新疆油田玛湖地区套管损坏机理及主控因素研究*

张丽萍,李一强,舒振辉,赵 田,王 航,韩礼红

(1.中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司 新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油集团工程材料研究院有限公司,石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077)

0 引 言

致密油是重要的非常规油气资源类型之一，也是国家能源战略接替目标之一[1-3]。近年来，新疆油田通过高效勘探形成了玛湖十亿吨级大油区[4-6]。通过持续攻关与试验研究，有效开发技术基本成熟配套，玛湖地区已成为新疆油田上产、实现“十四五”原油产量目标最现实的产能建设区块[7]。

玛湖砂砾岩致密油开发借鉴页岩气的开发模式，主体技术采用长水平井(1 200～2 000 m)、大规模体积压裂(井口泵压80 MPa)[8]。在水平井体积压裂过程中，复杂井眼轨迹、大液量、大排量、高泵压及多级压裂作业使得井下套管处于苛刻的服役工况状态。截止2018年，玛湖地区套管损坏井的比例达到6.2%。套管损坏模式包括接头螺纹断裂、接箍纵向开裂、套管变形等[9-11]。因此，急需开展玛湖地区套管损坏机理及主控因素研究，提出针对性的预防控制措施，为致密油气藏的经济、高效开发提供技术支撑。

1 接头螺纹断裂

玛18井区多口井在钻井下套管过程出现套管接头断裂。现场记录显示，油层套管下放至5 508 m位置后遇阻，上提过程钻机大钩悬重从1 354 kN陡降至385 kN，现场判断套管断裂。后期打捞过程，提出77根套管后发现套管外螺纹断裂，其中鱼顶的位置在810.25 m，落鱼长度4 697.7 m。接头外螺纹断口形貌如图1所示。可见，接头沿外螺纹消失端第3～5牙处断裂，断口具有瞬时断裂特征。

图1 玛湖地区钻井下套管过程接头螺纹断裂形貌

1.1 接头断裂机理

油田钻井现场调研表明：接头断裂的套管采用P110钢级、Φ127.0 mm×11.1 mm规格及API-LC螺纹扣型，接头断裂发生在井下直井段800～1 000 m位置。钻井设计方案显示，该井的井眼轨迹具有大三维、小间隙特征，采用小三开井身结构，如图2所示。

图2 玛18井区钻井设计的井眼轨迹示意图

接头螺纹断口宏观形貌观察表明：接头断裂萌生于螺纹的根部，并从根部沿径向向内部扩展，如图3(a)所示。断口特征SEM观察表明：裂纹源区位于螺纹根部，断口表现出裂纹萌生、稳态扩展及瞬时断裂特征，如图3(b)所示。进一步观察表明，在裂纹稳态扩展区域形成疲劳辉纹特征，如图3(c)所示。断口观察结果表明，接头螺纹断口具有典型疲劳损伤特征，属于疲劳引起的断裂失效。

图3 接头螺纹断口形貌

现场下井记录显示，该井在下套管过程由于遇阻套管有多次上提-下放作业，统计的编号483到编号531套管在下井过程对应的上提-下放次数及大钩载荷如图4所示。可见，套管入井位置较深后，上提-下放次数明显增加，最多时单根套管达到45次。统计结果表明，全井段套管的上提-下放次数累计超过1 000次。大钩载荷显示，随套管入井深度增加，上提过程大钩的拉伸载荷不断增加，最大拉伸载荷达到1 370 kN。结合下放过程的压缩载荷，套管在上提-下放过程承受交变的拉伸-压缩载荷，反复多次的上提-下放作业造成入井套管的接头螺纹承受低周疲劳载荷。

图4 玛18井区下套管过程上提-下放次数与对应的大钩载荷变化曲线

断口特征及现场作业记录证实，玛湖地区大三维、小间隙井眼轨迹中，下套管遇阻后反复多次上提-下放作业导致套管接头螺纹疲劳断裂。

小学语文教师在问题设置时要做好两方面准备，既要对教材内容非常熟悉，也要了解学生的实际情况。小学学生的知识水平和理解能力是不一样的，在教学过程问题的设置要符合大众化要求，做好难度调节，避免只为尖子生设置问题的教学方式。

