高坍塌等级P110耦合失效分析

近年来，环境辅助开裂在压裂操作期间导致了许多等级P110联轴器的故障，对石油和天然气工业造成了巨大的经济损失。可能导致这种失败的因素包括机械损坏，局部硬点，热处理不当，以及高屈服强度联轴器的使用增加，具有高塌陷套管。审查此类故障的示例并讨论了贡献因素。

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

P110是一种相对高强度等级的淬火和回火油田套管和油管。它的规定屈服强度为758 -965 MPa (110-140 ksi)， Charpy V-Notch (CVN)冲击韧性要求根据壁厚不同而变化。由于其强度高，不适合用于高酸井，但在历史上曾用于低酸井，并被ISO 15156-2/NACE MR0175认可为适用于该文件中区域1中描述的低酸条件。它的机械性能极限在API技术报告5C3中被认为是相对明确的。近年来，一些制造商已经开始销售高坍塌等级的P110外壳。尽管目前还没有针对高坍塌套管的行业标准，但人们普遍认为，API 5CT级P110套管的尺寸和力学性能在规定的范围内进行了调整，从而提供了超出API技术报告5C3预测的抗坍塌能力。虽然这可以通过诸如降低椭圆度和保持更均匀的壁厚等措施来实现，但最常见的是通过热处理提高屈服强度指定范围的高端。

图1．单个套管串的四个裂纹联轴器。

P110级耦合故障的共同特征

耦合故障通常在联轴器中作为纵向分裂或裂缝发生。它们可以存在于给定字符串中的一个或多个耦合中。磁性颗粒检查可能或可能不会检测联轴器中的额外裂缝。

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.．断裂源附近脆性断裂的SEM图像。

裂缝曲线的金相检查通常显示出脆性径向骨折，内表面上具有剪切唇。外表面上也可以有剪切唇，表示地下起源。分支裂缝可能存在，但通常非常有限。

图6.．断口处的横向匹配断口金相切片。

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，特别是硬度的函数。这些故障的一个令人担忧的方面是，许多故障都发生在P110级套管中，而P110级套管在以往的工作环境中表现令人满意，且在报告的载荷条件下，均符合P110级套管的额定性能。因此，有必要特别仔细地检查失效联轴器的应力水平、操作环境和机械性能。

P110级联轴器中压力对故障的贡献

接箍受到施加在管柱上的拉伸载荷的轴向应力，并且可能受到弯曲载荷，特别是位于水平井弯曲半径内的接箍。然而，典型的轴向裂纹表明，失效是由环向应力引起的。联轴器受到两个来源的环向应力，内部压力和结构。由于API第8级接头采用的是锥形螺纹，并且根据设计，在机械干扰点外螺纹旋转三圈，因此正确装配套管柱会使接箍在周向上承受持续的拉伸应力。这是值得注意的，因为启动氢应力开裂需要持续的拉应力。最常见的断裂位置，在联轴器的第一啮合螺纹附近，是联轴器应力最大的区域。此外，破裂最常发生在压裂或压裂前的水力测试过程中。尽管这种高压条件可能是接头在其使用寿命中所经历的最严重的应力水平，但作业人员始终报告称，此类故障发生的压力远低于P110级套管公布的性能评级。

环境对P110级联轴器故障的影响

失败主要发生在页岩气井中，部分原因是为了获得满意的产量，这些井需要进行高度的压裂。这些井通常需要钻完井、套管井并关井一段时间，直到可以进行压裂作业。在关井期间，套管可能会暴露在产液中，这些产液通常具有腐蚀性。腐蚀产生氢原子，其中一部分进入钢中。有些井是酸性的，也就是说，它们含有足够的硫化氢，显著增加了钢吸收的氢量，从而增加了钢的开裂敏感性。然而，大多数井的酸值并不高，或者酸值较低，行业经验表明P110级井的性能应该令人满意。

在某些情况下，良好的处理流体引起裂缝。抑制盐酸通常用于治疗形成以改善生产;它有时包括在压裂液中。如果抑制剂混合很差，则在酸流回到井之前被形成吸收，或者如果酸保留在易抑制剂的相对短的寿命之外，则壳体可能暴露于相当侵蚀的盐酸．虽然P110等级显示出令人满意的耐氢裂解在许多生产环境中，但并不总是暴露在不充分抑制的盐酸上。

