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嘉峪檢測網(wǎng) 2019-10-22 11:49
事故背景
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118.2MPa，最高流動溫度為121.8℃，溫度梯度為2.6℃/100m，關(guān)井時井口溫度為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，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。
理化檢驗
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。
2
金相分析
圖1 金相試樣分割示意圖
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。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。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。
圖2 油管管體不同編號試樣的裂紋微觀形貌
采用Nano Measurer粒徑計算軟件對每一個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?？梢?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。
圖3 8號試樣橫截面裂紋微觀形貌
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。
3
點蝕坑分析
采用Olympus BX51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個試樣及距外螺紋接頭端面750~765mm管體位置所取的16個試樣的外壁點蝕坑進(jìn)行觀察，采用Nano Measurer粒徑計算軟件對點蝕坑深度進(jìn)行測量統(tǒng)計，點蝕坑形貌如圖4所示。
圖4 油管外壁點蝕坑微觀形貌
由圖4可知，在試樣外壁分布有較多的點蝕坑，且點蝕坑底部有較多晶間腐蝕區(qū)域，這些點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管體外壁的點蝕坑深度分布在10~180μm，其中在30~60μm較集中。
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)計要求和用戶要求。
表1 D242號油管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))％
5
力學(xué)性能試驗
對D242號油管取樣進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果見表2，可知油管的拉伸性能符合用戶要求。
表2 D242號油管的拉伸試驗結(jié)果
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號油管取10mm×5mm×55mm沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗，結(jié)果表明油管沖擊吸收能量為103J，符合用戶要求。
分析與討論
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，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通常采用磁粉探傷。該井的油管采用金相檢驗發(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
油管裂紋成因分析
該井?88.90mm×6.45mm S13Cr110鋼油管在井下使用時間還不足8個月就產(chǎn)生了裂紋，檢驗結(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)。
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。同一鋼級的材料，硬度越高，對應(yīng)力腐蝕越敏感。該?88.90mm×6.45mm TN110Cr13S TSH563油管實測硬度為27.1~28.2HRC，平均硬度為27.6HRC。在塔里木油田其他井的?88.90mm×6.45mm S13Cr110鋼油管實測硬度為28.2~30.9HRC，平均硬度為29.6HRC，雖然該井?88.90mm×6.45mm TN110Cr13S TSH563油管硬度比其他井?88.90mm×6.45mm S13Cr110鋼油管硬度低2.0HRC，但在井下使用不到8個月之后也產(chǎn)生了裂紋，這說明硬度為27.1~28.2HRC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)。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。
3
油管開裂預(yù)防
該井2014年11月29日投產(chǎn)，投產(chǎn)時完井液為密度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。
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。
作者：楊向同，高級工程師，中國石油塔里木油田分公司
來源：楊向同理化檢驗
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