體混合物噴出，施工壓力出現直線下降的狀態。壓力降低之后再次啟動壓裂車，壓力控制在2～3 MPa范圍之間，施工排量按照設計要求調整為2.3 m3/min，壓力平穩維持在2.5 MPa上下，井口出液正常，11：08時試壓反洗結束，車組停泵，準備壓裂施工。之后在進行的壓裂施工加砂的工序過程中，油管壓力顯示異常，28日下午起出油管后發現，第一根油管爆裂。

出現油管爆裂事故之后，制定檢測方案，從現場取爆裂油管及同批壓力用油管一根共同送至管材研究所，編號分別為1號（爆裂油管）和2號（正常油管）。

2 ?宏觀裂口分析

油管管體爆裂的裂口為條狀窄縫形狀，中間最大開口為19 mm，且裂口處明顯有外鼓特征，說明油管管體是由于內壓過大導致管體被撐破。裂紋是從裂縫中間率先開始出現裂口，而后，管體的破裂力沿著油管軸向方向傳遞，形成了裂縫，而最先的破裂點由于繼續受到管體內部高壓流體的沖擊，則向兩邊繼續張開，但由于高壓流體在出現泄壓點之后的壓力急劇下降，且與油套環空形成統一壓力體系[1]，因此，對油管裂口的擴展有抑制作用。最終油管的裂縫形成了延油管軸向走像的開口形狀[2]。

3 ?失效油管材質分析

3.1化學成分分析

在失效油管上取樣進行化學分析，分析結果見表1。

化學成分分析表明，破裂油管和所送油管化學成分符合API Spec 5CT標準要求。

3.2 ?機械實驗

在破裂油管管體上分別取規格為19.1 mm×50 mm的矩形板狀材料作為試樣，進行縱向拉伸，5.0 mm×10 mm×55 mm的縱向夏比V型缺口沖擊試樣進行力學性能試驗，沖擊試驗溫度為0 ℃[3]。試驗結果見表2。

試驗結果表明，破裂油管和所送油管管體縱向拉伸性能均符合API Spec 5CT標準要求，由于API Spec 5CT標準中對沖擊功和硬度均無要求，所測值僅供參考。

3.3 ?金相分析

在破裂油管裂口部位取金相試樣進行金相組織分析[4]，按照ASTME45方法A及ASTM E112直接對比法對夾雜物和晶粒度進行評定，結果見表3。

4 ?實物性能試驗

4.1 ?拉伸至失效

對1號試樣進行拉伸至失效試驗，試驗在復合加載試驗系統上完成，試驗溫度為室溫，試驗方法參考API RP 5C5的有關規定，試驗結果如下：

1號試樣在拉伸載荷達到1 453.7 kN（326.8kips）時，油管被拉斷。由API TR 5C3知Φ88.9 mm×6.45 mmN80外加厚油管管體的最低抗拉強度為922.04 kN[6]，據此可知，這樣油管管體實物抗拉強度滿足API TR 5C3標準要求。

4.2 ?擠毀試驗

對2號試樣進行擠毀試驗，試驗在外壓擠毀試驗系統上完成，注入水量為15.1 L，試驗溫度為室溫，實驗方法參考API RP 5C5的有關規定，試驗結果如下：

2號試樣在外壓力為70.1 MPa條件下，管體發生擠毀失效。擠毀試驗壓力事件曲線如圖2所示。

由API TR 5C3知Φ88.9 mm×6.45 mm N80外加厚油管管體的擠毀強度為72.6 MPa，據此可知，這樣油管管體實物抗拉強度不滿足API TR 5C3標準要求。

5 ?破裂原因分析

破裂油管及送樣油管材質理化性能符合API Spec 5CT標準要求[7]。

從對破裂油管破裂口的裂紋宏觀和微觀的分析結果來看，油管破裂屬于脆性破裂失效。

金相分析的結果表明，試樣內表面有裂紋及腐蝕坑，裂紋及腐蝕坑內填滿灰色腐蝕產物，裂紋周圍組織有變形流線，且晶粒呈現出不聯系狀態，這種不連續與油管受到外力傷害作用有關。

根據現場提供的壓裂數據可以看出，油管在極高的內壓（接近90 MPa）情況下進行注入作業，隨后又進行反洗作業，在作業的過程中，發生了井下堵塞事故，造成了油管的內部不斷憋壓，而環空壓力一直在較小的范圍內維持平衡，最終油管內部受到擠毀壓力遠大于油套環空的平衡壓力，在此時的第一根油管承受的拉力在整個油管柱是最大的，加上油管本身的使用性能不能滿足這種苛刻的工況條件，因此發生了爆裂。

根據ISO TR10400及API Bul 5C3，油管在軸向拉應力作用下額定的破壞壓力要降低[8]，其計算公示如下：

式中： Pca—在軸向拉應力Sa的作用下的破壞壓力，kPa;

Pco—無軸向力（Sa=0）是的破壞壓力，kPa;

Sa—油管所受軸向應力，kPa;

Yp—管體的屈服強度，kPa。

對不同軸向拉力作用下的油管抗擠毀屈服強度采用公式進行計算，計算結果如圖3所示。

油管破裂的原因可能是壓裂作業時，油管在平衡壓力補充不足時，油管內部的剛性流體不斷增壓，油管內部晶體不連續處首先成為破壞力突破點，形成薄弱點，之后更大的內壓從該點繼續作用，瞬間突破，導致油管破裂，壓裂失敗。

本次計算結果也可以用來證明對于外壓擠毀值小于API TR 5C3標準要求，由于進行擠毀試驗的油管為現場使用過的油管，管體本身或多或少存在一定的變形[9]，因此會造成油管承受的擠毀能力減小。

建議今后在進行壓裂油管采購時，甲方簽訂訂貨補充技術要求，對油管質量加以控制，避免出現油管的失效問題。

6 ?結論和建議

（1）失效油管化學成分，力學性能符合API TR 5C3標準要求。

（2）油管破裂屬于脆性損壞。

（3）油管破裂的主要原因，是由于油管內部壓力過大，而油套環空提供的平衡壓力過小，導致了在徑向上管體所受單向壓力過大，于是在薄弱點處被突破破壞。

（4）建議今后甲方訂貨時應考慮油管的實際服役環境，另簽訂補充技術要求。

（5）雖然標準對N80鋼級1類油管沒有沖擊韌性要求，但仍建議廠家進一步提高材料韌性。

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