高塌方P110耦合故障分析

近年来，环境辅助压裂导致许多P110级接箍失效，给油气行业造成了巨大的经济损失。导致此类故障的因素包括机械损伤、局部硬点、热处理不当，以及大量使用高屈服强度的接箍和高塌陷套管。这些失败的例子被审查和促成因素被讨论。

高塌陷级P110外壳中的耦合故障

石油和天然气工业最近困扰着大量耦合故障在高崩溃级P110套管中，最常见于页岩气井的压裂操作期间。冶金调查将许多这些失败归因于环保辅助开裂，即使生产环境是非酸性的，也是轻微的P110级别应该令人满意地表现为历史经验。由于许多运营商钻取的外国和国内磨机制造的套管发生故障。对于其中一些井中的相关费用接近一百万美元，这些故障保证额外审查。

级P110壳体的机械性能

API规范5CT等级P110是淬火和钢化油田套管和管道的相对高强度等级。它具有758 -965 MPa（110-140 ksi）和夏比V-intch（CVN）的富曲型韧性要求的指定屈服强度，其抗冲韧性要求基于壁厚而变化。由于其高强度，它不被认为适用于高度酸孔，但历史上被用来含有酸孔，并且由ISO 15156-2 / NACE MR0175接受，如适用于该文件中的含量为区域1的轻度酸条件．其机械性能限制在API技术报告5C3中被认为是相对明确的定义。近年来，许多制造商已经开始销售高崩溃级P110套管。尽管尚未成为高崩溃壳体的行业标准，但通常被理解为令人满意的API 5CT级P110套管，其尺寸和机械性能在规定的限度内被操纵，以提供超过预测的崩溃阻力API技术报告5C3。尽管这可以通过诸如还原椭圆形和保持更均匀的壁厚，但是通过对屈服强度的指定范围的高端进行热处理，最常提高塌陷性。

图1．单个套管串的四个裂纹联轴器。

级别P110耦合故障的共同特征

联轴器故障通常发生在联轴器纵向开裂或裂纹。它们可以在给定字符串中的一个或几个耦合中出现。磁粉探伤可能检测到联轴器上的其他裂纹，也可能检测不到。

图2.．湿荧光磁性颗粒指示，箭头，在二次裂缝处。

断裂表面通常示出了从耦合端的外表面上或附近的位置辐射的脆性断裂区域，其是耦合中最高应力的位置。骨折起源可能在其他地方，特别是如果偶联具有机械损坏或显着的冶金问题。裂缝表面可以或可能不显示多个起源。在具有令人满意的CVN韧性的联轴器中，裂缝表面的平衡通常是倾斜的，延展性裂缝。通过能量分散光谱（EDS）的脆性骨折的化学分析很少提供硫化铁的明确证据：硫未检测到或与钡进行音乐会检测，这只表明硫酸钡的污染钻泥。硫化铁的存在应理解为暴露于酸性气体（H2S）的指示，并且将鉴定作为可能的失效机制的硫化物 - 应力裂缝。

图3.．典型的裂缝表面，带箭头表示裂缝起源。

用扫描电子显微镜（SEM）检查骨折表面（SEM）显示出原点的脆性骨折。脆性骨折可以是晶间或跨晶的准切割骨折，但最常见的是两者的混合物。

图4.．裂缝起源的SEM图像（顶部）。

图5.．脆性骨折的SEM图像在骨折起源附近。

断口形貌金相检查通常显示脆性径向断裂，内表面有剪切唇。外表面也可能有一个剪切唇，表明是地下成因。可能会出现分支开裂，但通常是相当有限的。

图6.．骨折起源处的横向匹配骨折金相段。

级别P110耦合的失效模式

上述特性表明，大多数这样的P110耦合故障发生在环境辅助的裂缝中发生。在单个弦中存在多个骨折起源，在单个弦中的多次失败耦合，在否则坚韧的钢中局部脆性断裂，并且在屈服强度低于屈服强度（基于级别P110套管的性能等级）的压力发生故障，所有指向某种形式的环境 -辅助开裂。即使是那些限于单个耦合中的单个裂缝的那些故障通常会显示与具有多个裂缝或裂缝起源相同的裂缝特征。（可以注意到具有不令人满意的韧性的偶联的例外，其可以沿着它们的整个长度表现出脆性骨折。）对于井下环境中的高强度钢，相关形式的环境辅助裂纹是氢气应力裂解和硫化物应激开裂。硫化物应力裂化是一种氢胁迫开裂的形式，其中通过在金属表面上存在硫化铁腐蚀膜的耐硫化铁腐蚀膜已经增强了钢的敏感性，因此两种形式的裂缝通常可以作为氢胁迫开裂来解决。

