连续油管弯折和断裂原因分析及预防措施资料

1、连续油管弯折和断裂原因分析及预防措施潘志勇,宋生印,王新虎,申昭熙,王建东,韩礼红(中国石油集团石油管工程技术研究院,陕西西安710065摘要:对失效连续油管进行了宏观分析、尺寸测量、无损检测、材质理化性能检验。结合连续油管的使用条件和受载特点,分析了连续油管受到的瞬时高轴向压缩载荷,并对井口处连续油管的抗弯能力作了详细分析。综合分析认为,连续油管的屈曲导致了连续油管的弯折和最终的断裂,并提出了预防措施。关键词:连续油管;屈曲;弯折;断裂;失效分析;预防措施中图分类号:TG933+.8;TG115%文献标识码:B%文章编号:1001-2311(201004-0053-06Analysis of

2、 Causes for Bending and Breakingof Coiled Tubing and Relevant Preventative ActionsPan Zhiyong,Song Shengyin,Wang Xinhu,Shen Zhaoxi,Wang Jiandong,Han Lihong(Tubular Goods Research Center of CNPC,Xian710065,ChinaAbstract:Serial investigation activities are conducted to the coiled tubing as failed,incl

3、uding visual analysis, dimension measurement,NDT and physiochemical property testing of the material.With consideration of its operation conditions and loading characteristics,the high instantaneous axial compressive load the coiled tubing bears is analyzed,and the bending-resistance of it at the we

4、llhead is also carefully analyzed.Based on the overall analysis result,such a conclusion is made that it is the buckling of the coiled tubing that eventually leads to the said bending and breaking.Accordingly relevant preventative actions are proposed.Key words:Coiled tubing;Buckling;Bending;Breakin

5、g;Failure analysis;Preventative actions0引言连续油管技术应用在石油工业始于20世纪60年代初,经过多年的快速发展,连续油管技术已成熟地运用到水平井钻井、侧钻井、完井、试油、采油、修井和集输等众多作业领域1-5。连续油管在油田开发生产中发挥了重要作用,实践证明使用连续油管作业是一项降低生产成本提高综合效益的有效途径6-7。我国于1972年引进第1台波恩公司生产的连续油管作业机,到目前为止国内作业机总数已达到40多台。影响连续油管在国内广泛使用的主要原因是国内研发起步晚、技术不配套,而且国内也没有连续油管作业机制造企业8,另外,对连续油管技术的认识不足也是影

6、响该技术广泛应用的一个重要因素。连续油管工作环境恶劣,受力情况复杂,失效形式多种多样9,研究表明导致连续油管失效的主要原因是材料质量、使用环境和操作问题。本文以一例连续油管的弯折和断裂事故为研究对象,分析连续油管失效的原因,探讨避免此类事故发生的措施。1连续油管的弯折和断裂事故国内某油田的连续油管在第1口垂直井使用15.5h,下入井深最深为1500m,该井无H2S;在第2口垂直井进行酸化压裂作业,下入井深最深为700m。作业完成后将连续油管从井中提出。在提出过程中,连续油管在距注入头上部26m处断裂,断裂时管内压力为13MPa。潘志勇(1976-,男,硕士,工程师,主要从事石油管方面的研究和技

7、术服务工作。STEEL PIPE Aug.2010,Vol.39,No.4钢管2010年8月第39卷第4期技术交流533号试样(图3残留弯曲变形,内弧侧存在3处皱折(图3a ;外弧侧存在9处皱折,皱折间距为90mm 左右或90mm 的倍数(图3b ;左侧皱折处连续油管轴向有较大的错动变形,皱折两侧管中心线垂直距离为4.92mm ,皱折处油管中心线弯曲半径为100mm (图3c 。2.2尺寸测量及无损检测对连续油管试样未皱折处进行外径和壁厚检测,3个试样的外径均不符合API RP 5C7-1996标准对连续油管成卷前的要求,其中1号试样的最小外径偏小,2号和3号试样不仅最小外径偏小而且最大外径偏