一个重要的因素是，故障经常发生在套管被注入地表水和化学物质冷却时或之后不久。在静态条件下，套管柱的温度几乎随深度线性增加，通常达到250°F至300°F。当压裂液进入井中时，套管的温度可能会迅速冷却到接近地面的环境温度。因为钢中氢的溶解度是强有力的温度的函数,(见,例如,图1.5 n·贝利,et al .,焊接钢没有氢裂化,ASM, 1973),一个只有饱和氢耦合在关井温度一定会成为过饱和与压裂液的温度,因此更容易开裂。

尽管在高强度钢焊缝中的冷裂纹相关现象是由于氢气溶解度的温度相关的下降，因为焊接和热影响的区域从相对高的温度冷却，从井下温度迅速冷却的效果尚未如此广泛研究。实际上，在恒定温度条件下进行了大多数环保抗裂性研究。

P110级联轴器的冷加工和故障

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

由于机械损坏而进行的冷加工对P110级联轴器尤其有害。即使损伤不足以导致立即失效，受损部位的冷加工金属也更容易发生氢应力开裂，而表面腐蚀会产生足够的氢原子，使这种高度敏感的钢开裂。

图7.．P110级耦合失效，开始于机械损坏，显示在顶部。

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

不正确淬火和淬火级P110还可以增加其对氢胁迫开裂和脆性骨折的敏感性。级P110的特性之一是它通常含有足够的合金含量以空气硬化，并且标准化的偶联原料可能表现出令人满意的屈服强度和拉伸强度，以及典型的P110的典型硬度。然而，无意中从未淬火和回火的耦合储量无意中加工的耦合的夏比值将是相当低的，因此其对氢胁迫开裂的抵抗力。同样地，偶联的偶联失败将导致硬显微结构，对脆性断裂和氢胁迫开裂具有非常高的敏感性。

图9。裂纹联轴节中未回火马氏体的显微照片。箭头表示次生裂缝。

一个不太明显的热处理误差是奥氏体化不足。如果耦合体在奥氏体化过程中没有得到足够的热，或者在温度下保持的时间不够长，残留的铁素体可能会残留下来，在随后的淬火和回火过程中导致混合组织。已经证实，在给定的强度水平下，回火马氏体的均匀组织表现出最佳的抗环境辅助开裂性能。

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，局部组织和硬度的变化也可能影响耦合对氢应力开裂的敏感性。具体来说，硬点表现出更高的环境辅助开裂敏感性，可能在满足P110级要求的环境中失效。

图11.．在硬点上开裂的显微照片。

虽然热处理不当可能不会产生不令人满意的屈服强度或拉伸强度，但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呼叫在加工之前从每个热量的耦合坯料的机械测试，并且不可能从加工耦合中提取指定的机械测试样品尺寸。已经从失败的耦合耦合到满足屈服强度或CVN要求的稳定标本的边缘故障可能是正常材料的不均匀性的结果，并且不一定表示热处理不当。

高坍塌套管和高坍塌联轴器的失效

尽管如此，在相对良性条件下，许多耦合故障在令人满意的级别P110钢中发生。然而，讲述，这种故障几乎完全发生在P110级联轴器中，其具有超过约920MPa（133ksi）的测量屈服强度。由于高强度钢与氢应力开裂的易感性通常随着硬度和强度而增加，因此可以预期相对高强度级P110偶联能够显示对氢胁迫开裂的相应易感性。这些联轴器通常安装在具有类似机械性能的高塌陷壳上。

鉴于现代套管厂的过程控制能力，相对较高的屈服强度不太可能是偶然的。然而，对规定强度范围的高端的热处理联轴器的基本原理尚不清楚。虽然增加壳体的屈服强度将增加其塌陷性，但增加联轴器的屈服强度不提供此类益处。联轴器比套管要粗糙，并且不易崩溃。尽管如此，许多制造商，国内外，显然选择制造“高塌陷的联轴器”，以便与其高塌陷的套管一起使用。这无疑为最近的耦合失败的皮疹做出了贡献。

摘要和建议

虽然P110级联轴器中的一些故障可能归因于钢，机械损坏或异常侵略性环境，但是许多故障在良性环境中令人满意的钢。令人满意的钢中几乎所有故障的一个因素是处理到为级P110指定的屈服强度范围的高端的偶联热。虽然大多数这些联轴器完全满足API 5CT的所有要求，但它们的相对高的强度导致对氢胁迫开裂的相应增加的脆弱性。制造商应该可以通过热处理到指定范围的屈服强度值范围的低端来改善其联轴器的性能。

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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