P110级接头对氢应力开裂的敏感性

一般来说，高强度钢对氢应力开裂的敏感性是应力水平、环境和机械性能的函数，特别是硬度。这些故障的一个问题是，许多故障都发生在令人满意的P110级接箍上，而在P110级套管的额定性能范围内，P110级接箍历史上一直表现良好。因此，有必要特别仔细地研究失效接头的应力水平、操作环境和机械性能。

P110级联轴器中压力对故障的贡献

接箍承受着施加在管柱上的拉伸载荷所产生的轴向应力，也可能承受弯曲载荷，特别是当位于水平井弯曲半径内时。然而，典型的轴向裂纹表明破坏是由环向应力引起的。联轴器受到两个来源的环向应力，内部压力和上补压力。由于API 8rd接头的螺纹是锥形的，而且从设计上看，其螺纹超过了机械干涉点的三圈，因此，正确安装套管柱会使接头在周向承受持续的拉应力。这是值得注意的，因为需要持续的拉应力来引发氢应力开裂。最常见的断裂部位，在联轴器第一啮合螺纹附近，是联轴器应力最高的区域。此外，压裂失败通常发生在压裂过程中或压裂前的水力测试中。尽管这种高压条件可能代表了接头在其使用寿命中通常经历的最严重的应力水平，但作业者始终报告，这种故障发生的压力远低于P110级套管公布的性能等级。

环境对P110级联轴器的故障贡献

失败主要是在页岩气井中发生，部分原因是获得从那些井中获得令人满意的生产所需的压裂程度。通常钻孔，壳体和关闭在一段时间内，这孔通常可以布置压裂。在关闭期间，壳体可以暴露于产生的流体，这通常是腐蚀性的。腐蚀产生原子氢，其中一部分进入钢。一些孔是酸，也就是说，它们含有足够的硫化氢，以显着增加钢吸收的氢气量，从而提高其对裂化的敏感性。然而，大多数井不是酸或如此温和的酸性，即行业经验表明级别P110应该令人满意地表现。

在某些情况下，井处理液会导致裂缝。抑制盐酸常用来处理地层以提高产量;有时压裂液中也含有这种物质。如果阻垢剂混合不均匀，如果在酸流回井中之前被地层吸收，或者在缓蚀剂相对较短的使用寿命后，酸仍留在井中，套管可能会暴露在腐蚀性很强的盐酸中。尽管P110级在许多生产环境中显示出了令人满意的抗氢应力开裂能力，但它并不总是能够很好地经受抑制不足的盐酸。

可能很重要的一个因素是，通过引入地表水和化学物质冷却壳体冷却后通常发生故障或不久。在静态条件下，壳体串的温度将与深度几乎线性增加，经常至250°F至300°F。当压裂流体被引入孔中时，壳体的温度可以在表面上快速冷却到接近环境温度。因为氢在钢中的溶解度是强烈的函数，例如，参见，例如，N.Bailey，等人的焊接钢，没有氢气破裂，ASM，1973），仅饱和氢气饱和在关闭温度下，必然在压裂液的温度下饱和，因此更容易破裂。

虽然高强度钢焊缝的相关冷裂现象是由于焊缝和热影响区在相对较高的温度下冷却时，氢的溶解度与温度相关的下降所致，但在井下温度下快速冷却的影响尚未得到广泛研究。事实上，大多数环境辅助开裂研究都是在恒温条件下进行的。

P110级联轴器中的冷加工和故障

尽管许多故障发生在令人满意的P110钢中，但各种冶金条件可以增加偶联与脆性骨折和氢胁迫开裂的易感性。这些最常包括冷加工和不当的热处理。级别P110耦合器的机械性能的允许变化也可能影响它们对硫化物应力裂化的抵抗力。

冷加工

由于机械损坏引起的冷加工是P110级联轴器的特殊伤害。即使损坏不足以导致立即发生故障，损坏位置处的冷加工金属也更容易受到氢胁迫开裂的影响，并且浅表腐蚀可以产生足够的原子氢以破裂这种高易感钢。

