某水平井套管开裂失效实验及数值模拟研究_王蕊.pdf

某水平井套管开裂失效实验及数值模拟研究王蕊1，张乐1，闫晓峰2，韩东2，杨鹏1(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.长庆油田分公司 第六采气厂，陕西 西安 710018)摘要：通过分析水平井套管现场服役工况，并结合宏观观察、理化性能检测、组织分析、扫描电镜观察和能谱分析等实验研究及数值计算方法，系统分析了水平井套管发生开裂失效的原因。结果表明，套管材料性能满足标准要求，但套管内壁存在大量腐蚀坑，套管在酸化压裂过程中发生点蚀。断口分析表明，裂纹起源于腐蚀坑底，套管内部存在非金属夹杂缺陷。通过数值模拟计算，分析了套管在完整及含缺陷状态下的承压能力，套管在腐蚀和缺陷作用下承压能力极大降低。当缺陷深度为0.5 mm、内压47 MPa时，套管在52 MPa压裂过程中沿原始缺陷方向发生开裂失效，与套管在压裂作业过程中失效情况相符。依据所得研究结果提出避免此类失效事故的建议。关键词：水平井套管；腐蚀；缺陷；开裂；有限元模拟中图分类号：TG245;TE982文献标识码：A文章编号：1000-8365(2023)01-0080-06Test and Numerical Simulation Research of Casing Crack Failure inHorizontal WellsWANG Rui1,ZHANG Le1,YAN Xiaofeng2,HAN Dong2,YANG Peng1(1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xian 710077,China;2.Changqing Oilfield Branch No.6 Gas Production Plant,Xian 710018,China)Abstract：By analysing the working conditions of horizontal well casings and combining experiments and numericalsimulations,such as macroscopic observation,physical and chemical property test,microstructure analysis,SEM and energyspectrum analysis,the causes of casing cracking failure in horizontal wells were systematically analysed.The results showthat the properties of the casing material meet the requirements of the standard.However,a lot of corrosion pits are foundon the inner wall of the casing,and pitting corrosion occurs in the casing during acid fracturing.The fracture analysisshows that the crack originates from the bottom of the corrosion pit,and there are nonmetallic inclusions in the casing.Through the numerical simulation,the pressure bearing capacity of the casing under complete and defective conditions isanalysed,which is greatly reduced under corrosion and defects.When the defect depth is 0.5 mm and the internal pressureis 47 MPa,the casing cracks fail along the original defect direction during 52 MPa fracturing,which is consistent with thefailure during fracturing operation.Based on the results of the study,some suggestions are put forwards to avoid suchfailure accidents.Key words：horizontal well casing;corrosion;defect;crack;finite element simulation收稿日期:2022-10-14基金项目:中国石油天然气集团公司科技项目(2021ZZ10-04)作者简介:王蕊，1979年生，博士，高级工程师.主要从事石油管材及装备科研及全尺寸实物性能检测评价工作.电话：02981887646,Email:引用格式:王蕊，张乐，闫晓峰，等.某水平井套管开裂失效实验及数值模拟研究J.铸造技术，2023,44(1):80-85.WANGR,ZHANGL,YANXF,et al.Test and numerical simulation research of casing crack failure in horizontal wellsJ.FoundryTechnology,2023,44(1):80-85.套管是石油天然气开采过程中油气与地面连接的重要通道，随着苛刻油气田探勘开发越来越广泛，套管的失效问题也日益显著，其中泄漏失效是常见的失效问题之一。卢小庆等1通过研究发现某超深复杂井二开套管由于固井质量不好，造成套管屈曲失稳，以及钻具对套管内壁磨损造成套管剩余壁厚无法承受井内载荷，导致套管发生泄漏失效。