随着全球气候变暖和我国生态文明体制改革步伐的加快,清洁能源势必成为未来能源的发展趋势,而天然气作为清洁能源中的主力军面临着巨大的机遇和挑战。然而,常规油气资源中的天然气储量难以满足日益增长的需求,新区块中的天然气资源又面临着储层埋藏深、资源开发难度大的问题。在新开发的深井超深井中,为应对深层油气资源的高温高压及强腐蚀环境（腐蚀性介质如CO2、H2S）问题,国内外常采用13Cr-L80、超级13Cr油管与环空保护液组合方式开采,其中甲酸盐环空保护液因具有密度高、配伍性好、低腐蚀性等优点而作为高效环保型环空保护液体系在国外高温高压气田广泛使用。尽管国外高温高压油田在甲酸盐环空保护液中使用的超级13Cr不锈钢油管很少发生失效问题,但在国内超深井的极端工况下,超级13Cr不锈钢油管的失效问题仍时有发生。为此,本文在油田重大攻关项目的支持下,系统研究了深井超深井中普遍使用的超级13Cr油管失效问题,主要包括以下几点内容。首先,本文引入线弹性断裂力学理论,基于材料裂纹形核、裂纹应力场应变场模型,建立了材料断裂的应力强度因子K判据,主要包括裂纹的形核原因以及裂纹形成后裂纹尖端应力场和应变场的分布特征,由应力场及应变场引申出裂纹尖端应力强度因子的概念及其特点。根绝断裂力学的K判据并考虑实际材料裂纹顶端塑性区修正求出了材料的应力强度因子。在线弹性断裂力学理论的基础上,对油田中常用的油管进行分析,得出了材料允许的最大内应力,并分析了力学因素对材料失效的影响。其次,针对超深井油田出现的超级13Cr油管断裂失效问题,失效分析首先开展了油管外壁荧光磁粉探伤,通过磁粉探伤分析了材料表面裂纹分布情况。在无损探伤分析的基础上,开展了材料拉伸力学性能分析,并分析了拉伸断口形貌,确定了拉伸断口上最大裂纹深度。然后对材料表面状况进行了系统分析,主要包括材料表面的裂纹分布情况,以及点蚀坑分布情况。同时开展了断口扫描电镜观察以及外表面腐蚀产物膜XRD物相分析等实验室室内试验研究。通过以上研究发现,井下油管在超深井恶劣环境下产生大量纵向裂纹,裂纹主要是在腐蚀坑底萌生,由坑底向内部延展,并在裂纹顶端分布有大量压井液中的物质。通过对失效油管的实验研究得出了高温高压环境中的超级13Cr不锈钢油管在井下发生失效的机理,即恶劣环境中失效是点蚀诱发的应力腐蚀开裂。第三,由于点蚀是造成超级13Cr不锈钢油管发生应力腐蚀开裂的主要原因,并且点蚀会降低材料的安全性能,造成腐蚀穿孔,破坏井筒的安全屏障。因此点蚀研究开展了高温高压釜及扫描开尔文探针方法测试材料抗点蚀性能。通过高温点腐蚀测试发现材料表面存在明显的局部腐蚀现象,并且在微区电化学测试中发现,随着反应时间的增加,表面电位变化剧烈,发生了明显的局部腐蚀特征。通过对点蚀坑发展模型研究发现,当椭圆形腐蚀坑的点蚀坑形状参数趋于一个稳定值0.3时,点蚀即将失稳而发展成为裂纹。第四,为详细研究超级13Cr不锈钢油管在高温高压甲酸盐环空保护液中发生应力腐蚀开裂的原因,本文在材料力学性能基础上开展了应力腐蚀开裂性能研究,主要包括材料氢脆敏感性分析和应力腐蚀开裂性能研究。在氢脆敏感性分析中,首先引入氢扩散的理论,建立了材料内氢浓度与充氢电流关系模型,讨论了氢致开裂机理及影响氢致开裂的因素,开展了甲酸盐溶液生氢性能检测及超级13Cr不锈钢油管的氢脆敏感性分析。通过研究发现,在高温高压环境中,甲酸盐完井液会产生大量的氢气,在氢氛围的存在对材料材料的力学性能有较大的影响。同时引入C形环应力腐蚀开裂测试分析了不同环境下材料的抗开裂性能。实验测试发现,高温高压C形环在不同测试条件下均出现应力腐蚀微裂纹,并且在受泥浆污染时微裂纹最为严重。根据实验测试指出,超级13Cr不锈钢油管在受污染的甲酸盐环境中发生应力腐蚀开裂的机理为阳极溶解型应力腐蚀开裂,概括来讲就是氧化膜开裂及滑移溶解致应力腐蚀开裂。综上所述,本文对超级13Cr不锈钢油管在高温高压环境中失效问题、抗点蚀性能情况、氢脆敏感性以及应力腐蚀开裂性能做了系统研究,对解决深井超深井不锈钢油管失效以及高温高压甲酸盐环空保护液中发生应力腐蚀开裂问题具有重要的理论指导和实际应用价值。