8、大。3个试样的壁厚均符合API RP5C7-1996标准要求。对3个连续油管试样的外表面使用磁粉进行无损检测,结果发现部分油管皱折处有裂纹(图4,1号试样皱折处有裂纹(图4a ,3号试样中间皱折2检测试验2.1宏观分析在断裂的连续油管上取3个试样做宏观分析,13号试样的宏观形貌如图13所示。1号试样(图1残留有弯曲变形,离断口148mm 处存在严重皱折(图1a ;断口处弯折形貌与皱折处弯折形貌相似(图1b ;断口处壁厚减薄,变形严重,断口横截面的长轴长度为30mm ,短轴长度为24.5mm ;断口挤压和磨损严重(图1c ;皱折处折角尖锐,变形严重(图1d 。(a 整体形貌(b 断口侧向形貌(c

9、 断口形貌(d 皱折形貌图11号试样宏观形貌2号试样(图2残留有弯曲变形,中间部位存在一处较大皱折(图2a b 。大皱折右边连续油管有众多小的皱折,各小皱折呈等间距均匀分布,间距为45mm 左右(图2c 。(a 整体形貌(b 大皱折形貌(c 均布小皱折形貌图22号试样宏观形貌STEEL PIPE Aug .2010,Vol.39,No.4技术交流54处有裂纹(图4b,而2号试样没有裂纹。2.3材质分析1化学成分分析用直读光谱仪(Baird Spectrovac2000和红外碳硫分析仪(LECO CS-444对连续油管试样进行化学成分分析,结果表明连续油管试样的化学成分符合ASTM A606标准

10、第类要求。2拉伸试验取连续油管整管试样在室温条件下使用UH-F500KNI型试验机进行拉伸试验,结果见表1。连续油管试样的抗拉强度和屈服强度符合API RP 5C7-1996标准要求。3硬度检测对连续油管试样横向截面使用HSV-20型硬度计进行硬度测试,结果显示母材、焊缝和热影响区的硬度均符合API RP5C7-1996标准要求。4压扁及扩口试验截取长60mm的连续油管整管试样4个,在室温条件下使用UH-F500KNI型试验机进行压扁试验,其中2个试样的焊缝位于0°,而另2个试样的焊缝位于90°。将4个试样压扁至贴合,均无裂纹产生。截取长80mm的连续油管整管试样2个,在室

11、温条件下使用60°扩口锥在UH-F500KNI型试验机上进行扩口试验,将试样内径扩大至125%,无裂纹产生。5金相分析对连续油管试样进行金相观察和分析,结果见表2和图5。(a内弧侧皱折形貌(b外弧侧皱折形貌(c内弧侧皱折处的轴向错动变形图33号试样宏观形貌(a1号试样皱折处裂纹(b3号试样内弧侧中间皱折处裂纹图4皱折处裂纹检测值API RP5C7-1996要求项目770552抗拉强度R m/MPa屈服强度R p0.2/MPa伸长率A/%670断于标距外483-平均值77065523.377065025.077064521.5表1连续油管试样拉伸试验结果潘志勇等:连续油管弯折和断裂原因

12、分析及预防措施钢管2010年8月第39卷第4期技术交流55母材HFW 焊缝热影响区项目HFW 焊缝组织晶粒度/级夹杂物/级F+P 11.0-F+P11.0-表2连续油管的组织、晶粒度和非金属夹杂物检测结果注:F 铁素体;P 珠光体;B 贝氏体。(a 母材显微组织(b HFW 焊缝显微组织图5连续油管试样的显微组织3弯折与断裂原因综合分析及讨论3.1材质方面断裂的连续油管试样的壁厚、化学成分、抗拉强度、屈服强度和硬度均符合API RP 5C7-1996标准要求;扩口和压扁试验结果也符合API RP5C7-1996标准要求;金相分析结果显示连续油管材料组织良好;实物弯曲疲劳试验结果显示使用过的连续

13、油管仍然具有很好的抗疲劳破坏的能力。3个连续油管试样的外径均不符合API RP 5C7-1996标准对连续油管成卷前的要求,这是由于连续油管在成卷过程中横截面会发生变形而变成椭圆形,同时连续油管在作业过程中反复的拉直和弯曲也会导致圆形截面的椭圆化。3.2瞬时高轴向压缩载荷图3(c 所示3号连续油管试样左侧皱折处残留有较大的轴向错动变形,这是由于连续油管在经受瞬时高轴向压缩载荷后发生了弯曲,并且在皱折处塑性屈服。假定错动变形平衡时的瞬时轴向压缩载荷为F (图6,根据力矩平衡原理,连续油管O 截面上的弯矩为:M O =F ×e =A (×d A ×y (1式中M O

