تحليل أسباب التشقق في نهاية غلاف بئر النفط

يُعد تآكل ثاني أكسيد الكربون/كبريتات الهيدروجين (CO2/H2S) نوعًا شائعًا من التآكل في صناعة النفط والغاز. ومع تطور حقول النفط والغاز، مثل الآبار العميقة المحتوية على ثاني أكسيد الكربون والآبار فائقة العمق، أدى ظهور الغازات المسببة للتآكل المحتوية على كبريتيد الهيدروجين (H2S) إلى زيادة صعوبة وتعقيد بيئة خدمة غلافات النفط في قاع الآبار. لذلك، يُعد الاختيار السليم لمواد أنابيب آبار النفط أمرًا بالغ الأهمية لضمان سلامة بناء مشاريع استكشاف النفط والغاز وسرعة استرداد التكاليف. وقد أظهرت الأبحاث والتجارب العملية أن إضافة الكروم يمكن أن تُحسّن بشكل كبير من قدرة فولاذ غلاف النفط على مقاومة تآكل ثاني أكسيد الكربون، وتُقلل من حدوث التآكل الموضعي والتآكل النقطي. تتميز السبائك المقاومة للتآكل، مثل الكروم 13، والكروم الفائق 13، وأنواع الفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي الأخرى، بقوة عالية ومقاومة جيدة لتآكل ثاني أكسيد الكربون. وتُعتبر هذه السبائك عالميًا مواد مثالية لمقاومة التآكل، وتُستخدم في آبار النفط والغاز عالية الحرارة والضغط، ذات المحتوى العالي من ثاني أكسيد الكربون. تستمر التطبيقات في النمو. ومع ذلك، فإن معظم حقول النفط والغاز المحلية فقيرة بالنفط ومنخفضة النفاذية، واستخدام السبائك عالية السبائك المقاومة للتآكل مكلف. لذلك، في هذا السياق، أصبحت أنابيب آبار النفط منخفضة الكروم L80-3Cr الاقتصادية والمقاومة للتآكل بالغازات الحمضية مثل ثاني أكسيد الكربون/كبريتات الهيدروجين خيارًا شائعًا في الداخل والخارج. موضوع بحث ساخن للباحثين، تُظهر نتائج أبحاث مختلفة أن أنابيب آبار النفط منخفضة الكروم 3Cr الاقتصادية تتمتع بمقاومة جيدة لتآكل ثاني أكسيد الكربون ويمكن أن تحل محل أنابيب آبار النفط 13Cr باهظة الثمن في حقول النفط والغاز قليلة النفاذية ومنخفضة النفاذية. يصعب إنتاج أنابيب آبار النفط 3Gr بسبب محتواها العالي من السبائك، وهي عرضة للتشقق وغيرها من الأعطال أثناء عملية الإنتاج. عانت دفعة من أنابيب آبار النفط L80-3Cr بأبعاد φ244.48 مم × 11.99 مم التي أنتجها مصنع أنابيب فولاذية غير ملحومة من تشقق في النهاية بعد الدرفلة الساخنة من خط الإنتاج. تم تحليل أسباب التشقق النهائي لأنبوب بئر النفط L80-3Cr وتم اقتراح تدابير التحسين.

١. مواد وطرق الاختبار

تتكون عملية إنتاج الأنابيب الفولاذية من: أنبوب فارغ ← تسخين في فرن حلقي ← ثقب ← دحرجة ← إزالة الترسبات الكلسية بالماء عالي الضغط ← تقليل القطر ← سرير تبريد ← نشر الرأس والذيل ← تقويم ← اختبار غير إتلافي ← فحص يدوي ← فصل. بعد التقويم، وُجد أن بعض الأنابيب الفولاذية بها شقوق في نهايتها. أُخذ أنبوب عينة متشقق بطول ٥٠٠ مم من أنبوب فولاذي غير مؤهل، وراقبه بالعين المجردة، والتقط صورًا له بكاميرا رقمية. قطّع أنبوب العينة المُعترض إلى عينات صغيرة على طول الاتجاه الشعاعي عند الشق، ثم صقل المقطع العرضي للعينة الصغيرة، وراقب هيكلها باستخدام مجهر لايكا DM6000M المعدني. المحلول التآكلي للعينات المعدنية هو محلول كحول حمض النيتريك بتركيز ٤٪. ثم استخدم مجهر المسح الإلكتروني (SEM) JSM-6490LA لملاحظة شكل كسر الشق. عولجت عينات الشد وعينات تأثير الشق V-charpy على أنابيب العينات المُعترضة وفقًا لمعيار ASTM A 370-2013 "طرق اختبار وتعاريف الخواص الميكانيكية لمنتجات الصلب"، وأُجري اختبارا الشد والصدمة على التوالي. استخدم جهاز اختبار صلابة روكويل الرقمي LC-200R لإجراء اختبار صلابة روكويل.


