摘 要:BZ１０２井S１３Cr１１０鋼油管出現(xiàn)裂紋,通過磁粉探傷、金相分析、點(diǎn)蝕坑分析、化學(xué)成分 分析、力學(xué)性能試驗(yàn)等方法對裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:油管縱向裂紋為應(yīng)力腐蝕裂 紋,裂紋產(chǎn)生與 A 環(huán)空腐蝕環(huán)境、油管材料特性及油管受力條件有關(guān).

關(guān)鍵詞:油管;裂紋;磁粉探傷;應(yīng)力腐蝕

中圖分類號:TG９４６;TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６６３Ｇ０４

BZ１０２井完鉆井深６９５０m,在井深６３７５．００m 位置全角變化率為０．０５°/２５m,在井深６４３０．００m 位置全角變化率為１０．６°/２５m,在井深６７７１．４２m 位置 產(chǎn) 層 壓 力 為 １１８．２ MPa,最 高 流 動(dòng) 溫 度 為 １２１．８ ℃,溫度梯度為２．６ ℃/１００m,關(guān)井時(shí)井口溫 度為１５．８ ℃.

該井完井管柱采用S１３Cr１１０鋼油管,完井液為 密度１．２５g??cm－３的 Weigh４有機(jī)鹽,沒有脫氧.該井 ２０１４年１１月２９日投產(chǎn),油壓３３．８MPa,A 環(huán)空壓力 １２．２MPa,B,C和D環(huán)空不帶壓.產(chǎn)出天然氣中CO２ 含量３．９％(體積分?jǐn)?shù)),不含 H２S,產(chǎn)出油中含蠟量 ５．２％~２７．５％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),產(chǎn)出地層水中氯離子含量 １１００００mg??L－１.由于井筒內(nèi)存在結(jié)蠟現(xiàn)象,生產(chǎn)過 程油壓和產(chǎn)量波動(dòng),隨后多次采用７０ ℃有機(jī)鹽熱洗 解堵.２０１５年７月２２日油套串通,關(guān)井平穩(wěn)后油壓 和 A環(huán)空壓力均為５１．４MPa,B,C 和 D環(huán)空不帶壓. ２０１７ 年 １０ 月 １７ 日 修 井 起 管 柱 發(fā) 現(xiàn) 井 深 ６３８２．９４m位置油管工廠端脫扣.為查明完井管柱 腐蝕 及 裂 紋 情 況,筆 者 對 出 井 編 號 為 D２４２ 號 的 ?８８．９０mm×６．４５ mm S１３Cr１１０ 鋼 油 管 (下 深 ６３８２．９４m)管體取樣進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 磁粉探傷

經(jīng)磁粉探傷,在 D２４２號油管管體上沒有發(fā)現(xiàn) 裂紋.

１．２ 金相分析

在距 D２４２ 號 油 管 外 螺 紋 接 頭 端 面 ８５~ １００mm管體位置取長度為１５mm 的圓環(huán),將其沿周向分為１４等份試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn).結(jié)果表明在 試樣外表面及內(nèi)表面并未發(fā)現(xiàn)有裂紋存在.

在距 D２４２ 號 油 管 外 螺 紋 接 頭 端 面 ７５０~ ７６５mm管體位置取長度為１５mm 的圓環(huán),將其沿 周向分為１６等份試樣(圖１)進(jìn)行金相檢驗(yàn).結(jié)果 表明１,３,８,９,１３及１６號試樣外表面存在縱向裂 紋,內(nèi)表面無裂紋存在.采用 NanoMeasurer粒徑 計(jì)算軟件對 每 一 個(gè) 試 樣 中 的 裂 紋 長 度 進(jìn) 行 測 量, 并且取其最大值作為對比,測量結(jié)果如圖２所示. 可見１號和 ８ 號 試 樣 外 壁 裂 紋 深 度 較 深,分 別 約 為２０６．９μm 和２４０．５μm.所有裂紋均起源 于 油 管外壁局部腐蝕坑,呈樹枝狀,在主裂紋周圍存在 大 量次生裂紋,裂紋具有典型的應(yīng)力腐蝕裂紋形貌特征.

