桑塔木油田某井气举阀断裂失效分析

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(1.中国石油塔里木油田公司 新疆 库尔勒 841000；2. 中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

桑塔木油田某井气举阀断裂失效分析

沈建新1，单全生1，周怀光1，孙玉国1，龙岩2

(1.中国石油塔里木油田公司 新疆 库尔勒 841000；2. 中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

通过宏观检验、尺寸测量、化学成分分析、金相检验、腐蚀产物分析等手段对桑塔木油田某井气举阀断裂的原因进行了分析。结果表明，气举诱喷施工过程中气举阀在含氯及含氧腐蚀介质的冲刷下产生了严重冲蚀；由于表面加工精度较低，加工刀痕促进了裂纹扩展，气举阀在腐蚀介质环境下发生了氯化物应力腐蚀开裂。

气举阀；断裂；应力腐蚀；失效分析

0 引 言

桑塔木油田某井位于塔里木盆地桑塔木背斜带LN22井区127井断鼻南高点，该井于2012年11月17日完井，完钻井深4 660.00 m。2016年2月该井补孔措施作业后采用气举自喷多功能管柱投产，管柱采用四级气举阀气举工艺[1-3]；2017年3月4日，该井进行措施作业时，发现原井第一、二级气举阀断裂落井，其中断裂第一级气举阀位于井深1 493.34 m处，断裂第二级气举阀位于井深2 266.63 m处。该井作业前日产液81.00 t，日产油2.62 t，含水率高达96.7%，其产出水为典型的氯化钙水型，其中Cl-含量高达131 000 mg/L，产出气中CO2含量较低，仅为0.400%，不含H2S。

1 理化检验

1.1 宏观检验

气举阀材质为316L奥氏体不锈钢，其宏观形貌如图1所示，该气举阀断裂于进气孔处，断面可见腐蚀产物分布，存在三处平坦特征区，具有多源开裂特征，断口周围阀体未见颈缩变形特征。断口平坦区形貌如图2所示，三处平坦区靠近阀体内表面一侧较平，靠外表面侧可见局部剪切唇形貌。对气举阀内表面观察如图3和图4所示，气举阀靠近断口内表面具有腐蚀特征并存在大量加工刀痕，其刀痕延伸至断口平坦区，此外，在刀痕处可见大量裂纹分布，裂纹主要沿横向扩展，与断口开裂特征类似，而光滑内表面区域则未见裂纹分布(如图4所示)。通过断口宏观分析可初步推断，该气举阀断裂属于多源脆性断裂，起裂于内表面加工刀痕处。

图1 气举阀断口宏观形貌

图2 平坦区宏观形貌

1.2 尺寸测量

采用游标卡尺对第二级气举工作筒及气举阀外径进行测量，测量点具体位置如图2所示，测量结果见表2。由测量结果可知，该气举工作筒及气举阀各测量截面外径分布均匀，筒体及断口附近阀体未见明显塑性变形。

图3 气举阀断口内表面刀痕及裂纹

图4 气举阀内表面刀痕及裂纹

1.3 化学成分分析

由检测结果可知，该断裂气举阀化学成分符合GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》标准对316L(国内牌号022Cr17Ni12Mo2)不锈钢材质要求。

表1 几何尺寸测量结果 mm

表2 化学成分(质量分数)分析结果 %

1.4 金相检验

从该断裂气举阀取金相试样，对其显微组织、非金属夹杂物及晶粒度进行分析，金相照片如图9～10所示。金相分析结果表明，该断裂气举阀显微组织为奥氏体，晶粒度8.0级，非金属夹杂物A0.5、B1.0、D0.5级。断口内表面刀痕区域可见大量裂纹，其周围组织无明显异常，该气举阀内表面裂纹分叉较多，局部呈沿晶状，裂纹多沿横向扩展、贯穿阀体壁厚方向，局部刀痕密集处裂纹沿刀痕方向扩展，如图9所示，阀体光滑内表面处则未见裂纹分布，说明阀体内表面加工刀痕对裂纹的萌生及扩展起到明显促进作用。

1.5 腐蚀产物形貌及成分分析

气举阀断口裂纹源区及扩展区微观形貌如图11所示，裂纹源区及扩展区表面可见腐蚀产物分布，断面具有沿晶形貌，并存在二次裂纹特征。断口及其附近裂纹能谱分析结果如图12所示，腐蚀产物主要分布C、O、Fe、Cr等元素，还存在少量Ca、Cl等元素。

