套管失效案例及控制技术研究

李　超，陈长青，刘文红，李德伟

（1.渤海石油装备第一机械厂，河北青县062658；2.中国石油集团石油管工程技术研究院石油管工程重点实验室，西安710077；3.华油一机抽油机有限公司，河北青县062658）①

套管失效案例及控制技术研究

李超1，陈长青1，刘文红2，李德伟3

（1.渤海石油装备第一机械厂，河北青县062658；2.中国石油集团石油管工程技术研究院石油管工程重点实验室，西安710077；3.华油一机抽油机有限公司，河北青县062658）①

通过对近年来典型套管失效的统计分析，阐述了套管失效的现状、模式、原因和失效机理，指出套管失效以断裂和脱扣为主要模式，同时表明近年来由于套管的质量问题导致的失效事故显著增加。据此提出了从具体失效分析、对存在疑似缺陷的套管进行适用性评价、开展套管质量控制及其应用技术研究、套管及其管柱的完整性管理等几个方面入手，开展套管失效控制技术研究，不但可对套管的质量是否满足相关标准要求进行判断，还可对不符合标准要求套管的使用范围进行规范，从而保证油田选好用好套管，减少套管的失效。

套管；失效模式；失效分析；失效控制；适用性评价；完整性管理

套管是石油行业中重要的物资和器材，而且用量很大，在整个建井成本中平均占25%左右［1］。套管及其管柱失效将导致整个管柱不能正常生产，甚至整口井报废。

近年来，随着油气勘探开发的快速发展和钻采新工艺、新技术的应用，对套管的质量和性能提出了更高的要求，而套管的质量和性能不能很好地满足油气田勘探开发需求，与油气勘探开发需求之间产生了较大的矛盾；加之在套管质量控制方面存在一些薄弱环节，一些质量和性能不合格的套管产品流入油气田，由此引发一些由于质量引起的失效事故，对油气田的正常生产带来了不利影响，也会产生一些安全隐患。例如，某油田2008年至今就发生长圆螺纹套管接头滑脱事故20余起以上，接头上扣过程中发生粘扣40余起，给油田生产造成了很大的经济损失。

通过对自2007年以来典型套管失效的统计分析，阐述了套管及其管柱失效的现状、失效模式、失效原因和失效机理，指出断裂、脱扣、粘扣、螺纹泄漏以及腐蚀是几种经常遇到的套管失效模式，且套管失效以断裂和脱扣为主要模式。通过统计分析以及典型套管失效分析表明，近年来由套管的质量问题导致的失效事故显著增加。据此提出了从具体失效分析、对存在疑似缺陷的套管进行适用性评价、开展套管质量控制及其应用技术研究、套管及其管柱的完整性管理等几个方面入手，开展套管失效控制技术研究。不但可对套管的质量是否满足相关标准要求进行判断，还可对不符合标准要求的套管的使用范围进行规范。从而明确套管失效机理，选好用好套管以及对套管失效进行预防。

本文所讨论的套管失效主要针对钻井和完井过程中所发生的失效案例和分析，不包括油气开采以及开发过程中及任何增产和作业措施造成的套管损坏。

1　套管失效模式及失效项目统计分析

1.1 套管失效模式

有学者将油井管的失效模式用脱、漏、粘、挤、破、裂、磨、蚀8个字概括，也有学者将套管失效模式划分为掉井失效、固井失效、接箍开裂、粘扣失效、腐蚀磨损失效等［2］。

结合近年来套管失效的模式，为了更好地对套管失效进行归类，总结其失效的特点和规律，本文在总结和归纳的基础上，将套管及其管柱的失效模式按照如下模式进行分类：①断裂，如横向断裂、爆裂、螺纹疲劳断裂、应力腐蚀断裂、接箍纵裂；②变形，如挤毁、脱扣；③磨损，如粘扣、管体磨损；④螺纹泄露；⑤腐蚀。通过这种划分，经常遇到的套管和油管及其管柱的失效模式就可归类为断裂、脱扣、粘扣、螺纹泄漏和腐蚀等失效模式。几种典型失效模式［3］的宏观形貌如图1所示。