對裂紋密集且深度較深的８號試樣浸蝕之后進(jìn) 行金相分析,裂紋擴(kuò)展方式以穿晶擴(kuò)展為主,也有沿 晶擴(kuò)展,如圖３所示.D２４２號油管管體非金屬夾雜 物評級結(jié)果為 D１．０級,晶粒度為９．５級,顯微組織 為回火索氏體.

１．３ 點(diǎn)蝕坑分析

采用 OlympusBX５１型金相顯微鏡對在 D２４２ 號油管距外螺紋接頭端面８５~１００mm管體位置所 取的１４個(gè)試樣及距外螺紋接頭端面７５０~７６５mm 管體位置所取的１６個(gè)試樣的外壁點(diǎn)蝕坑進(jìn)行觀察, 采用 Nano Measurer粒徑計(jì)算軟件對點(diǎn)蝕坑深度 進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì),點(diǎn)蝕坑形貌如圖４所示.

由圖４可知,在試樣外壁分布有較多的點(diǎn)蝕坑, 且點(diǎn)蝕坑底部有較多晶間腐蝕區(qū)域,這些點(diǎn)蝕坑和晶間腐蝕易引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生.

在 D２４２ 號 油 管 距 外 螺 紋 接 頭 端 面 ８５~ １００mm管 體 外 壁 的 點(diǎn) 蝕 坑 深 度 分 布 在 ２０~ １２０μm,其中在４０~７０μm 較集中;在 D２４２號油 管距外螺紋接頭端面７５０~７６５mm 管體外壁的點(diǎn) 蝕坑深度分布在１０~１８０μm,其中在３０~６０μm 較集中.

１．４ 化學(xué)成分分析

對 D２４２ 號 油 管 化 學(xué) 成 分 進(jìn) 行 分 析,結(jié) 果 見 表１,可知 油 管 的 化 學(xué) 成 分 符 合 設(shè) 計(jì) 要 求 和 用 戶 要求.

１．５ 力學(xué)性能試驗(yàn)

對 D２４２ 號 油 管 取 樣 進(jìn) 行 拉 伸 試 驗(yàn),結(jié) 果 見 表２,可知油管的拉伸性能符合用戶要求.

對 D２４２號油管試樣橫截面進(jìn)行硬度測試,結(jié)果 表明油管硬度為２７．５~２７．９HRC,符合用戶要求.

對 D２４２號油管?。保癿m×５mm×５５mm 沖 擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn),結(jié)果表明油管沖擊吸收能量 為１０３J,符合用戶要求.

２ 分析與討論

２．１ 油管磁粉探傷分析

有表面或近表面缺陷的工件被磁化后,當(dāng)缺陷 方向與磁場方向成一定角度時(shí),由于缺陷處的磁導(dǎo) 率變化,磁力線溢出工件表面,產(chǎn)生漏磁場,吸附磁 粉形成磁痕.用磁粉探傷方法檢驗(yàn)工件表面裂紋, 與超聲探傷和射線探傷方法相比較,其靈敏度高、操 作簡單、結(jié)果可靠、重復(fù)性好、缺陷容易辨認(rèn).因此, 在檢查工件外壁裂紋時(shí)通常采用磁粉探傷.該井的 油管采用金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了裂紋,但采用磁粉探傷卻 沒有發(fā)現(xiàn)裂紋,其原因是該井油管裂紋細(xì)小,油管表 面附著的結(jié)垢層填充了裂紋,裂紋表面無法吸附磁 粉形成磁痕,因此磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋.為解決使 用過的油管磁粉探傷精度不高的問題,在磁粉探傷 之前,應(yīng)首先采用布砂輪對油管外壁結(jié)垢進(jìn)行徹底 打磨,使其露出金屬本色,然后再進(jìn)行磁粉探傷.