为了提高井筒完整性，避免恶性泄漏事故，张弘等2建立了井筒油套管气体泄漏数值模型，分析了泄漏孔形状、大小、内压力和环空介质对泄漏流场的影响，结果为井筒微泄漏检测技术研究提供了参考。候帅帅等3通过实验研究的方法分析了304不锈钢管内壁在氯离子作用下发生腐蚀穿孔泄漏的问题，提出通过控制管内流体介质氯离子含量及氧浓度的方DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2023.2306铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGYVol.44 No.01Jan.202380式减少点蚀。腾学清等4分析定向井套管失效主要是由于套管存在原始缺陷，在腐蚀介质及固井附加载荷作用下导致套管泄漏失效。于浩等5通过采用有限元方法分析页岩气压裂过程中套管的变形、错断、破裂等失效机理，并对一口套变井失效进行三维有限元分析，明确页岩气压裂过程中套管失效的主导因素，提出减少压裂施工套变的有效建议。套管失效不仅带来了巨大的经济损失，还严重影响了油气井的开采寿命，有效减少失效问题，提高石油天然气开采效率，是油气田安全开发的关键6-9。本文通过对水平井套管开裂失效行为进行服役工况及实验研究，分析了套管失效的主要原因。同时，依据实验研究结果建立数值模型，进一步模拟验证了套管失效过程，提出水平井套管在施工作业过程中避免此类失效事故的合理建议。1失效套管的服役工况某井地面海拔1483.77m，水平段长度为1842m，于2019年8月30日完成固井，2019年12月5日开始采用簇式射孔+可溶桥塞分段体积压裂投产。2019年12月18日压裂第5段时，施工排量2.8m3/min，压力52 MPa，决定挤酸液处理。第1次加酸10 m3，酸液进层后无明显效果；第2次加酸34 m3，加酸过程中发现刺漏，故进行找漏作业。2019年12月22日找漏后，发现漏点位于310313 m之间。进行大修作业，共取出套管42根，发现第29根套管(距离地表深度为300.83 m，套管长度为10.77 m)在距该套管外螺纹接头2.6 m处有1条约6 cm的长裂纹。该井 的 井 深 结 构 如 图1所 示。失 效 套 管 规 格 为139.70 mm7.72 mm，钢级为P110，接头类型为长圆螺纹(LC)，失效样管宏观形貌如图2所示。2失效套管实验检测及分析从图2失效样管宏观形貌观察，裂纹沿管体轴向分布，管体外表面其他部位未见结构失效或明显的腐蚀形貌。对裂纹附近截面直径进行测量，测量位置示意图如图3所示，测量结果见表1。从测量结果可以看出，裂纹附近管体外径未发生明显变化。2.1失效套管无损探伤对失效套管进行表面除锈处理，处理完成后采用CJZ-212E磁粉探伤仪进行整管探伤。探伤结果表明，除外表面的明显裂纹外，样管未发现表面及近表面不连续性缺陷。2.2失效套管化学成分从套管管体上截取试样，依据ASTM A751-20标准，采用直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表2。结果表明，该套管管体的化学成分符合API Spec5CT-2018标准11要求。2.3失效套管力学性能从套管管体上分别取宽度为25.4 mm、标距为图1井身结构Fig.1 Schematic diagram of the well structure图2失效套管宏观形貌Fig.2 Macro morphology of failed casing图3截面直径测量位置示意图Fig.3 Schematic diagram of the measurement locations for section diameter表1截面直径测量结果/mmTab.1 Measurement of section diameter截面12345A-E139.72139.78139.84139.82139.70B-F139.92139.96139.76139.80139.92C-G139.78139.76139.78139.84139.78D-H139.86139.82139.80139.76139.84铸造技术01/2023王蕊，等：某水平井套管开裂失效实验及数值模拟研究8150 mm的全壁厚条形拉伸试样及规格为7.5 mm10 mm55 mm夏 比V型 缺 口 冲 击 试 样。依 据ASTM A370-20标准，分别在UTM5305材料试验机和JBN-300B冲击试验机上进行室温拉伸及0 夏比冲击试验，试验结果见表34。试验结果表明，失效套管管体的拉伸性能和夏比冲击试验结果均符合API Spec 5CT-2018标准11要求。2.4失效套管金相及偏析物从套管管体上取样采用OLS4100激光共聚焦显微镜进行金相分析，材料中的非金属夹杂物等级均为A0.5e，B0.5，D0.5，晶粒度为10.0级。试样金相组织为回火索氏体组织，如图5所示。从上述套管管体材料的理化性能实验结果可以看出，该套管的理化性能指标满足套管产品规范标准要求，金相组织及非金属夹杂物无异常。套管材料性能不是引起套管开裂失效的原因。2.5失效套管裂纹形貌及微观断口将裂纹附近管体剖开，发现在管体内表面存在大量的腐蚀坑，腐蚀坑形貌如图6所示。断口形貌如图7所示，从裂纹源分布可以看出，裂纹起源于管体内表面腐蚀坑底且在内表面存在多个裂纹源区(图中红色标记)。在裂纹根部取纵向样进行金相分析，结果显示裂纹周围组织未见异常，与管体组织一致，均为回火索氏体，裂纹尖端分叉且存在沿晶特征，如图8所示。通过扫描电子显微镜对裂纹不同部位进行能谱分析，分析结果如图910所示。从图9能谱分析及表5所示结果可以看出，管体内表面腐蚀坑的腐蚀产物主要包含Fe、C、O、Si、S等元素，且存在Cl元素，说明管体在有O2及Cl-存在的情况下发生了垢下腐蚀。结合套管酸化压裂作业过程，酸中的缓蚀剂被岩层矿物吸附，从地层返排的残酸腐蚀性增强12。因此，穿透性强、体积小的Cl-离子能轻易穿透垢层及氧化层，并聚集吸附在局部位置形成微观腐蚀原电池，造成了氧化膜层完整性与连续性下降，且与金图4磁粉探伤F