图9 断口附近裂纹扩展形貌

图10 断口附近显微组织

图11 断口附近表面微观形貌

图12 断口表面EDS图

2 分析与讨论

化学成分分析表明，断裂气举阀化学成分符合GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》标准对316L不锈钢材质要求。金相分析表明，气举阀显微组织为奥氏体，晶粒度8.0级，非金属夹杂物A0.5、B1.0、D0.5级，断口周围组织未见明显异常。几何尺寸测量结果表明，断裂气举阀阀体外径测量值分布均匀，未见明显塑性变形，可排除过载导致其断裂可能性。气举阀宏观分析表明，其断口附近内表面存在大量加工刀痕，刀痕区域分布大量横向裂纹，其扩展特征与气举阀横向断裂方式类似，可推测该气举阀断裂与内表面加工刀痕区域分布裂纹有关。裂纹分析表明，气举阀内表面裂纹起源于加工刀痕区域，多沿横向扩展，分叉较多，局部呈沿晶状，符合应力腐蚀开裂裂纹扩展形貌特征。断口宏观分析表明，气举阀沿横向完全断裂，起裂于加工内表面加工刀痕区域，断面存在多处平坦区，平坦区靠内壁侧较平整，断口周围阀体未见颈缩变形，宏观上可确定该气举阀断裂属于多源脆性开裂，符合应力腐蚀开裂断口的宏观形貌特征。断口微观分析表明，该断裂气举阀断口裂纹源区位于平坦区靠内表面侧，断面存在沿晶开裂和二次裂纹特征，与裂纹分析结果相印证，符合应力腐蚀开裂断口的微观形貌特征[4-6]。

断裂气举阀内表面存在大量加工刀痕，说明其表面加工精度较低，不但易造成腐蚀介质聚集引起气举阀腐蚀，还可能造成应力集中，促进应力腐蚀开裂的裂纹萌生。能谱分析结果表明，该气举阀断口以及内表面裂纹各区域内均存在导致应力腐蚀开裂的Cl元素，同时O元素含量较高，特别是裂纹内部Cr元素出现富集，可推测腐蚀产物中存在Cr2O3，可见其已受服役井下含氯及含氧腐蚀介质腐蚀，满足发生应力腐蚀开裂的环境条件。根据现场调研可知，该井地层水中Cl-含量高达131 000 mg/L；此外，2016年2月22日至25日现场注入高压氮气54 000 m3，其中氮气中不可避免会存在氧气，进一步促进应力腐蚀开裂裂纹萌生及扩展。

综上所述，该气举阀断裂满足应力腐蚀开裂的基本条件，其失效机理为氯化物应力腐蚀开裂。此外，该断裂气举阀内表面加工精度较低对应力腐蚀开裂起到一定促进作用。

3 结 论

1)气举阀内表面存在大量裂纹，其断裂及内表面裂纹产生原因为氯化物应力腐蚀开裂，气举阀内表面存在的加工刀痕对应力腐蚀开裂起到一定促进作用。

2)高压高速氮气通过第一、二级气举阀进行气举诱喷作业，使得气举阀在含氯及含氧腐蚀介质的冲刷下产生了严重冲蚀，是气举阀腐蚀的主要原因。

3)该气举阀表面加工精度较低、存在应力集中，建议加强产品质量管理，机械加工过程中严格控制表面精度。

[1] 布朗.KE举升法采油工艺:卷二(上)[M].北京:石油工业出版社，1987:604-608

[2] 杨川东.采气工程[M].北京:石油工业出版社,1997:161-165.

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[5] 刘春江,姜 涛,刘新灵,等. 应力腐蚀机理和基于FEM的应力腐蚀裂纹扩展模拟技术的研究进展[J].失效分析与预防,2016,11(2):111-115.

[6] 褚武扬,谷 飚,高克玮.应力腐蚀机理研究的新进展[J].腐蚀科学与防护技术,1995,7(2):97-101.

FractureFailureAnalysisofGasLiftValveinaWellofSangtamuOilfield

SHENJianxin1，SHANQuansheng1，ZHOUHuaiguang1，SUNYuguo1，LONGYan2

(1.PetroChinaTarimOilfieldCompany，Korla,Xinjiang841000,China；2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi′an，Shaanxi710077，China)

Macroscopic examination, size measurement, chemical composition analysis, corrosion product analysis and metallographic examination were used to investigate the reasons for the fractured gas lift valve in a well of Sangtamu oilfield. The results indicated that the gas lift valve has suffered severe erosion under the erosion of chlorine and oxygen corrosion medium during the gas lift induced flow. The crack propagation was promoted by machining marks because of low machining accuracy and the cracking of the gas lift valve was a kind of stress corrosion cracking in chlorine corrosive environment.

gas lift valve; fracture; stress corrosion; failure analysis

沈建新，男，1970年生，高级工程师，博士研究生，2012年博士毕业于中国石油大学(北京)，目前主要从事采油工程技术管理工作。E-mail:shenjianxin-tlm@petrochina.com

TE28

A

2096-0077(2017)05-0054-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.014

2017-07-20编辑马小芳)