２．２ 油管裂紋成因分析

該井?８８．９０mm×６．４５mmS１３Cr１１０鋼油管 在井下使用時(shí)間還不足８個(gè)月就產(chǎn)生了裂紋,檢驗(yàn) 結(jié)果表明,油管縱向裂紋具有應(yīng)力腐蝕裂紋的特征. 應(yīng)力腐蝕裂紋與材料應(yīng)力腐蝕敏感性、腐蝕環(huán)境和 受力條件有關(guān)[１Ｇ５].

該井所用油管材料為 S１３Cr１１０ 鋼,該材料對 應(yīng)力腐蝕敏感,很容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋[６Ｇ１４].同 一鋼級的材料,硬度越高,對應(yīng)力腐蝕越敏感.該井 ?８８．９０mm×６．４５mm TN１１０Cr１３STSH５６３油管 實(shí) 測 硬 度 為 ２７．１~２８．２ HRC,平 均 硬 度 為 ２７．６HRC.在塔里木油田其他井的?８８．９０mm× ６．４５ mm S１３Cr１１０ 鋼 油 管 實(shí) 測 硬 度 為 ２８．２~ ３０．９HRC,平 均 硬 度 為 ２９．６HRC,雖 然 該 井 ?８８．９０mm×６．４５mm TN１１０Cr１３STSH５６３油管 硬度比其他井?８８．９０mm×６．４５ mm S１３Cr１１０鋼 油管硬度低２．０HRC,但在井下使用不到８個(gè)月之 后也產(chǎn)生了裂紋,這說明硬度為 ２７．１~２８．２ HRC 的油管也具有應(yīng)力腐蝕敏感性.

該井完井液為 Weigh４有機(jī)鹽完井液,油管縱 向裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋,腐蝕環(huán)境主要與 A 環(huán)空 Weigh４ 有 機(jī) 鹽 完 井 液 且 沒 有 脫 氧 有 關(guān)[１５]. S１３Cr１１０鋼油管不適合在含有氧氣的水中使用,在 這種情況下,其耐腐蝕性能比低合金鋼的還要低.

油管僅有縱向裂紋,沒有橫向裂紋,這主要與油 管柱承受的內(nèi)壓載荷有關(guān).如果沒有內(nèi)壓載荷,油管不會產(chǎn)生縱向應(yīng)力腐蝕裂紋.

該井采用關(guān)井熱洗方式清蠟.油管柱內(nèi)壁結(jié) 蠟,油壓下降,實(shí)際下部油管由于溫度高并不結(jié)蠟, 上部油管結(jié)蠟相當(dāng)于不完全關(guān)井.如上所述,該井 經(jīng)過了多次熱洗,熱洗前后油壓、套壓和溫度都會發(fā) 生變化,這必然會導(dǎo)致油管柱內(nèi)外壓差變化,使油管 柱承受交變內(nèi)壓載荷.

２．３ 油管開裂預(yù)防

該井２０１４年１１月２９日投產(chǎn),投產(chǎn)時(shí)完井液為 密度１．２５g??cm－３的 Weigh４有機(jī)鹽完井液.塔里 木油田多口井油管失效分析結(jié)果均表明,裂紋是因 完井液與S１３Cr１１０鋼油管材料不匹配而產(chǎn)生的.

為了改善 A 環(huán)空腐蝕環(huán)境,塔里木油田從２０１５ 年１月開始在２７口井采用甲酸鉀作為環(huán)空保護(hù)液, 截止２０１８年７月１９日,這些井沒有發(fā)生油管開裂 失效事故.

３ 結(jié)論及建議

S１３Cr１１０鋼油管的縱向裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋, 開裂原因與 A 環(huán)空腐蝕環(huán)境、油管材料特性及油管 受力條件有關(guān),主要由交變內(nèi)壓載荷作用所導(dǎo)致.

建議對該井其他油管進(jìn)行檢測和試驗(yàn)分析,以 便掌握全井油管柱開裂失效情況;更換環(huán)空保護(hù)液, 以避免該類失效事故的再次發(fā)生.

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文章來源——材料與測試網(wǎng)