图7.．在机械损坏中发起的级别P110耦合故障，如顶部所示。

图8.．在级别P110耦合表面的冷水层中发起裂缝的显微照片。

热处理不当

P110品级不适当的淬火和回火也会增加其对氢应力开裂和脆性断裂的敏感性。P110级接头的特点之一是，它通常含有足够的合金含量来进行空气硬化，正火偶联件可以表现出令人满意的屈服强度和抗拉强度，以及P110级典型的硬度。然而，无意中从未淬火和回火的联轴器坯料加工而成的联轴器的夏比值将相当低，其抗氢应力开裂能力也将相当低。同样地，耦合回火失败将导致对脆性断裂和氢应力开裂非常敏感的硬组织。

图9。在破裂的耦合中没有专注的马氏体的显微照片。箭头表示次要裂缝。

奥氏体化不足的热处理误差不足。如果偶联剂在奥氏体化期间没有足够热，或者在足够长的温度下保持不足，则可以保留残留的铁氧体，导致随后淬火和回火时的混合微观结构。已经很好地确定，在给定的强度水平，回火马氏体的均匀微观结构表明对环境辅助开裂的最佳抗性。

图10.．Pro-eutectoid铁氧体，箭头的显微照片，在裂缝级P110耦合中。

由于局部加热，微观结构和硬度的局部变化也可能影响耦合到氢胁迫开裂的敏感性。具体而言，硬点对环境辅助开裂的敏感性较高，并且可能在令人满意的P110级别令人满意的环境中失败。

图11.．在一个硬点发起裂缝的显微照片。

虽然不适当的热处理可能不会产生不令人满意的屈服强度或抗拉强度，它几乎总是导致不令人满意的CVN冲击韧性。也就是说，应该认识到，API 5CT要求在加工前对每个热的联轴器毛坯进行机械测试，不可能从加工的联轴器中提取指定尺寸的机械测试试样。由失效联轴器加工而成满足屈服强度或CVN要求的次级尺寸试样的边缘失效可能是正常材料不均匀性的结果，不一定表明热处理不当。

高折叠套管和高折叠联轴器的失效

尽管如此，在相对温和的条件下，令人满意的牌号P110钢中发生了许多耦合失效。然而，值得注意的是，此类故障几乎只发生在屈服强度超过920 MPa (133 ksi)的P110级接头上。由于高强度钢对氢应力开裂的敏感性一般随硬度和强度的增加而增加，相对高强度级P110接头可以预期显示相应增加的氢应力开裂敏感性。这些接箍通常被安装在具有相似力学性能的高坍塌套管上。

鉴于现代套管磨机的过程控制能力，相对较高的屈服强度不太可能是偶然的。然而，热处理联轴器到规定强度范围的高端的原理尚不清楚。虽然增加套管的屈服强度可以提高其抗倒塌能力，但增加接箍的屈服强度并不能提供这样的好处。接箍比套管坚固得多，不易坍塌。尽管如此，许多国内外制造商显然已经选择制造“高抗压接头”来配合他们的高抗压套管。这无疑导致了最近一连串耦合失败。

总结和建议

尽管P110级联轴器的一些故障可能是由于有缺陷的钢材、机械损伤或异常恶劣的环境造成的，但许多故障都是在良好的环境中使用满意的钢材造成的。在令人满意的钢中，几乎所有失效的一个共同因素是耦合热处理到P110级规定的屈服强度范围的高端。尽管大多数这些接头完全满足API 5CT P110级的所有要求，但它们相对较高的强度导致相应增加了氢应力开裂的脆弱性。制造商应该有可能通过热处理到规定屈服强度值的低端来提高其联轴器的性能。

高崩溃套管的购买者应特别注意确保它们不接收“高折叠联轴器”。在需要特别高度可靠性的情况下，购买者可能是考虑酸性服务级的耦合，例如C110的耦合，这已经仔细地配制和热处理，以改善对环境辅助开裂的抗性。环境辅助开裂故障确实发生在高塌陷级P110套管中，但频率远远低于近期耦合故障的速度，这使得使用酸性服务套管不太关键。尽管如此，应仅为井设计需要略微提高性能的井来订购高崩溃套管。

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