1.2 主控因素分析

拉-弯复合载荷作用下API短圆套管连接螺纹的应力分布规律研究表明[12]：井眼曲率(弯矩)对套管的连接强度和密封性能影响极大，随着井眼曲率增加，接头螺纹允许承受的轴向拉伸载荷明显减小。注-采气周期性作业工况下，套管柱尤其是接头连接部位承受拉-压交变载荷。全尺寸实物试验结果表明[13]：套管接头在拉伸载荷下未发生泄漏，但在承受压缩载荷后再拉伸时易发生泄漏。拉-压交变载荷下套管接头的耐压缩密封能力较低，多周次交变载荷循环后接头的密封承载能力下降。可见，复杂交变载荷对套管接头的连接强度和密封性能产量了明显的影响，极易造成套管接头的疲劳破坏。

API-LC长圆扣是套管接头连接的常规扣型，其连接强度一般只有管体的70%左右，是套管柱中最薄弱的环节，现场80%的套管失效发生在套管接头螺纹处[14]。因此，复杂载荷工况下API-LC长圆扣型接头在服役过程存在安全隐患。利用有限元数值模拟和全尺寸实物试验，对比研究了上提-下放作业过程API-LC长圆扣型与特殊螺纹扣型套管接头的连接强度和疲劳寿命。在相同的拉伸或压缩载荷下，特殊螺纹接头的应力水平明显低于长圆扣螺纹接头。在拉-压循环交变载荷下，特殊螺纹接头的疲劳寿命约为普通长圆扣型接头的6.9倍。

一、出去直接把仓库门锁上，再去叫人，这样大家都知道小偷是丁主任而不是我，那么，哈哈——我的嫌疑洗清了，但是……但是……丁主任的前途也就毁了，说不定还成了阶下囚。如若这样，我是不是太狠毒了，我可是长辈，不能不顾及孩子的将来，而且这孩子平时待自己也不薄啊，他前几天都不是说了吗，如不是小偷，让我回去看看老婆孩子。

2 接箍纵向开裂

接箍断口SEM观察表明：开裂的接箍发生沿晶界扩展的脆性断裂，如图6所示。能谱分析表明，断口表面存在S、O元素，表明服役环境中存在腐蚀性介质，如图7所示。

2.1 接箍开裂机理

连续管酸化压裂过程接箍为P110钢级，纵向开裂形貌如图5所示。由图5可见，接箍断口观察到放射状形貌特征，靠近接箍内表面位置出现瞬时断裂特征，表明开裂接箍的裂纹从外表面向内部扩展。

应力腐蚀开裂除了环境介质因素之外，还与材料的受力状态相关。研究认为，材料应力腐蚀开裂存在最小临界应力，即阈值应力(σth)，与此对应，材料断裂存在临界应力强度因子(KISSC)。只有当外加应力σ>σth时(或者材料的应力强度因子K>KISSC)，材料才会发生硫化氢应力腐蚀开裂。

图5 玛湖地区风南作业区接箍纵向开裂形貌特征

风南地区在酸化压裂过程出现套管接箍纵向开裂。现场调研表明：该井全井段井深4 088.7 m，其中垂深2 599.89 m，造斜井段2 000 m，水平段1 507.97 m，造斜率6°/30 m。采用二开井身结构，油层套管下深4 088.47 m，水泥固井返至离地面1 893.0 m。现场报告显示：落鱼井深位置1 201.3 m，开裂接箍位于井身的环空自由井段。现场第10级酸化压裂时套管压力从67.0 MPa突然陡降至3.65 MPa，套管承压范围在14.0～70.0 MPa，初步判断套管断裂。

图6 纵向开裂接箍断口表面的SEM观察

图7 纵向断裂接箍断口表面成分的能谱分析(EDS)

饱和含水岩心样品的三轴加载试验表明：粉砂质泥岩样品轴向、径向变形明显，表现出显著的蠕变特征，如图10所示。值得指出的是，初始状态岩心样品的抗压强度为26.6 MPa，经过长期浸水、三轴加载后降低至19.8 MPa。

结合接箍断口特征和现场压裂施工作业工艺，在连续油管压裂和含硫元素腐蚀介质的耦合作用下接箍沿纵向发生应力腐蚀开裂。

2.2 主控因素分析

应力腐蚀开裂的因素包括环境因素、材料因素及受力状态，环境因素涉及介质种类、温度等，材料因素包含成分、显微组织、力学性能等。具体分析如下：

环境因素：含硫介质的浓度与应力腐蚀敏感性并不呈线性关系，在相同时间内，材料中氢渗透量随H2S浓度的增加而增加。环境中的H2S浓度越大，材料的氢脆敏感性越大。而当H2S浓度达到一定值后，材料的氢脆敏感性又随着H2S浓度的增加而降低。温度与H2S在溶液中的溶解度密切相关。一方面当温度升高时，H2S在水溶液中的溶解度降低，腐蚀能力减弱。另一方面，随温度升高，材料表面化学反应的速度加快，腐蚀反应的速率提高。研究表明，H2S应力腐蚀敏感性存在临界温度范围，在临界范围内H2S应力腐蚀敏感性较大。

