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該井封隔器以上使用了規(guī)格分別為?114.30mm×12.70mm，?114.30mm×9.65mm，?114.30mm×8.56mm，?88.90mm×6.45mm4種油管，分別用A，B，C，D表示。對(duì)上述不同規(guī)格油管進(jìn)行宏觀檢查發(fā)現(xiàn)各油管管體和接箍均存在不同程度的腐蝕，具體情況見(jiàn)表1。

表1 各種腐蝕形貌的不同規(guī)格油管數(shù)量（根）

其中，9號(hào)油管(D油管)發(fā)生泄漏，其外螺紋接頭泄漏且發(fā)黑，管體中部存在縱向裂紋，如圖1和圖2所示；2號(hào)油管(D油管)外螺紋接頭大端發(fā)黑，如圖3所示，推測(cè)是由于天然氣滲入所導(dǎo)致；8號(hào)油管(C油管)接箍存在縱向裂紋，如圖4所示。

圖1 9號(hào)油管泄漏且發(fā)黑的外螺紋接頭

圖2 9號(hào)油管管體中部的縱向裂紋

圖3 2號(hào)油管發(fā)黑的外螺紋接頭大端

圖4 8號(hào)油管接箍的縱向裂紋

上述A，B，C，D規(guī)格的油管所處井深分別為10.68~1027.95m，1027.95~1625.47m，1625.47~6170.90m，6170.90~6441.20m。油管管體外徑、接箍外徑、壁厚、管體橫截面積、接頭橫截面積等參數(shù)情況如圖7所示?？梢?jiàn)上述油管中在完井管柱最下部的D油管的各參數(shù)值均最小。

圖7 不同井段深度、不同規(guī)格油管的參數(shù)情況

結(jié)合表2可知，隨著井深的增加和油管上述參數(shù)尺寸的減小，開(kāi)裂程度逐漸嚴(yán)重，開(kāi)裂最嚴(yán)重的井段油管的受力條件和腐蝕環(huán)境最苛刻。

克深2-2-12高壓氣井所用的油管是特殊螺紋接頭油管，該種接頭雖然設(shè)計(jì)有金屬對(duì)金屬的密封結(jié)構(gòu)，但抗壓縮效率只有管體的80％。在抽檢的8根D油管中就有1根油管(9號(hào)油管)外螺紋接頭泄漏且發(fā)黑，外螺紋接頭發(fā)黑的原因是天然氣中的碳原子沉積在螺紋表面。另外還有1根油管(2號(hào)油管)外螺紋接頭大端(接箍端面)有天然氣滲入的發(fā)黑痕跡，這說(shuō)明D油管的密封性最弱，該規(guī)格油管不適用于該井的工況條件。

完井管柱在井下所受的載荷有自身重力、溫度變化引起熱脹冷縮導(dǎo)致的拉伸和壓縮載荷以及內(nèi)、外壓載荷和振動(dòng)載荷等。在放噴求產(chǎn)期間，完井管柱受熱伸長(zhǎng)，由于其在井口被采油樹(shù)固定約束，在井底被封隔器固定約束，完井管柱受熱伸長(zhǎng)后只能在套管里彎曲，且越到井下部管柱彎曲程度越嚴(yán)重。在壓裂期間油管受冷縮短，隨著油管溫度下降，完井管柱逐漸縮短變直，并承受拉伸載荷。

油管抗彎強(qiáng)度(K)和油管截面慣性矩(I)存在如下關(guān)系

K＝EI(1)

式中：E為油管材料彈性模量，該彈性模量為常數(shù)。

由式(1)可知，油管抗彎強(qiáng)度與其截面積成正比，截面積越小，油管抗彎強(qiáng)度越小，油管越容易彎曲。開(kāi)裂最嚴(yán)重的D油管位于完井管柱最下部，這進(jìn)一步說(shuō)明在交變溫度載荷和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，油管應(yīng)力腐蝕裂紋首先從管柱薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生，油管失效最嚴(yán)重的位置，其受力條件和腐蝕環(huán)境最苛刻。

在熱脹冷縮交變載荷作用下，油管抗彎強(qiáng)度最小的部位更易承受反復(fù)彎曲疲勞載荷。如果存在腐蝕介質(zhì)，在抗彎強(qiáng)度最小處油管最容易產(chǎn)生橫向應(yīng)力腐蝕裂紋。該井C，D油管以縱向應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂為主，但油管接箍及靠近接箍位置的管體也有橫向應(yīng)力腐蝕裂紋，部分D油管的接箍端存在天然氣滲入現(xiàn)象，推測(cè)這與上述油管段承受反復(fù)彎曲載荷有關(guān)。依據(jù)油管接箍上的橫向裂紋方向特征判斷，熱脹冷縮交變載荷在該井油管失效過(guò)程中存在，但并不是主導(dǎo)載荷。