图1　几种典型的套管失效模式

1.2 套管失效项目统计分析

2007—2011年，中国石油集团石油管工程技术研究院（以下简称中石油管研院，包括其前身中国石油天然气集团公司管材研究所）完成34起套管和油管失效分析项目，这些失效数据仅是油田送中石油管研院进行套管和油管失效分析的数据结果统计。送检的失效套管和油管也只是部分油田发生的套管和油管失效中典型的失效个例，实际失效的数目远远大于此数据。虽然只是全国失效事故的少部分，但是由于这些事故对油田造成了较大影响，阻碍了油气井勘探与生产的发展，所以一定程度反映了近年来我国套管和油管失效的现状。此项工作的主要目的是期望找到套管和油管失效的规律，从而采取措施尽量减少套管和油管的非正常失效。

近几年以来，套管和油管失效事故按照油井管钢级的统计情况如图2所示，可以看出：J55钢级失效事故13起，N80钢级失效事故9起；这2种钢级套管和油管失效占所有统计失效的65%以上，更高钢级的套管和油管的失效事故也为数不少。

图2　套管和油管失效按照钢级的统计

套管和油管失效部位的统计情况如图3所示，可以看出：油管螺纹部分的失效占到60%以上，而套管的失效则80%以上与螺纹部位有关，这也说明螺纹部位是套管和油管连接成管柱的薄弱部位，是经常发生失效的地方。

图3　套管和油管失效的部位

按照螺纹形式进行统计的套管和油管失效情况如图4所示，可以看出：长圆螺纹套管和油管的失效几乎占到失效总数的80%；另外，特殊螺纹接头形式套管和油管的失效也需要注意。

图4　套管和油管失效按照螺纹形式的统计

套管和油管失效模式的统计情况如图5所示，可以看出：油管的失效模式以断裂和磨损（粘扣）为主，这2种失效模式占到油管失效的70%以上；套管的失效模式则以断裂和形变（脱扣）居多，且这2种失效模式占到套管失效的90%以上。

图5　套管和油管失效模式的统计

失效原因按照现场操作、产品质量、腐蚀等统计的情况如图6所示，可以看出：纯粹由于产品质量原因引起的失效占到将近50%；另外，与产品质量因素有关的失效原因结合起来，由于产品质量造成的失效原因占到所有失效的60%，必须引起各方面的重视。

图6　失效原因和失效频次的相关统计

2　套管失效案例分析

2.1 工厂端脱扣

2010-06，某钻探工程公司施工的水平井发生177.8mm×10.36mmN80 Q LC套管脱扣失效事故，脱扣套管未能从井下取出。该井实际套管串为177.8mm浮鞋＋177.8mmP110套管×1根＋177.8mm浮箍＋177.8mmP110套管（3019.34～3517.68m）＋177.8 mm N80Q套管（0～3019.34 m）。

进行上卸扣试验时，一次卸扣后外螺纹粘扣形貌如图7所示，分析结果表明：套管接箍紧密距参数不合格，螺纹脂选用不当，致使套管螺纹抗粘扣性能较差，连接强度显著降低。

图7　进行上卸扣试验时一次卸扣后外螺纹粘扣形貌

2010-06-27，东北地区某开发直井，在钻至井深2650m时，下完232根-139.7 mm×7.72 mm J55 LC套管，下深2646.12 m。灌满泥浆后，开泵环空不返泥浆，经3次上下活动套管后，泥浆返出，泵压0～4 MPa，泥浆进多出少，停泵观察环空有外溢。起出套管甩掉注托器时，发生第10根套管起出转盘面5 m接箍与本体突然脱开，下部套管落井。落井套管223根，长度2544.03 m，鱼顶105.97 m。接箍断面变形形貌以及管体局部大片P组织如图8所示。

图8　接箍断面变形形貌以及管体局部大片P组织

分析结果表明：套管选用不当，套管接箍镗孔直径不符合标准要求；接箍承载面宽度过小，导致承载面过早屈服；接箍承载面宽度过小、瞬时提拉载荷过大是导致套管脱扣失效的重要原因。

2.2 现场端脱扣

2010-07，国内某著名套管制造厂生产的139.7mm×7.72mmJ55 LC套管用于某定向井的二开套管，下二开套管作业时套管脱落，此时下井套管170根，套管串长度1 852 m。随后，上提剩余套管有2根。该套管外螺纹接头第1～17扣导向面形貌和管体组织如图9所示。