粪便样本经高通量生物学信息分析，共得到15个菌门，相对丰度大于1%的门类见表2，其余相对丰度低于1%的门类见图1。经分析可以得出：拟杆菌门、厚壁菌门为粪便细菌中的优势菌门，添加膨化秸秆生物发酵饲料的3个试验组中厚壁菌门、螺旋体门的相对丰度都有所提高，拟杆菌门相对丰度有所下降。其中试验2组中厚壁菌门、螺旋体门的相对丰度显著高于其他三个组，且差异显著（P＜0.05），拟杆菌门相对丰度显著低于对照组、试验3组且差异显著（P＜0.05）。

用水效率标识 用水效率标识是加贴在用水器具上的一种信息标签，是市场经济条件下引导消费者选择效率更高产品的制度安排。

材料因素：材料的强度提高，硫化氢应力腐蚀开裂的倾向增大。材料的强度与硬度密切相关。试验结果表明，材料硬度值越大，硫化氢应力腐蚀开裂的临界应力值越低、断裂时间越短。化学成分中合金元素是影响材料硫化氢应力腐蚀敏感性最重要的因素。为提高材料的应力腐蚀性能，成分设计原则包含:1)杂质S、P及有害元素尽可能低，材料高度纯净化；2)考虑到钝化膜的防腐作用，抗硫材料应基于低合金Cr-Mo系设计；3)控制材料基体中Mn元素含量；4)控制材料中C元素含量。显微组织对材料硫化氢应力腐蚀性能影响明显，调质后形成的回火索氏体组织为铁素体基体上弥散分布细小的球状碳化物，是一种平衡态组织，能够显著提高材料的硫化氢应力开裂抗力。

其中，若交互项CFAt-1×CDI的系数显著为负，则表明该假设通过检验，即对处于相应生命周期的企业，碳信息披露会显著缓解企业的融资约束。

1.会弱化政府对公共项目的控制力。城镇综合开发涉及的项目大多具有公共产品或准公共产品的性质，对社会发展和老百姓生活往往有较大影响，也正因为如此，城镇公共产品和公共服务投资领域的开放是最晚，也是最缓慢的。过去，城镇公共产品和公共服务投资大多是政府在做，虽然存在着资本有限、供给不足的问题，但是项目的控制权完全掌握在政府手中。城镇综合开发PPP模式虽然在一定程度上解决了资本供给不足、规划与建设不专业、运营不规范等问题，但是却在使政府对项目的控制力受到影响。

因此，接箍开裂主控因素包括连续管压裂过程的内压载荷、腐蚀性介质环境及材料的应力腐蚀抗力。在现场压裂施工作业的基础上，考虑材料抵抗应力腐蚀的性能，通过室内工况模拟试验，评价接箍的适用性。

3 套管变形

3.1 套管变形机理

套管变形井段对应地层属于克拉玛依组，岩性为粉砂质泥岩夹泥岩薄层，泥质含量高，岩石矿物组成及元素含量见表1，岩石样品及微观组织如图8所示。从表1可见，岩心样品含有易于吸水膨胀的黏土矿物，对应的Ca、Al、O等元素含量较高。

表1 套管变形井段对应岩心样品的矿物组成

图8 玛18井区套管变形井段岩心

恒温浸水环境下，套管变形井段岩心样品的水敏性试验结果表明：粉砂质泥岩含水率明显增加，恒温浸水后含水率持续增大，浸水120 d后含水率从4.3%增加至15.5%。含水率增速初始快速增加，随后趋于平缓，如图9所示。

图9 变形井段岩心样品的含水率与浸水时间关系曲线

研究表明：氢诱导裂纹、应力腐蚀敏感性与其中S元素含量相关，S元素含量越低，氢致开裂和应力腐蚀敏感性越低。由于H2S及其电离形成的HS-和S2-在金属表面具有极强的吸附性，阻滞了活性氢原子结合成氢分子逸出的过程，加速了氢原子向基体中扩散，在晶体的缺陷处聚集，显著降低材料的塑性，增加了应力腐蚀开裂敏感性。

