李斐;路飞飞;王军;李光辉;史交齐;姬丙寅
【摘 要】通过观察宏观形貌、测量几何尺寸、测试力学性能、分析显微组织等,分析P110套管和卡瓦的失效原因.分析认为:P110套管与悬挂器不同轴及卡瓦结构设计不合理是造成套管及卡瓦失效的主要原因,腐蚀介质加速了失效进程.提出卡瓦式悬挂器的改进措施,如增大卡瓦长度,增加单位长度卡瓦齿数,将贯穿环形槽改为凸台式等. 【期刊名称】《钢管》
【年(卷),期】2017(046)006
【总页数】6页(P67-72)
【关键词】套管;卡瓦;开裂失效;结构设计;腐蚀
新知【作 者】李斐;路飞飞;王军;李光辉;史交齐;姬丙寅
陈颖异
【作者单位】中国石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技术研究院,新疆乌鲁木齐830011;中国石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技术研究院,新疆乌鲁木齐830011;西安三维应力工程技术有限公司,陕西西安710061;西安三维应力工程技术有限公司,陕西西安710061;西安三维应力工程技术有限公司,陕西西安710061;西安三维应力工程技术有限公司,陕西西安710061
【正文语种】中 文
【中图分类】TG335.7;TE931+.2
随着油田的不断开发，高压注水、压裂、大型酸化、注蒸汽、CO2驱油、聚合物驱油、三元复合驱等新的采油技术不断得到应用，套管的服役环境日趋苛刻，套管失效问题层出不穷［1-13］。套管失效不仅会造成巨大的经济损失，还危及到人身和环境安全，对油田的安全生产带来极大挑战，已成为全世界范围内亟待解决的难题之一［14-16］。
1 样品情况
贺州学院图书馆某井采用四级井身结构，设计井深6 660 m，实际完钻井深6 655 m。2016年5月因抽油杆
断裂进行检泵作业，发现BX160法兰主密封试压不合格，套管不居中，套管悬挂器下部平面不平整，高低不平为1.23 cm，拆开井口后发现顶部Φ244.48 mm×11.99 mm规格P110套管在31 cm处开裂，裂纹环向长418 mm，井口失效P110套管形貌如图1所示。从P110套管悬挂器以下48 cm处切割，取出套管及悬挂器全部附件，包括6片卡瓦（其中1片卡瓦遗失）。 对失效样品进行收集并编号，其整体形貌如图2所示。5片卡瓦中有2片（2～3#样品）从工艺槽处断裂，2#样品卡瓦定位销已脱落；4#样品卡瓦开裂严重，主裂纹位于工艺槽处。
图1 井口失效P110套管形貌
图2 失效样品整体形貌
2 试验分析与讨论
2.1 宏观形貌分析
观察失效P110套管断口宏观形貌，发现套管环向开裂裂纹位于套管与卡瓦咬合最深的第1
和第2牙痕之间，以裂纹为界，1#-2套管呈椭圆状，与1#-3不在同一个弧面；从套管内表面可以看出裂口最宽处的内壁（裂纹源处）有明显的刮擦痕迹，损伤深度接近2 mm，超过了卡瓦对外壁的咬伤深度（最深处约0.9 mm），P110套管裂纹源附近形貌如图3所示。通过观察套管的宏观形貌，初步推断井口套管与井口不同轴，内壁因井下工具（钻具、油管等）偏磨造成损伤。套管在卡瓦的夹持作用下，最终与井口同轴，但井口套管（被卡瓦夹持部分）存在剪应力，套管在卡瓦夹持及本身附加弯矩作用下，最终在壁厚减薄区（卡瓦牙刮削和偏磨造成）形成裂纹，裂纹在套管悬重及卡瓦径向压力作用下逐渐扩展，并造成失效。
P110套管外表面牙痕临接形貌如图4所示。观察套管表面卡瓦牙痕，发现卡瓦上部在套管上留下的牙痕明显深于下部，该现象在含裂纹段套管上尤为明显，这表明卡瓦上部咬入套管较深，套管此处受力最大。各卡瓦环向间歇分布不均，其中1#与2#卡瓦相交角度最大，为7.5°，上部牙痕间距为8.75 mm，下部牙痕间距为15.08 mm，2#与3#卡瓦交角较小，3#与4#、6#与1#卡瓦牙痕紧邻。卡瓦共17牙，1#、5#、6#样品前12牙（从卡瓦大端开始）牙痕较深，而2～4#样品仅前6齿牙痕较深，即2～4#样品卡瓦大端（以环向槽为界，大端为6齿）对套管的夹持力更大，因与套管作用的牙数较少，分配到每一牙上的作用力更大，
对套管的损伤也更为严重。
图3 P110套管裂纹源附近形貌
图4 P110套管外表面牙痕临接形貌
2.2 几何尺寸测量及无损探伤分析
对P110套管的壁厚进行测量，结果表明裂纹源所在区域上下无牙痕处的套管壁厚并非套管壁厚最薄区域。对套管进行渗透无损检验，套管本身除环向裂纹外未发现其他裂纹。从卡瓦渗透后的形貌可以看到，6#卡瓦在环形槽处也存在裂纹。6#卡瓦渗透后形貌如图5所示。
图5 6#卡瓦渗透后形貌
2.3 化学成分及显微组织分析
摩托罗拉a6288（1）化学成分分析。采用直读光谱仪对P110套管的化学成分进行分析，结果见表1。可见，该套管的化学成分符合API Spec 5CT—2011《套管和油管规范》对P110钢的要求。
表1 P110套管化学成分（质量分数）分析结果 %注：API Spec 5CT—2011要求P110套管w（P）≤0.030%、w（S）≤0.030%。0.236 C Mn Si 0.400 0.239 Mo Cr Ni Cu V Nb 0.697 0.486 0.038 0.086 0.074 0.019 Ti P S 0.003 0.009 0.002
（2）显微组织分析。P110套管和卡瓦的显微组织形貌如图6所示，2#-1卡瓦显微组织形貌如图7所示。可见，P110套管组织为回火索氏体，卡瓦组织为马氏体，并存在大量尺寸较大的球状氧化物。
图6 P110套管和卡瓦的显微组织形貌
图7 2#-1卡瓦显微组织形貌
2.4 力学性能测试育鹰学校
（1）拉伸性能。在P110失效套管上取3根Φ8.9 mm圆棒状拉伸试样，拉伸试验结果见表2。可见，P110套管的强度满足API Spec 5CT—2011标准要求。
表2 P110套管拉伸试验结果样品编号1 Rt0.6/MPa Rm/MPa A35.6mm/%917 18.5 855 2 848 913 19.0 3 848 919 22.5 API Spec 5CT—2011 758～965≥862 ≥11.5
>东北农业大学学报
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