浅谈油套管的缺陷与失效问题

浅谈油套管的缺陷与失效问题

常俊平

中石化胜利油田分公司物资供应处物资检验所山东省东营市257000

摘要：油田勘探开发离不开油套管，在钻井完井后，油套管任何部位的缺陷与失效都会造成严重的后果，甚至使整口井报废。我国各油田每年发生因油套管缺陷造成的损失几百起，直接经济损失数亿元，同时也给环境保护和能源开采造成了严重的影响。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。

关键词：油套管；缺陷；失效；分析

引言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。

一、管体制造与螺纹缺陷

1.在钻井中发生套管刺漏给钻井施工造成巨大经济损失，及时针对失效及同批次套管的化学成分、金相组织、机械性能和螺纹参数进行了检测，检测结果均符合相关标准要求，为了探寻螺纹粘结、损伤原因，又进行螺纹上、卸扣试验，发现该批套管螺纹抗粘结性能不良，又进一步观察了该批套管外螺纹牙形轮廓，发现其牙形轮廓不佳。本文对造成现有的套管刺漏原因做了分析，并提出了相应措施，有助于油田钻井施工减少损失提高经济效益。

2.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，卷人钢液内、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。

二．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并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。

三．油套管组合殛钻井工艺

1.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。

2.预防螺纹粘扣应采取的措施

对于本套管粘扣失效的分析中，最有力的证据是上卸扣试验表明，该批套管抗粘扣能力不佳，为了提高产品质量，避免类似事故的发生，提出以下建议：（1）生产厂大力研究螺纹生产工艺技术，提高螺纹精度，优化管子和接箍的螺纹配合参数，提高螺纹抗粘结性能；（2）现场作业下套管前，彻底清洗螺纹，螺纹整个表面都均匀涂满合适的螺纹脂，螺纹对接时，小心下放套管，并保证对中，以免损伤螺纹和非正常导入，并严格按油管规格和钢级控制上扣扭距和转速。

四．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。

五．失效分析结论

1.管体和接箍材料机械性能（抗拉强度、身长率、延伸率）符合《GB/T19830-2005石油天然气工业油气井套管或油管用钢管》要求；管体与接箍材料为同类型，且硬度接近。

2.符合《SY/T9253.2-1999石油天然气工业―套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验》的要求。

3.外螺纹牙型轮廓不佳，螺纹存在匹配不佳的可能性，上卸扣试验显示该批套管螺纹抗粘扣性能不佳。

4.刺漏原因分析：由于该批螺纹抗粘扣性能不佳，在过大的上扣速度下进行螺纹连接，造成螺纹粘连破坏，使得螺纹连接强度和密封性能不良，造成粘结处管体壁厚减薄，且形成应力集中，当承受高压钻井液和固井水泥作用时自管端和接箍结合处次漏至螺纹粘结处，该处存在应力集中，且存在管柱自重和液压造成的拉伸应力，一段时间冲刺之后使得管子和接箍刺穿，同时刺向管子螺纹消失端和接箍端，而且造成粘扣部位的缩颈变形，此时螺纹连接强度急剧下降，最终导致螺纹脱开而失效。六．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H，s还会导致油套管的氢致应力腐蚀断裂。由H，S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CO。使其具有弱酸性，也会对油套管造成腐蚀。另外，油套管遇卡后注人类似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CI-等，和H，S、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。

结束语：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。

参考文献：

[1]赵金洲，张桂林.钻井工程手册[M].北京：中国石化出版社，2004.

[2]刘锐熙.套管检测技术在中原油田的应用[D].北京：中国石油大学，2007.