14、连续油管O 截面上的弯矩,kN ·mm ;F 瞬时轴向压缩载荷,kN ;e 轴向错动位移,测量值e =4.92mm ;截面某点应力,MPa ;y 截面某点到油管中轴的距离,mm ,A 连续油管横截面积,mm 2。所以,F =A (×d A ×y 。连续油管材料屈服时的应变为:=R p0.2(2式中R p0.2连续油管材料的屈服强度,取最小值R p0.2=483MPa ;E 连续油管材料的弹性模量,取E =2.0×105MPa 。则连续油管材料屈服时的应变=2.415×10-3。而连续油管错动处的应变为:=D2×(3图6瞬时力矩平衡示意

15、6实物弯曲疲劳试验在连续油管失效附近处截取3个外表面未受损伤的整管试样进行无内压弯曲疲劳试验,试验参数为:弯曲半径1219mm ,频率0.05Hz 。结果是,3个连续油管试样产生横向微裂纹时的疲劳次数分别为750,892,868次。STEEL PIPE Aug .2010,Vol.39,No.4技术交流56图7临界轴向压缩载荷与无支承长度之间的关系式中D 连续油管的外径,D =31.75mm ;油管中心线处弯曲半径,=100mm 。则连续油管错动处的应变=0.159。那么,=65.7。所以可以认为错动处的整个O 截面均发生了屈服,则轴向压缩载荷F 为:F =A (×d A ×

16、;y e =A(R p0.2×d A ×y e=4×R p0.2×(D 3-d 33×e=1517.4(kN 式中d 连续油管的内径,d =27.33mm 。在此情况下,连续油管承受了很大的瞬时轴向压缩载荷,而连续油管在大的轴向压缩载荷下会发生屈曲。3.3井口处连续油管的抗弯分析连续油管是通过注入器夹持块夹紧后注入井下的,在连续油管下井过程中有可能遇卡而无法下入,此时如果加大注入力强行下入连续油管,在注入头链条底部与防喷器橡胶芯子顶部之间的一段无支承长度的连续油管就可能发生严重弯曲。井口处使连续油管产生严重弯曲的临界轴向压缩载荷的计算公式10为

17、:P b =R p0.2×A 1+(0.03×2(4式中P b 临界轴向压缩载荷,kN ;长细比,=L /r g ;L 连续油管无支承长度,L =800mm ;r g 回转半径,r g =12r 02+r i 2姨;r 0连续油管外半径,r 0=15.875mm ;r i 连续油管内半径,r i =13.665mm 。计算临界轴向压缩载荷,得:P b =15.85(kN 如果无支承长度缩短,则临界轴向压缩载荷增加,临界轴向压缩载荷与无支承长度的对应关系如图7所示。从图7可见,无支承长度缩短时,临界轴向压缩载荷增加很快。所以,缩短无支承长度可以有效地防止连续油管被压弯。3.4

18、讨论由2号和3号连续油管试样皱折形貌和各皱折的间距特点,以及对连续油管瞬时轴向压缩载荷的分析可知,连续油管在作业过程中发生了屈曲。1号试样存在严重弯折,断口处的形貌与弯折处形貌相似,弯折处离断口的距离为148mm ,为45mm 的3倍多,而2号和3号试样皱折间距为45mm 左右或45mm 的倍数,由此可推断连续油管的断裂和弯折就发生在连续油管屈曲皱折处。连续油管弯曲变形的曲率半径小于它的屈服曲率半径,则连续油管每次弯曲变形均发生塑性变形,由于连续油管在一次起下作业过程中要经受6次弯曲变形,所以连续油管在作业过程中会残留弯曲变形。连续油管皱折处发生了椭圆化变形甚至轴向发生了错动变形,这样注入头链条底部与防喷器橡胶芯子顶部之间的含皱折无支承连续油管抵抗弯曲变形的能力会降低,而连续油管残留的弯曲变形会进一步减小连续油管临界轴向压缩载荷。连续油管在第2口井作业时,无支承部位