图9　外螺纹接头第1～17扣导向面形貌和管体组织

分析结果表明：套管材料屈服强度偏低，材料组织中有混晶现象，含有少量的WF（魏氏铁素体）有害组织，晶粒度低（40%3.0级，60%5.0级），试样现场端外螺纹接头上扣拧接圈数不足是造成滑脱失效的原因。

套管滑脱事故主要集中于API长圆螺纹接头，失效的原因有螺纹参数不合格、下放套管速度过快而撞击井口、螺纹脂选用不当以及螺纹发生粘扣等，这些因素显著降低了接头的连接强度［4］。关于API长圆螺纹接头套管的滑脱问题，经过多年研究证实，螺纹参数及其公差是很重要的影响因素，建议在套管柱拉伸载荷较高时选用API偏梯形螺纹接头或特殊螺纹接头。

2.3 套管接箍纵向开裂失效

2009-04，某钢管公司生产的177.8mm×10.36mmP110 BC套管在某井发生7根套管接箍破裂和脱扣事故。该井在关井期间进行压力监测，油套环空带压，泥浆中有天然气存在，泥浆漏入244.5mm（9英寸）与177.8mm（7英寸）套管环空，后来起出177.8mm（7英寸）尾管。该套管裂纹源区起裂源位置断口宏观形貌和倒角截面凹坑及凹坑内裂纹形貌如图10所示。

图10　裂纹源区起裂源位置断口宏观形貌和倒角截面凹坑及凹坑内裂纹

分析结果表明：套管接箍材料冲击韧性不符合API Spec 5CT标准要求，接箍端部倒角机械加工形成凹槽并在底部有裂纹存在，由于应力集中造成从接箍端部倒角处起裂，接箍冲击韧性低是造成接箍脆性开裂的主要原因。

2.4 套管外螺纹根部断裂

2007-10，某油田在进行起下钻杆的防喷演习中，半封闸板防喷器开关正常，在随后进行钻进工况的防喷演习时，半封闸板防喷器无法关闭。打开半封闸板侧门检查防喷器时，发现技术套管悬挂器上移1.6 m，阻挡了半封闸板的有效关井。起钻完，接套管对扣，2次都没有成功，悬挂器连接螺纹磨平。随后拆转盘，甩掉万能防喷器、闸板防喷器和四通，提出上升的技术套管悬挂器，悬挂器下带出1根技术套管，技术套管从外螺纹根部断裂。经过多次打捞，一共捞出断裂的套管9根和3个接箍。其中，有6根套管从现场端管体外螺纹根部断开，3根套管从工厂端的管体外螺纹根部断开，3个接箍内的两端均有断裂的管体螺纹。该批套管为某油井管制造公司生产的244.5mm×8.94 mmJ55 LC套管。图11为失效套管与未使用套管的端面形貌对比及失效套管螺纹根部裂纹特征。

图11　失效套管与未使用套管的端面形貌对比及失效套管螺纹根部裂纹特征

分析结果表明：失效套管材料组织粗大，屈服强度低于API Spec 5CT标准，在参考API RP 5C5标准进行上卸扣试验时，经过1次上卸扣后都发生了不同程度的粘扣，螺纹连接强度低于API Bull 5C2中给出的最低连接强度。

2.5 套管管体刺漏失效

某油田在对2011-01交井的某油井进行声幅检测时，发现-139.7 mm×9.17 mm P110 LC套管试压不正常。现场固井施工正常，碰压15 MPa，经声幅检测，人工井底3 323.5m，水泥返深1 610m。对套管柱在20MPa下试压，稳压30min后压降为0。现场发现套管柱有漏失后使用清水对油管试压，在20MPa压力下试压30 min压力未降低，说明油管未发生漏失。下73mm油管带PT封隔器于1 663.65m在15MPa压力下加压30min，压力不降，证明水泥返高以下套管无问题，在300.64m以上在5 MPa压力下反加压结果压力不上升，表套出液体，说明油层套管有漏失问题。下73mm油管＋PT封隔器再次找漏，经8次找漏证实漏失发生在149.4m上部套管。图12为套管刺漏处附近折叠缺陷外表面局部组织及外表面裂纹周围组织形貌。分析结果表明：套管在下井使用前刺漏部位管体折叠处就已经存在裂纹，剩余壁厚在低的液压作用下扩展穿透并导致最终的刺漏失效。管体表面折叠缺陷是套管管体发生刺漏失效的主要原因。