2. نتائج الاختبار والتحليل


2.1 التحليل الماكرومورفولوجي

يوضح الشكل 1 الشكل الماكرومورفولوجي لأنبوب الصلب المتشقق L80-3Cr الذي تم أخذ عينات منه وتحليله. بملاحظة الشكل الماكرومورفولوجي وشكل الكسر لأنبوب الصلب المتشقق، يمكن ملاحظة ما يلي:


(1) يمكن ملاحظة شقين طوليين وعرضيين متقاطعين من الصورة الماكرومورفولوجي لأنبوب الصلب الكلي، كما هو موضح في الشكل 1(أ). وفقًا لتحليل "طريقة الشكل T" 3، فإن الشق الطولي الموازي للاتجاه المحوري هو الشق الرئيسي، والشق العرضي هو الشق الرئيسي. الشق شق ثانوي؛
(2) من مورفولوجيا الكسر في العينة (كما هو موضح في الشكل 1ب)، يُلاحظ أن سطح الكسر مسطح، دون أي تشوه بلاستيكي واضح، ولون الكسر رمادي، وغياب أي لمعان معدني. توجد أنماط شعاعية وأنماط متعرجة على سطح الكسر. يتقارب النسيج عند السطح الخارجي لطرف الأنبوب الفولاذي، ويمكن تتبع ذروة نمط متعرج إلى موقع مصدر الشق 4، أي أن نقطة تقارب نمط متعرج هي مصدر الشق؛
(3) راقب مورفولوجيا الكسر العيانية للطرف عند مصدر الشق (كما هو موضح في الشكل 1هـ)، ووجد أن الطرف القريب من مصدر الشق ناتج عن النشر غير السلس.

توجد فجوات طفيفة في النتوءات.
٢.٢ اختبارات الأداء الفيزيائية والكيميائية

أُخذت عينات من عينة عيب نهاية الأنبوب وجسم الأنبوب لاختبار الأداء الميكانيكي. وتوضح النتائج في الجدول ١. وتُظهر النتائج أن L80-3Cr

تتميز مواد نهاية الأنبوب وجسم الأنبوب المدرفلة على الساخن لأنابيب آبار النفط بأعلى قوة وصلابة، إلا أن استطالتها ومتانتها ضد الصدمات ضعيفة، كما أن قوة وصلابة نهاية الأنبوب أعلى بكثير من قوة وصلابة جسم الأنبوب.
٢.٣ التحليل المجهري

أُخذت عينات من مصدر الكسر في الصورة الكبيرة للكسر الموضح في الشكل ١(ب) لمسح الكسر وتحليله المعدني.

٢.٣.١ تحليل مسح الكسر

بعد تنظيف العينة المقطوعة بالكحول، وُضعت في مجهر مسح إلكتروني للملاحظة. الشكل الملاحظ هو كما يلي:

(١) تقع نقطة تقارب الكسر بالقرب من نهاية الأنبوب الفولاذي. شكل مصدر الكسر نقطي. توجد بقايا معدنية أثناء النشر بالقرب من مصدر الكسر، وهي مشوهة قليلاً. شكل منطقة مصدر الكسر شعاعي، كما هو موضح في الشكل ٢؛
الشكل ٢: كسر منخفض التكبير في منطقة مصدر الشق

(٢) تتميز منطقة تمدد الشق بخصائص "نمط نهري" واضحة، كما هو موضح في الشكل ٣، وهي كسر انشطاري، ولا يوجد أكسدة في مقطع الشق، ولا تُلاحظ أي شوائب. هذا النوع من التشقق هو تشقق هش ناتج عن إجهاد نموذجي.
(أ) منطقة مصدر الكسر (المنطقة أ) (ب) منطقة امتداد الكسر (المنطقة ب)

