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(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2. 川慶鉆探長慶鉆井總公司管具公司 陜西 榆林 719000)

0 引 言

在固井作業(yè)時(shí)，經(jīng)常發(fā)生一種套管失效事故，就是在下放套管過程中，套管突然脫扣落井，損失很大，如果打撈失敗，整口井報(bào)廢。本文分析其中一個(gè)案例，某井下入139.7 mm、J55油層套管，當(dāng)接好第221號(hào)套管后正常下放套管柱約1 m時(shí)第221號(hào)套管與其接箍脫扣，整個(gè)套管柱突然落井，第221號(hào)套管接箍從8 m高的吊卡上落下。該井設(shè)計(jì)深度2 030 m，但實(shí)際完井深度2 424 m，套管落井長度為2 185.32 m，總重55.3 t，當(dāng)時(shí)指重表指示45 t，泥漿密度1.05 g/cm3。

1 接箍損傷形貌

對(duì)發(fā)生事故的139.7 mm油層套管脫扣部位的接箍外觀形貌進(jìn)行分析，接箍大約有一半圓周的承載面及周邊被擦傷或擠壓變形，約三分之一圓周的承載面因一定厚度金屬被摩擦掉而減薄，如圖1、圖2所示。圖3和圖4顯示了接箍承載面被擠壓變形的形貌，其中圖3是圖1、圖2的左視圖(即圖1、圖2左邊半部分的形貌)，圖4是圖1、圖2的右視圖(即圖1、圖2右半部分的形貌)。接箍損傷形貌與吊卡內(nèi)孔幾何形狀非常吻合，所以這些損傷是接箍斜插入吊卡內(nèi)孔內(nèi)被吊卡擦傷及擠壓造成。

2 套管材料力學(xué)性能及套管幾何參數(shù)檢驗(yàn)

對(duì)脫扣套管的接箍、兩根未用過的套管、幾片打撈上來的套管碎片進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果都符合API Spec 5CT規(guī)定。

圖1 接箍大約有一半圓周的承載面及周邊被擦傷或擠壓變形

圖2 接箍大約有一半圓周的承載面及周邊被擦傷或擠壓變形

圖3 顯示圖1、圖2左邊半部分的形貌

圖4 顯示圖1、圖2右邊半部分的形貌

脫扣套管接箍的關(guān)鍵幾何尺寸見表1，符合API Spec 5CT規(guī)定。對(duì)同批次但還未下井的套管的螺紋參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果符合API Spec 5B規(guī)定。

表1 脫扣套管接箍的有關(guān)幾何尺寸

*注：為接箍工廠端無損傷處承載面寬度b測(cè)量值。

3 事故原因分析

套管螺紋連接強(qiáng)度的影響因素有套管材料強(qiáng)度、套管螺紋參數(shù)、接箍尺寸等[1]。

套管幾何尺寸和螺紋參數(shù)是影響套管螺紋連接強(qiáng)度的重要因素，本次事故套管的一些重要尺寸如套管接箍承載面寬度等都符合API Spec 5CT規(guī)定。內(nèi)、外螺紋的緊密距和錐度等螺紋參數(shù)也符合API Spec 5B規(guī)定，這說明螺紋加工質(zhì)量符合要求，不是套管脫扣的原因。

雖然套管材料強(qiáng)度也是影響套管螺紋連接強(qiáng)度的重要因素，但是該事故套管材料性能符合API Spec 5CT規(guī)定，也不是套管脫扣的原因。

根據(jù)接箍損傷形貌分析，套管落井是由于接箍偏斜插入吊卡內(nèi)孔，如圖5所示，螺紋之間無法嚙合，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊力，由此導(dǎo)致接箍以下套管滑脫落井。

圖5 接箍偏斜插入吊卡內(nèi)孔示意圖

圖6和表2是吊卡的關(guān)鍵幾何尺寸，由于磨損及活門變形的緣故，沿活門開啟方向測(cè)量的內(nèi)孔直徑D1為145 mm，該值超過了SY/T 5041的規(guī)定。活門承載面內(nèi)孔邊沿被磨損成為明顯的圓角，該圓角半徑約1.5 mm。如果當(dāng)套管管體正好完全靠向活門對(duì)面內(nèi)孔壁時(shí)，那么在內(nèi)孔的活門一側(cè)就有比較大的空隙，如圖7所示，這個(gè)空隙的寬度可達(dá)(145+1.5)-140=6.5 mm，大于套管接箍的承載空間寬度6.0 mm，如圖8所示；這樣在套管柱巨大拉力作用下，接箍就會(huì)斜插入吊卡內(nèi)孔。由此可見吊卡活門變形導(dǎo)致內(nèi)孔增大及活門承載面內(nèi)孔邊沿磨損是套管接箍偏斜插入吊卡內(nèi)孔的主要原因。

圖6 吊卡結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖

項(xiàng)目吊卡孔徑/mm承載面內(nèi)孔邊沿圓角半徑/mm測(cè)量值直徑D1直徑D2活門主體145.0143.01.50.5SY/T 5041規(guī)定142+1.6/

圖7 內(nèi)孔的活門一側(cè)比較大的空隙示意圖

經(jīng)調(diào)查，該井設(shè)計(jì)深度2 030 m，套管設(shè)計(jì)深度2 025 m，抗拉安全系數(shù)3.00。但實(shí)際完井深度2 424 m，套管落井長度為2 185.32 m，超出了設(shè)計(jì)范圍，套管柱拉伸載荷增大。雖然在正常情況下套管柱仍有足夠高的安全性，但增大了套管下入風(fēng)險(xiǎn)，如果實(shí)際井深沒有超過設(shè)計(jì)深度，那么當(dāng)套管下入深度最多到2 025 m時(shí)就會(huì)完成下套管作業(yè)，而不會(huì)出現(xiàn)當(dāng)套管下到2 185 m時(shí)發(fā)生落井事故，所以實(shí)際套管深度超過設(shè)計(jì)深度也是套管滑脫落井的促進(jìn)因素。

圖8 吊卡內(nèi)孔尺寸與套管接箍端面尺寸/mm

4 結(jié) 論

吊卡經(jīng)過多年使用后，側(cè)開活門已經(jīng)變形，邊沿磨損嚴(yán)重，已經(jīng)不能承擔(dān)下放套管作業(yè)重任。在套管上扣完畢，提起吊卡下放套管時(shí)，套管接箍偏斜插入吊卡內(nèi)孔，導(dǎo)致套管滑脫落井。此類事故并非個(gè)別事故，幾乎每年都有發(fā)生。相比套管，一個(gè)小吊卡費(fèi)用并不高，但作業(yè)方為了節(jié)約一點(diǎn)經(jīng)費(fèi)，不及時(shí)更換吊卡，造成重大損失，教訓(xùn)深刻。