油套管的缺陷失效分析

李 超，苏金洋，王爱兵，石运超

渤海装备第一机械厂油井管公司，河北沧州 062658

由于过去对表层资源的过度开采，致使表层资源的严重枯竭，随着社会的进步和和科技的深度发展，越来越多的能源消耗品进入广大老百姓的家庭，致使能源的需求越来越大，因此能源的开发转向了深层次的开发，随着深井、超深井的开发，油套管的安全性就成了一个非常突出的问题。油田对油套管技术的需求也日益增加，对油套管的安全性也有了更高的要求，新的钻井工艺和新的套管技术及强化钻井安全措施已得到广泛应用，大力地推进了钻井油井管技术科技的快速发展。随之各油田在完井过程中油套管因缺陷造成的事故也呈现出上升的趋势。尤其是西北油田和一些复杂地层深井和超深井的勘探开发完井过程中油套管因缺陷失效事故的发生，给油田建设和勘探开发带来了较大的经济损失，同时也影响到对深层次石油资源高效、经济的勘探与开发。

美国《金属手册》认为，机械产品的零件或部件处于下列3种状态之一时定义为失效：1）当它不能完全工作时；2）仍然可以工作，但已不能令人满意地实现预期的功能时；3）受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须立即从产品或装备上拆下来进行修理或更换时。通过对构件或零件的失效残样形貌、成分、性能和受力情况等进行综合分析，有时需要做再现性试验，最终推断出失效原因。寻找失效原因，不断降低产品或装备的失效率，提高可靠性，防止重大失效事故发生是失效分析的任务

油套管缺陷失效一般呈现为管体断裂和爆裂，接箍和管体螺纹处因加工缺陷失效等。一般是由以下一些因素引起的：管材制造过程中的缺陷及油套管加工制造工程中的偏差缺陷，完井下油套管的基本力学工况，油套管的组合及钻井工艺，井径规则性，偏卡，螺纹密封性，钻井液，套管扶正器结构和材料，井内腐蚀介质等，以上因素交互作用的结果导致油套管失效。

1 管体制造与螺纹缺陷

管体制造原材料连铸坯气孔的形成，一般在表面或表层下，呈现针状、柱状或圆球状。一般针状、柱状气孔的产生原因；保护渣潮湿、天气潮湿情况下二次吸气、二冷区蒸汽逸流进入结晶器。球状气孔产生的原因；保护渣潮湿、保护渣铺展性不良，卷入钢液内、保护渣碱度高、二次吸气。这些微小的原材料管体制造过程的缺陷都会给油套管生产留下巨大的失效隐患；油套管螺纹加工过程中由于加工设备的精密度误差、检测设备的误差、管体与接箍料材质的误差、及螺纹紧密距等的误差，都会给油套管的连接造成连接强度的缺陷。

2 油套管的基本力学工况

油套管在完井过程中通常要承受拉力、扭矩、弯、液力等负荷。如果油套管所受拉力大于其钢级和规格型号屈服强度和抗拉强度时就会发生断裂，套管的屈服强度和承受弯曲、抗拉强度和拉伸应力组成的复合应力很大，特别是在大位移定向井及水平井中抗拉强度极大，当油套管受到大于其自身的抗拉强度和屈服强度时就会管体断裂或管体连接部位脱扣断裂。

3 油套管组合及钻井工艺

油套管作为一个细长的弹性杆件，有其自有振动频率，油套管长度的组合和扶正器的配比位置决定了此自有震动频率。油套管在下井作业时还会产生纵向和扭转2种形式的振动，当他们的频率与固有频率相吻合时则产生共振。共振的结果会使油套管的屈服强度和抗拉强度的基础上又增加了一个疲劳应力，加速油套管缺陷的失效。采用高质量的石油专用管材、是对石油钻井完井工艺的完善及保证，以减少因油套管缺陷所造成的损失。

4 井径不规则影响

井径不规则或扩井严重的井段，油套管下井过程中的弯曲程度随之相应增大，油套管连接螺纹部位受交变弯曲应力加速油套管螺纹疲劳失效，同时螺纹连接受力复杂化，加剧了螺纹疲劳损坏。

5 偏卡

油套管在井下的情况非常复杂，由于井下地质情况的复杂，油套管下井过程的泥浆循环的停止，造成井下松散地层的坍塌都会造成油套管的偏卡、造成油套管抗拉强度的失效。

6 螺纹密封脂

螺纹脂的涂抹方法不当，如用柴油清洗油套管丝扣、螺纹密封脂保管不当混入水、钻井液、杂质或加机油稀释使螺纹密封脂附着困难、螺纹密封脂涂抹量少或涂抹不到位等，造成油套管螺纹连接时不能进行有效的密封和润滑而发生粘扣。

7 钻井液

目前，使用的钻井液体系中的化学物质，如盐水钻井液、酸性钻井液、火碱、重晶石粉等加重材料系等会造成油套管杆的腐蚀。

8 套管扶正器结构和材料

目前使用的扶正器大多是螺旋扶正器，其螺旋扶正棱的边线与扶正器本体的轴线成30°～45°夹角。如果扶正器的结构在搬运过程中出现磕碰，轴线夹角发生变化都会给油套管自身的缺陷增加失效应力。

9 腐蚀介质

由于钻井液循环系统不是密封的，大气中氧气会通过泥浆池、泥浆泵等设备在钻井液的循环过程中混入钻井液成为游离氧，当泥浆中含有一定量的溶解氧时，就会对油套管表面造成腐蚀，来源于地层或由于泥浆中一些含硫有机添加剂高温分解和泥浆中硫酸盐还原菌的新陈代谢产生的H2S 还会导致油套管的氢致应力腐蚀断裂。由H2S 腐蚀产生的硫化铁与钢铁形成腐蚀电偶，导致油套管表面产生很深的溃疡状蚀坑使钻杆在短时间使用发生刺穿及孔洞腐蚀。浸入钻井液中的CO2使其具有弱酸性，也会对油套管造成腐蚀。另外，油套管遇卡后注入类似HCI 强酸解卡时，也会对油套管造成严重的腐蚀。而钻井液中其他离子如CIˉ等，和H2S、CO2共同作用加速钻杆表面的腐蚀，这些都会增加油套管缺陷的快速失效应力。

以上所述，油套管失效的因素繁多，油套管的失效是各因素综合作用的结果。就具体每口井来讲，应根据油套管失效分析，提炼出主要影响因素并采取相应的措施。目前，一些厂家生产的涂层油套管就已解决因腐蚀和应力交互作用造成的油套管断裂失效问题。具体我们应根据实际情况分析，确保钻井、完井的成功。西北深井、超深井管柱优化设计、管材选用及安全可靠性保障技术；酸性和高酸性气田管材选用及质量控制技术；低渗透油气田经济型管材选用及质量保障技术；典型工况管材失效案例分析及预防措施；石油管材失效的现状、原因、规律、机理，失效分析、预测预防技术的趋势和研究方向。