الشكل 3: كسر عالي التكبير في منطقة مصدر الكسر

2.3.2 التحليل المعدني

تم طحن العينات المعدنية لطرف وجسم أنبوب بئر النفط L80-3Cr عند المقطع العرضي، وأُجريت ملاحظات معدنية. تظهر النتائج في الشكلين 4 و5 على التوالي. التركيب المعدني الخارجي والوسطي والداخلي لعينة طرف أنبوب بئر النفط هو الباينيت + كمية صغيرة من جزيئات الكربيد الخشنة غير المذابة. الحبيبات غير متساوية وتتراوح أقطارها بين 26 و41 ميكرومتر. الحبيبات في المنتصف أكبر من السطحين الخارجي والداخلي. خشنة؛ لكن التركيب المعدني لعينات الأنابيب مختلف تمامًا، وهو عبارة عن فيريت + الباينيت.
(أ) السطح الخارجي (ب) الوسط (ج) السطح الداخلي

الشكل 4: هيكل معدني كامل المقطع لنهاية أنبوب بئر نفط L80-3Cr
الشكل 5: التركيب المعدني لجسم أنبوب بئر النفط L80-3Cr

2.4 حساب الإجهاد المتبقي

خذ حلقة الأنبوب غير المُعالجة حراريًا بعد الدرفلة الساخنة، وقس الإجهاد المتبقي لها باستخدام طريقة قطع الحلقة. يوضح الشكل 6 موضع اختبار الإجهاد المتبقي لأنبوب بئر النفط L80-3Cr. اقطع على طول الاتجاه الشعاعي للحلقة C. الإجهاد المتبقي σr، وصيغة الحساب هي:

σr= ETC'/(12.566R2) (1)

في الصيغة:

E: معامل المرونة (جيجا باسكال)، نأخذ 200 جيجا باسكال؛

T: سمك جدار الأنبوب الفولاذي (مم)؛

C': الزيادة المحيطية بعد قطع حلقة الأنبوب على طول الاتجاه الشعاعي (مم)، نأخذ 36 مم؛

R: نصف قطر الأنبوب الفولاذي (مم).
الشكل 6: موضع اختبار الإجهاد المتبقي لأنبوب بئر النفط L80-3Cr

باستبدال سمك جدار الأنبوب الفولاذي البالغ 11.99 مم ونصف قطره البالغ 122.24 مم في الصيغة (1)، يمكن حساب الإجهاد المتبقي لأنبوب L80-3Cr المدرفل على الساخن، والذي يصل إلى 460 ميجا باسكال، وهو ما يزيد عن ثلث قوة شد المادة.

3. التحليل

أظهرت نتائج التحليل العياني أن كسر التشقق في أنبوب بئر النفط L80-3Cr المدرفل على الساخن هو كسر هش، وينشأ هذا الكسر من عيب صغير في طرف الأنبوب؛ والتركيب المعدني عبارة عن بنية بينيت هشة ذات حبيبات خشنة وغير متساوية، ومقاومة منخفضة للصدمات ومتانة ضعيفة. منخفض؛ أظهرت نتائج تحليل المجهر الإلكتروني الماسح أن مورفولوجيا كسر الشق هي كسر هش انشطاري. بعد تحليل شامل، يُعتقد أن الأسباب الرئيسية المؤدية إلى تشقق أنابيب آبار النفط المدرفلة على الساخن L80-3Cr هي:

(1) بعد عملية الدرفلة على الساخن من خط الأنابيب، تتركز شقوق جسم أنبوب L80-3Cr في الرأس، ويزداد ظهورها عند منتصف الليل. والأسباب هي: انخفاض كبير في درجة الحرارة أثناء عملية إزالة الترسبات الكلسية من طرف الأنبوب، وسرعة وسهولة التبريد. مما يؤدي إلى تكوين أنسجة هشة؛ حيث يقع الرأس عند الطرف العلوي لسرير التبريد، ودرجة حرارة البيئة المحيطة منخفضة، وسرعة التبريد سريعة، مما يؤدي إلى تكوين أنسجة هشة بسهولة.