图12　刺漏处附近折叠缺陷外表面局部组织及外表面裂纹周围组织

3　套管失效控制技术

套管及其管柱失效事故均与产品质量有关，应该引起各方面的注意。所以有必要采取一系列有效措施（譬如制订套管订货技术条件、对套管进行驻厂监造、选择性能优良的螺纹脂），从套管的质量控制入手，进行套管失效控制技术研究。进行套管及其管柱失效控制技术，主要包括以下内容。

3.1 加强失效分析工作，掌握失效原因与机理

符合API标准订货的油井管，生产厂家同样也按照API标准组织生产，但是到货后用户在验收或者使用中仍然会发现各种各样的问题，这些和失效分析密切相关。

符合API标准订货的油井管产品，不等于完全符合使用；同样，不符合标准的产品也不等于不符合使用［5］。

注重失效分析，根据失效特点以及油井管产品的力学性能、工艺性能和使用性能，确定产品订货技术条件。

失效分析是保障套管及其管柱安全可靠性的重要技术措施；失效分析工作为查明失效原因、预防事故再次发生提供技术支持；通过大量失效分析，积累大量数据，为套管评价与选用技术奠定基础。

3.2 全面开展适用性评价，帮助油田选好用好套管

失效分析及对问题井的调查分析表明：管材产品满足制造厂规定指标要求，管柱强度设计符合相关标准，管柱失效原因主要是设计管柱与使用条件的不适应导致，没有对复杂工况油气井设计管柱进行适应性评价，大量非API套管产品在油田使用前必须进行适用性评价以确保使用安全。对复杂工况油气井设计管柱进行适应性评价就是预防失效的有效措施之一。进行适用性评价研究，建立套管失效分析和工况的适用性评价方法与技术，为套管的安全使用和服役可靠性提供技术保证［6］。

开展套管柱的适应性评价是对管柱设计的进一步完善，有些影响因素在管柱设计中未考虑，例如接头在各种机械载荷作用下的内部应力分布、高压高产气井管柱横向振动、各种腐蚀介质等对管材及接头性能的影响等［7］。适应性评价主要针对目前管柱设计方法中无法量化的因素对油井管管柱进行验证性评价，适应性评价可检验选用的管柱在使用环境及工况条件下的性能表现，是否出现异常，对操作中可能出现的问题进行预演及预防，增加使用安全可靠性，避免或降低事故损失和处理时间，提高管柱的使用安全可靠性。

对存在疑似缺陷的套管进行适用性评价，不但可对套管的质量是否满足相关标准要求进行判断，还可对不符合标准要求的套管的使用范围进行规范，提高资源利用率，避免经济损失，同时带来较大的社会效益和经济效益。

3.3 加强套管的质量控制技术和应用技术研究

经过对发生的套管及其管柱失效事故的分析，可以明确套管失效发生的原因基本有：

1） 产品质量原因。主要是生产过程中参数波动及过程控制不力导致的。

2） 生产工艺不完善。一些新产品由于生产工艺还需进一步完善，未最终定型，影响到产品的最终质量。

3） 使用过程不当。例如载荷超过设计值、现场机械损伤、未涉及到的腐蚀介质等，导致套管发生失效事故，从而对现场使用造成安全隐患。

很多套管的失效事故是母材存在缺陷造成的，套管的生产质量需要严格控制，应加强套管的在线无损探伤，油田对重点井也应进行探伤检验。同时，螺纹加工水平也应不断提高，以减少油田的套管失效。

油田在选择和设计套管时，要充分了解套管特别是螺纹接头的操作性能，对于酸性介质、高温环境下，要慎重选择套管材料和钢级。另外，油田应严格遵守套管上扣和下放等作业，以防发生套管粘扣、滑脱失效事故。

应根据油田的具体使用条件，加大力度开发和应用特殊钢级及特殊螺纹接头的套管品种，保证套管柱的安全可靠性，延长套管的使用寿命，减少套管在使用中的早期破坏，以满足我国油气田长期开发的要求，实现总体上的低成本目标。开展非API标准特殊规格、特殊螺纹接头套管应用技术研究，预防套管及其管柱失效。

