篩管保護套破裂原因分析

潘志勇，楊成新，林 凱，謝俊峰，李孝軍，王孝亮，馮 春，李 巖

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000)

1 現場概況

篩管保護套是篩管的重要組成部分，如果發(fā)生失效將導致篩管功能喪失[1,2]。某垂直井井深6 715 m，所產原油含蠟(6.3%)和膠質(2.57%)較高，導致該井經常發(fā)生堵泵、卡泵現象，在起出機抽管柱后發(fā)現井底部分防砂篩管保護套縫隙被堵死，如圖1所示。起出丟手封隔器管柱發(fā)現第一根防砂篩管接箍以下2.9 m處縱向破裂，裂口長度約289 mm，如圖2所示。另外下部沉砂管被油泥堵死。失效的篩管基管規(guī)格為Φ114.3×6.35 mm N80，保護套材質為304不銹鋼，厚度為1.5 mm，篩管失效前進行過一次注水替油作業(yè)，最高注水泵壓4.8 MPa。

圖1 篩管保護套堵塞形貌

圖2 篩管保護套破裂形貌

2 斷口分析

篩管保護套斷裂處斷口宏觀形貌見圖3，斷口與保護套表面呈45°特征。圖4為斷口微觀形貌顯示韌窩特征，說明保護套發(fā)生了韌性開裂。

圖3 保護套斷口宏觀形貌

圖4 保護套斷口微觀形貌

3 材質分析

在篩管保護套上截取標距寬為3.75 mm長為25 mm的板狀縱向拉伸試樣在室溫條件下進行拉伸試驗，試驗機型號為CMT-4101，結果見表1。保護套抗拉強度、屈服強度和伸長率符合GB/T 4237[3]標準要求。

表1 保護套力學性能檢測結果

在保護套上取樣，經4%的硝酸酒精溶液腐蝕后用MEF4M型光學顯微鏡進行顯微組織觀察和分析，保護套組織為奧氏體,如圖5所示，組織晶粒度為7級，非金屬夾雜物為A0.5、B0.5、D0.5。

圖5 保護套顯微組織

4 綜合分析

篩管保護套材料力學性能滿足標準要求，破裂斷口宏觀及微觀形貌觀察顯示保護套韌性開裂。

由于篩管保護套開孔率高(為30%)，當鋼絲網布被油泥結晶堵死時，作用在網布上的內壓力均勻傳遞到保護套內表面，當注水替油泵壓達到4.8 MPa時保護套內表面均布壓力為4.8/0.7=6.857 MPa。由于保護套壁厚相對外徑很小，采用理想彈性殼單元模型，根據保護套測量結果建立三維殼模型進行注水泵壓4.8 MPa條件下的有限元受力分析，結果見圖6。

圖6 保護套三維有限元應力分布圖

根據圖6可見，注水泵壓4.8 MPa時最大應力達到715.4 MPa，最大應力大于保護套名義屈服強度205 MPa，同時也大于保護套實測最大屈服強度443 MPa，所以保護套在注水泵壓作用下會發(fā)生屈服開裂失效。

防砂篩管位于井深5 000 m左右處，井口施加的泵壓在傳遞到篩管處時由于壓力波動會導致篩管受到的內壓大于井口泵壓，這將加劇篩管保護套的受力。

根據以上分析推斷，篩管堵死導致保護套在過大內壓作用下韌性開裂。

5 結論及建議

1)保護套拉伸試驗結果符合GB/T 4237標準要求。

2)篩管油泥堵死導致保護套在過大內壓作用下韌性破裂。

3)優(yōu)化工藝避免防砂篩管堵死。

4)根據防砂篩管現場受載特點優(yōu)化保護套結構。

[1] 匡韶華．油井防砂篩管適應性試驗評價方法研究[J]．石油礦場機械，2017，46(4)：43-47.

[2] 匡韶華，石 磊，于麗宏，等．防砂篩管測試技術現狀及發(fā)展探討[J]．石油礦場機械，2013，42(4)：83-88.

[3] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局/中國國家標準化管理委員會.不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶：GB/T 4237-2007 [S].北京：中國標準出版社，2007：15.