文南油田油管断裂失效分析与预防措施探讨

李天聪 李仕铭 谷同杰

中国石化中原油田分公司采油四厂（河南濮阳457001）

文南油田油管断裂失效分析与预防措施探讨

李天聪 李仕铭 谷同杰

中国石化中原油田分公司采油四厂（河南濮阳457001）

对油管断裂井的油管进行了调查研究，对断裂油管的螺纹断口宏观、微观、化学成分、金相组织和管柱组合结构进行了分析，对油管在井下的作业工况和受力状况进行了研究分析；探讨了预防油管断裂的措施。

文南油田油管断裂采油树采油速度金相组织

文南油田以机械采油为主，年开井450口，2009年抽油井在生产过程中，先后在文33-144井、文33-161井出现油管断裂失效事故，严重影响了采油速度，增加了作业成本投入。进入2010年之后，又在文33-325井和文33-157井再次出现油管断裂失效事故。

1 油管断裂井的基本参数

4口油管断裂井，使用的全是外径73mm、内径62mm的N80-1平式油管，断裂位置全是从螺纹公扣的末端断在机紧扣内，断口平齐，形状相似，配套使用的采油树都是KYS25/65偏心型，各井的基本参数见表1。

表1 油管断裂井的基本参数

2 断裂油管的特征分析

2.1 断裂油管的宏观特征

文33-157井油管的断裂位置，位于自上而下201.6m处油管公扣螺纹的根部末端（图1），长度为46mm，断口平齐，断裂后的公扣螺纹与母扣连接在一起，没有发生位移。将油管接箍剖开取出断裂的公扣螺纹，断口的宏观面貌如图2所示，左半部分断口整齐平齐，呈现出脆性断裂的特征，是断裂的起始区域；右半部分的断口表面与油管轴线成45°的夹角方向撕裂，但断口表面光滑，整个断口表面没有明显的塑性断裂特征，根据断裂部位的表面特征宏观分析为脆性断裂。

图1 断裂油管的表面特征

2.2 断裂油管的微观特征

用扫描电镜（SEM）观察断裂表面，除了在螺纹根部，即断裂的起始位置存在少量撕裂峰外，整个断口表面都比较光滑平整，在断口表面还能观察到一些二次微裂缝。在更高的放大倍数下观察，发现断裂起始点位于螺纹根部，向材料内部扩展一小段距离后即呈现出典型的解理断裂特征。通过高倍放大观察还可以看到，油管断裂的起始点处存在与材料所受扭矩方向相一致的扩展流线，从螺纹根部的切线方向向垂直方向曲线扩展，流线距离的尺度与带状偏析的尺度相一致，为10～20μm，远离螺纹根部的断口表面呈现为解理断裂的特征，断口表面上未见坚韧性断裂特征。

图2 断裂油管的宏观面貌

2.3 断裂油管的化学成分

断裂油管的化学成分如表2所示，各项成分指标都符合API标准要求。

表2 断裂油管的化学成分单位：%

2.4 断裂油管的材料性能

断裂油管的硬度、强度和冲击性能如表3所示。与正常的油管材料相比，断裂油管的性能没有明显异常，都符合API标准要求。

表3 断裂油管与正常油管的性能对比

2.5 金相组织分析

对断裂油管和正常油管位置的金相显微组织进行了分析，发现材料存在较严重的成分偏析现象。断裂油管的断裂位置的金相组织存在有带状马氏体组织，而正常油管位置的金相显微组织中未见马氏体组织。

利用SEM观察了偏析带内的马氏体组织并比较了其与相邻的珠光体和铁素组织的成分差异，可见在偏析带内由于成分偏析的影响，C和Mn的含量与设计成分相比普遍偏高，马氏体组织的C和Mn的含量最高。

3 油管断裂的原因分析

（1）通过金相组织分析，断裂油管的成分偏析较严重，并有带状马氏体组织存在，虽然不足以明显影响材料的力学性能，但严重的成分偏析，尤其是带状马氏体组织在材料内部造成了严重的应力集中，在承受载荷时容易发生开裂破坏，由于Φ73mmN80-1型油管以热轧态生产，受成分和工艺的限制，难以完全消除成分偏析的现象，因此，在交变载荷的作用下，严重的带状偏析和马氏体组织有可能成为缺陷而发生油管断裂。

（2）完井管柱的组合和采油树的配套，只满足了工艺测试的需要，未考虑油管在长期生产过程中受交变载荷的影响，产生的蠕动，对油管应力集中点造成的伤害。

4 预防措施

（1）为了提高产品质量，延长油井的检泵周期，将油管钢级由N80-1型改为N80-Q型，采取全管调质处理，通过全管奥氏体化，彻底消除可能存在有局部成分偏析形成的马氏体组织，最终得到综合力学性能较好的回火索氏体组织，大幅度提高产品的服役能力。

（2）偏心井口完成测试工作之后，迅速更换为常规井口，防止油管长期在偏心井口作用下，因偏离中心位置而造成的油管一侧应力集中，导致的脆性断裂。

5 结论

（1）断裂油管材料的化学成分、力学性能均符合API标准要求。

（2）油管的断裂位置存在较严重的成分偏析，局部有带状马氏体组织存在，在载荷作用下，这种组织缺陷成为应力集中点而发生脆性断裂。

（3）偏心井口完井。油管不是处在套管的中心位置，而是偏离中心点，靠近套管左侧或右侧，交变载荷作用下，油管在套管内左右摆动幅度较大，易在应力集中点发生脆性断裂。

[1]吕栓录,骆发前,周杰,等.双台肩NC50钻杆内螺纹接头纵向开裂原因分析[J].石油工业技术监督，2004，20(8).

[2]廖凌,崔顺贤,叶顶鹏,等.空气钻井钻杆断裂失效分析[J].石油工业技术监督,2009,25(6):12-14.

[3]李记科,李显坤,高建忠.实施驻厂监造贯彻油井管标准提高油井管质量[J].石油工业技术监督,2007,23(5).

An investigation is conducted about the oil tubes at the well with tube fracture.Then the screwed fractures of broken tubes are analyzed from aspects of macrostructure,the microstructure,chemical components,metallographic structure and pipe composite structure.Meanwhile,the research focuses on the operation state and the stress status of down-hole oil tubes.Finally,some measures to prevent oil tube fracture are discussed.

Wennan oilfields;oil tube;fracture;oil production tree;rate of oil production;metallographic structure

2011-01-05▎

李天聪（1963-），工程师，主要从事井下作业质量管理工作。