3.4 开展油井管完整性管理，预防套管及其管柱失效

套管及其管柱的失效仍很严重，对油气田安全生产和效益造成重要影响。失效分析结果表明：某些环节的管理仍比较薄弱，油气田工况条件日益苛刻，生产和安全要求越来越高，全面开展油井管柱完整性管理十分必要和迫切。

油井管完整性管理的关键技术包括失效分析及失效案例库的建立、危险因素与危险源的识别、风险评价、完整性评价（核心内容是适用性评价）、安全可靠性评估、故障诊断等技术。

油井管柱的完整性管理是指对所有影响油井管柱完整性的因素进行综合的、一体化的管理。完整性管理是保障油井管柱安全和油气田效益的有效方法和重要管理措施。

总之，失效分析是油井管完整性管理的基础，完整性管理是油井管失效分析的延伸，是全面、科学有效地预测、预防油井管失效的措施。

4　结论

1） 经常遇到的套管和油管及其管柱的失效模式可归类为断裂、脱扣、粘扣、螺纹泄漏和腐蚀等。

2） 很多套管的失效事故是母材存在缺陷造成的，套管的生产质量需要严格控制，应加强套管的在线无损探伤，油田对重点井也应进行探伤检验。同时，螺纹加工水平也应不断提高，减少油田的套管失效。

3） 套管滑脱事故主要集中于API长圆螺纹接头，失效的原因有螺纹参数不合格、下放套管速度过快而撞击井口、螺纹脂选用不当以及螺纹发生粘扣等，这些因素显著降低了接头的连接强度。建议在套管柱拉伸载荷较高时选用特殊螺纹接头套管。

4） 失效分析和适用性评价是保障套管及其管柱安全可靠性的重要技术措施。适用性评价是完整性评价的核心内容，完整性管理是在失效分析的基础上进行的，是失效分析的继续和发展，是套管及其管柱失效控制技术的重要组成部分。

［1］ 冯耀荣，杨龙，樊治海，等.从油井管的失效分析及质量状况谈加强油井管质量控制的建议［J］.石油管工程，2009（5）：1-5.

［2］ 李鹤林.石油管工程［M］.北京：石油工业出版社，2011.

［3］ 李鹤林，冯耀荣.石油管材与装备失效分析案例集（一）［M］.北京：石油工业出版社，2006.

［4］ American Petroleum Institute.API STD 5B specifica-tion for threading，casing，and thread inspection of cas-ing，tubing，and line pipe threads［G］.14nded.USA：USA.API.1996.

［5］ American Petroleum Institute.API SPEC 5CT specifi-cation for casing and tubing［G］.16nded.USA：Sixth Edition.USA.API.1998.

［6］ ISO/TR 10400，6th edition—2007.Bulletin on Formu-las and Calculations for Casing，Tubing，Drill Pipe and Line Pipe Properties［S］.ISO，2007.

［7］ ISO 13679：2002 Petroleum and natural gas industries-Procedures for testing casing and tubing connections ［S］.

Cases of Casing Failure and Casing Failure Control Technology

LI Chao1，CHEN Changqing1，LIUWenhong2，LI Dewei3
（1.Bohai Petroleum Equipment 1st Machinery，Qingxian 062658，China；2.Key Laboratory of Oil Tubular Goods Engineering，Tubular Goods Research Institute of CNPC，Xi’an 710077，China；3.HG Pumping Unit Co.，Ltd.，Qingxian 062658，China）

By statistical analysis，the main data from the typical casing failure analysis in recent years，it described that the status of failure，patterns，causes and failure mechanism of casing.It is pointed out that failure to fracture and pull out of the casing as the main mode，but that in recent years the quality of the casing failure caused a significant increase in accidents.Accordingly，fail-ure analysis，the existence of suspected defect evaluation of the fitness of the casing string，quality control and its application technology research，the integrity of the casing string and its manage-ment aspects are carried out to carry out casing failure control technology.Not only the quality ofthe casing meets the requirements of relevant standards to judge，but also do not meet the require-ments of the standard to regulate the use of casing，in order to ensure good use of selected casing and reducing casing failure in oil field.

casing；failure mode；failure analysis；evaluation of the fitness；integrity management

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.004

1001-3482（2015）07-0014-07

①2015-01-09

李 超（1972-），男，河北涿州人，工程师，主要从事油井管产品的研发和制造工作，E-mail：lichao＠cnpc-hg.com。