(2) الإجهاد المتبقي لجسم أنبوب L80-3Cr بعد الدرفلة على الساخن مرتفع، حيث يصل إلى 460 ميجا باسكال، أي أكثر من ثلث قوة شد المادة. في الظروف العادية، يكون الإجهاد المتبقي للأنبوب الفولاذي عُشر قوة شد المادة فقط. يؤدي عدم المعالجة الحرارية في الوقت المناسب إلى تشقق أنبوب الفولاذ تحت تأثير إجهاد متبقي كبير؛

(3) عند تبريد أنبوب الفولاذ المدرفل على الساخن L80-3Cr على سرير التبريد الكبير، يكون الانحناء الكلي للأنبوب كبيرًا بسبب التبريد غير المتساوي. يُولّد الأنبوب إجهادًا متبقيًا كبيرًا أثناء عملية التسوية، ويتركز هذا الإجهاد المتبقي عليه. يتم إطلاقه أثناء العملية ويتركز في الفجوات والأماكن الأخرى، مما يتسبب في تشقق طرف الأنبوب؛

(4) تكون قيمة متانة جسم أنبوب L80-3Cr للصدمات بعد الدرفلة على الساخن منخفضة، وقيمة الصدمة في درجة حرارة الغرفة 12 جول فقط، مما يعني ضعف قدرته على مقاومة تمدد الشقوق؛

(5) تُعدّ النتوءات وعيوب الفجوات الطفيفة الناتجة عن سوء النشر مصادر التشقق الهش لجسم أنبوب L80-3Cr بعد الدرفلة على الساخن.

٤. إجراءات التحسين

عند قطع رأس وذيل أنبوب آبار النفط L80-3Cr المدرفل على الساخن، نتجت فجوة بسبب سوء النشر. تركز الإجهاد عند الفجوة، مما أدى إلى تشقق إجهادي. علاوة على ذلك، بعد الدرفلة على الساخن، كان الإجهاد الداخلي لأنبوب آبار النفط L80-3Cr كبيرًا نسبيًا، وكانت مقاومة الصدمات منخفضة نسبيًا. منخفضة، مما يشير إلى انخفاض قدرته على مقاومة التشقق. هذه هي أسباب سهولة تشقق أنبوب آبار النفط L80-3Cr. لذلك، لتجنب تشقق أنابيب آبار النفط L80-3Cr، يجب توحيد عملية الإنتاج. الإجراءات المحددة هي:

(١) تجنب هشاشة هيكل الباينيت الناتجة عن طرق التبريد السريع، مثل التبريد بالماء والتبريد بالهواء، في نهاية الأنبوب الفولاذي؛

(٢) تعزيز التحكم في العملية أثناء عملية الإنتاج لتجنب الانحناء الناتج عن التبريد غير المتساوي أو التبريد السريع والتبريد الموضعي غير المتساوي؛

(٣) تقوية نظام إدارة شفرة المنشار لتجنب زيادة الاحتكاك، وارتفاع درجة حرارة شفرة المنشار، وظهور نتوءات في طرف الأنبوب أثناء عملية النشر؛

(٤) فحص أطراف الأنابيب الفولاذية في الوقت المناسب أثناء النقل أو النقل. في حال تشوه أطراف الأنابيب أو ظهور حفر حادة نتيجة الاصطدام، يجب إزالة أو طحن أطراف الأنابيب الفولاذية على الفور؛

(٥) يجب معالجة أنواع الفولاذ ذات المتانة الضعيفة بعد الدرفلة على الساخن، مثل L80-3Cr، حرارياً خلال ٢٤ ساعة.

٥. الخاتمة

(١) نتائج تحليل التركيب الكيميائي لأنابيب آبار النفط المدرفلة على الساخن L80-3Cr المقدمة مطابقة للمتطلبات الفنية؛

(٢) تشقق أنابيب آبار النفط المدرفلة على الساخن L80-3Cr هو تشقق هش، وينتج عن تركيز الإجهاد المتبقي الكبير على النتوءات والفجوات الطفيفة في الأنبوب الفولاذي بعد الدرفلة على الساخن؛

(3) سرعة التبريد عالية جدًا، مما يؤدي إلى تكوين كمية كبيرة من بنية الباينيت الهشة في النهاية، مما يؤدي إلى انخفاض قيمة صلابة التأثير للمادة، أي ضعف قدرتها على مقاومة تمدد الشقوق، وعدم وجود معالجة حرارية في الوقت المناسب بعد الدرفلة الساخنة، مما يؤدي إلى سرعة التبريد. بسبب سرعة التبريد غير المتساوية والإجهاد المتبقي الكبير الناتج أثناء عملية التقويم، يتم إطلاق القوة تدريجيًا أثناء عملية التركيب، مما يؤدي في النهاية إلى تشققات دفعية في أطراف الأنابيب الفولاذية بعد الدرفلة الساخنة لأنابيب الفولاذ L80-3Cr.