图10 粉砂质泥岩样品分级加载蠕变曲线

结合套管变形井段岩心样品的矿物成分、水敏特性及三轴加载蠕变效应，粉砂质泥岩吸水膨胀后蠕变滑移是套管变形的主要原因。

岩石吸水蠕变诱发局部地层滑移情况下套管变形机理示意如图11所示，从图中可见，局部滑移地层界面发生错动时，套管受到强烈的剪切作用，局部缩径变形。研究结果表明：滑移地层发生错动时，5 cm的裂缝错动位移导致套管缩径的变形量达到2.28 cm。

上述分析表明：载荷类型对套管接头的连接强度、密封性能及寿命影响明显，拉-压交变载荷下，特殊螺纹接头的疲劳寿命明显优于普通的长圆扣型接头。因此，上提-下放作业过程，套管接头螺纹断裂的主控因素是拉-压循环疲劳载荷及接头的疲劳抗力。预防套管接头断裂应从提高接头的抗疲劳断裂性能入手，优选套管接头扣型。

图11 吸水岩石膨胀诱发局部地层滑移错动导致套管变形的机理示意

3.2 主控因素分析

分段压裂过程，压裂液进入吸水岩石层段或者层理弱面后，容易导致局部地层发生滑移。微地震测量结果表明：威远地区套管变形井53.6%的变形点处于地层滑移或者层理弱面处，且地层倾角越大，套管发生剪切变形的风险越大[15]。数值分析结果显示，地层与套管成正交时，地层滑移60 mm，套管变形为56.23 mm。可见，地层滑移和套管变形抗力是分段体积压裂过程套管变形的主控因素。

针对地层滑移引起的套管变形问题，李留伟等[16]提出在井眼轨迹设计阶段避开地层滑移带，或者顺滑移地层的走向钻井，避免地层滑移界面对套管剪切和外挤。李军等[17]提出对套管变形风险段进行分段固井，在地层滑移较为显著的位置采取注入高黏流体不固井的方式，可为局部地层滑移增加空间。

由于中西方的文化背景差异悬殊，在对历史事件的翻译过程中，可以采用注释法，这是在哲学文本翻译中通常会用到的基本英译方法，对注释法的合理运用，不仅能够帮助外国读者熟悉书中所涉及的人物、历史背景等。注释法，多用于对事物的意义、故事中心思想的解释，在对孟子学说的翻译过程中更是起到了至关重要的作用。由此可见，注释法翻译策略在《孟子》一书中的使用，不仅符合中国古典文献的著录要求，也能在翻译过程中充分保全文化内容，准确表达书中的孟子思想。

由上文可知，缺乏财务管理的风险意识，导致了企业的管理出现了严重问题，因此，强化提升企业财务管理意识也是企业发展必不可少的部分，信息化的社会，网络传播速度飞快，各种资源都能相互借鉴，然而，财会管理因其对每个企业都具有针对性的特点，以及人才的稀缺，造成很多企业对财务管理并不重视，但是，企业的发展离不开财务，管理者要加强对其重视程度，依据财会报告妥善的对企业进行规划，将财会管理渗透到整个企业中，确保当前财务情况能够适应企业今后的发展，用财务管理来对其他管理方面进行监督，并形成相互促进的局面，使得企业的经济发展水平稳步提升。

4 结 论

1)新疆油田玛湖地区套管损坏的主要模式包括：钻井下套管过程接头螺纹断裂、酸化压裂过程接箍纵向开裂及分段体积压裂过程套管变形。

2)钻井下套管过程反复多次上提-下放作业引起套管接头螺纹疲劳断裂。酸化压裂过程连续油管压裂和环空腐蚀介质造成接箍沿纵向应力腐蚀开裂。分段压裂过程，吸水膨胀的岩石蠕变诱发局部地层滑移，剪切及非均匀外挤载荷导致套管变形。

3)套管接头螺纹断裂的主控因素是拉-压交变疲劳载荷、接头螺纹的疲劳抗力，建议优化井身结构、优选接头扣型。接箍纵向开裂的主控因素是连续管压裂工艺、环空介质环境及接箍材料的应力腐蚀抗力，建议控制压裂作业过程井口压力、开展材料工况适用性评价。套管变形的主控因素是地层岩石属性、套管的变形抗力，建议开展井筒一体化协调变形研究。

4)玛湖地区套管损坏的预防需要结合现场的服役工况，基于套管损坏的机理和主控因素，从套管服役安全的技术需求出发，按照地质工程一体化的指导原则，保障井下服役管柱的结构完整。