在放噴求產(chǎn)期間和壓裂注液期間，由于天然氣流量變化和注液泵壓波動(dòng)，完井管柱會(huì)受到內(nèi)壓和振動(dòng)載荷，這會(huì)導(dǎo)致油管承受交變內(nèi)壓疲勞載荷。在交變內(nèi)壓疲勞載荷和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，根據(jù)ANSI/API TECHNICAL REPORT 5C3-2008(2015) Technical Report on Equations and Calculations or Casing，Tubing，and Line Pipe Used as Casing or Tubing；and Performance Properties Tables for Casing and Tubing，油管應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂形式應(yīng)當(dāng)為縱向裂紋。該井油管失效原因主要為縱向應(yīng)力腐蝕裂紋，這說(shuō)明油管在使用過(guò)程中承受的交變內(nèi)壓載荷是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要應(yīng)力來(lái)源。

對(duì)該井封隔器以上使用的4種油管按照ANSI/API TECHNICAL REPORT 5C3-2008(2015)進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示，可見(jiàn)D油管的管體屈服強(qiáng)度、接頭連接強(qiáng)度、抗擠強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均最小，其承載能力最低。D油管的縱向開(kāi)裂最嚴(yán)重，這進(jìn)一步說(shuō)明在交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用下，油管應(yīng)力腐蝕裂紋首先在管柱薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生。D油管管體存在傾斜裂紋，而只有當(dāng)油管承受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)才會(huì)產(chǎn)生傾斜裂紋，說(shuō)明D油管在井下承受了扭轉(zhuǎn)載荷。

表3 不同規(guī)格油管力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果

2.4.1 壓力計(jì)算條件

(1)A環(huán)空(油管與套管之間的空間)充滿密度為1.40g·cm-3的OS-200有機(jī)鹽。

(2)油管內(nèi)為密度0.31g·cm-3的天然氣。

(3)D油管所處井深為6170.90~6441.20m。

2.4.2 壓力計(jì)算

(1)A環(huán)空充滿1.40g·cm-3有機(jī)鹽，D油管段管外液柱壓力為(6170.90~6441.20)×1.40×0.0098＝84.7~88.4MPa。

(2)油管內(nèi)為密度0.31g·cm-3的天然氣，D油管段管內(nèi)氣柱壓力為(6170.90~6441.20)×0.31×0.0098＝18.7~19.6MPa。

(3)井口油壓與A環(huán)空壓力相同時(shí)，D油管段上端壓差＝管外液柱壓力-管內(nèi)氣柱壓力＝84.7-18.7＝66.0MPa，A環(huán)空壓力大于油管壓力；D油管段下端壓差＝管外液柱壓力-管內(nèi)氣柱壓力＝88.4-19.6＝68.8MPa，A環(huán)空壓力大于油管壓力。

(4)井口油壓與A環(huán)空壓力差大于66.0MPa時(shí)，D油管段上端位置A環(huán)空壓力小于油壓；井口油壓與A環(huán)空壓力差大于68.8MPa時(shí)，D油管段下端位置A環(huán)空壓力小于油壓。

(5)井口油壓與A環(huán)空壓力差小于66.0MPa時(shí)，D油管段上端位置A環(huán)空壓力大于油壓；井口油壓與A環(huán)空壓力差小于68.8MPa時(shí)，D油管段下端位置A環(huán)空壓力大于油壓。

計(jì)算結(jié)果表明，在油管快速泄漏之前，存在油管內(nèi)壓高于外壓的情況，雖然內(nèi)外壓差沒(méi)有超過(guò)油管抗壓強(qiáng)度(96.3MPa)，油管不會(huì)發(fā)生內(nèi)壓過(guò)載失效，但是在腐蝕環(huán)境和交變載荷條件下，油管具備產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕縱向裂紋的條件。

產(chǎn)生裂紋的C，D油管處在1625.47~6441.20m井段，該井段溫度為33~154℃。油管產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，這說(shuō)明S13Cr110鋼在33~154℃溫度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感。其中，處于6170.90~6441.20m井段的D油管裂紋最多，該井段溫度為147~154℃，說(shuō)明隨著溫度升高，油管的應(yīng)力腐蝕裂紋增多。

由于完井管柱自重的原因，越靠近井口位置油管所受拉力越大。為滿足抗拉安全系數(shù)，油管設(shè)計(jì)時(shí)越靠近井口所選油管截面積越大。結(jié)合表2可知，該井位于10.68~1027.95m井段的A油管和位于1027.95~1625.47m井段的B油管均未產(chǎn)生裂紋，位于1625.47~6170.90m井段的C油管產(chǎn)生了裂紋，位于6170.90~6441.20m井段的D油管裂紋最多，這說(shuō)明目前油管設(shè)計(jì)不符合油管的實(shí)際應(yīng)用情況，應(yīng)當(dāng)從預(yù)防失效的角度對(duì)油管設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步研究。