摘 要:針對(duì)某氣井套管螺紋粘扣的問題,采用宏觀觀察、螺紋參數(shù)測(cè)量、掃描電鏡分析等方法 對(duì)其進(jìn)行原因分析,并對(duì)同類型新套管進(jìn)行了上、卸扣試驗(yàn)。結(jié)果表明:該套管的螺紋參數(shù)符合要 求;套管螺紋磷化層厚度分布不均勻和套管抗粘扣性能不好是該套管螺紋粘扣的主要原因。 

關(guān)鍵詞:套管;粘扣;螺紋參數(shù);上、卸扣;磷化層 

中圖分類號(hào):TG115.5                                                 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                     文章編號(hào):1001-4012(2022)08-0069-04

石油套管是油氣開采過程中必須使用的主要管 件,其用量巨大,占石油工業(yè)用鋼的50%左右。石 油套管是通過螺紋逐根連接的,在石油套管的服役 過程中,超過80%的事故均發(fā)生在螺紋接頭處,粘 扣是其主要原因之一。目前國(guó)內(nèi)對(duì)石油套管螺紋連 接及粘扣的研究較少,而引發(fā)粘扣的原因較多,不僅 與螺紋的加工質(zhì)量有關(guān),也與現(xiàn)場(chǎng)操作有關(guān)。某氣 井鋼級(jí)為 P110的偏梯形螺紋套管接連發(fā)生粘扣事 故,筆者采用宏觀分析,螺紋參數(shù)檢測(cè),上、卸扣試驗(yàn) 以及螺紋磷化層掃描電鏡分析等方法,分析了該套 管發(fā)生粘扣的原因,為此類事故的控制與預(yù)防提供 參考。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

該套管的內(nèi)、外螺紋宏觀形貌如圖1所示。套管 外螺紋區(qū)域整體呈現(xiàn)金屬光澤,局部可見明顯銹蝕痕 跡,外螺紋變形嚴(yán)重,整個(gè)螺紋區(qū)域均呈金屬熔融狀, 大部分區(qū)域已看不出螺紋牙形貌[見圖1a)];套管接 箍?jī)?nèi)螺紋區(qū)域呈金屬光澤,螺紋牙磨損痕跡明顯,局 部區(qū)域可見螺紋牙金屬發(fā)生熔融痕跡[見圖1b)]。

1.2 螺紋參數(shù)測(cè)量 

螺紋參數(shù)對(duì)其抗粘扣性能有很大的影響,合理地 控制螺紋參數(shù)可以提高套管的抗粘扣性能[1]。因?yàn)楝F(xiàn) 場(chǎng)粘扣套管螺紋的部分區(qū)域已模糊不清,選取與粘扣 套管同扣型、同材料及同批次生產(chǎn)的2組新套管(帶外 螺紋套管2根,帶套管接箍2根),分別編號(hào)為1 # ,2 # , 3 # ,4 # ,對(duì)其進(jìn)行螺紋參數(shù)測(cè)量,結(jié)果如表1,2所示。 由表1,2可以看出,套管的螺紋參數(shù)符合技術(shù)要求。

1.3 掃描電鏡及能譜分析 

為了提高套管的抗粘扣性能,通常在套管接箍 內(nèi)表面進(jìn)行鍍層處理,常見的鍍層包括磷化、鍍銅 等,鍍層厚度的分布影響螺紋緊密距及徑向過盈量, 從而影響套管的抗粘扣性能[2]。分別從3 # ,4 # 套 管接箍處取樣,用 TESCAN VEGA3XMU 型掃描 電子顯微鏡及INCA350型能譜分析儀分別對(duì)試樣 的剖面鍍層進(jìn)行分析。 

經(jīng)掃描電鏡觀察可知:套管接箍螺紋表面部分 區(qū)域鍍層厚度約為0~15μm,厚度分布不均,部分 區(qū)域存在鍍層缺失的現(xiàn)象。對(duì)4 # 試樣鍍層區(qū)域進(jìn) 行能譜分析,分析位置及其能譜圖如圖2所示。由圖2可知:鍍層的化學(xué)成分主要為 P,Mn,O 和 Fe 元素,該套管接箍表面鍍層為磷化層。

3 上、卸扣試驗(yàn) 

3.1 試驗(yàn)方法 

根據(jù)該規(guī)格套管的粘扣情況,選取編號(hào)為1 # 和2 # 的2組新套管,根據(jù) APIRP5C5 《套管及油 管螺紋 接 頭 試 驗(yàn) 程 序》中 關(guān) 于 套 管 的 上、卸 扣 要 求[3],開展室溫(20 ℃)下的套管上、卸扣試驗(yàn)。第 一、第二上扣 位 置 要 求 為 接 箍 端 面 超 過 三 角 形 底 邊位置6.53~9.53mm(接箍端面位于三角形標(biāo)記 底邊外側(cè)時(shí) 距 離 為 負(fù),位 于 三 角 形 標(biāo) 記 內(nèi) 時(shí) 距 離 為正),第一、二次上扣位置外觀如圖3所示,第三 次上扣位置 要 求 為 接 箍 端 面 至 三 角 形 底 邊 位 置。 試驗(yàn)用螺 紋 脂 型 號(hào) 為 BEST-OLIFE2000,需 將 其 涂抹均勻。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

上、卸扣試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明:1 # 試樣第一次上、卸扣后,外螺紋第16~19扣發(fā)生粘 扣,內(nèi)螺紋第1~3扣、第11扣發(fā)生粘扣,1 # 試樣內(nèi) 螺紋第一次上、卸扣后宏觀形貌如圖4所示。1 # 試 樣第二次上、卸扣后,外螺紋第15~19扣發(fā)生粘扣 (見圖 5)。2 # 試 樣 第 一 次 上、卸 扣 后,外 螺 紋 第 15~22扣發(fā)生粘扣(見圖6)。 

4 綜合分析 

從現(xiàn)場(chǎng)情況來看,該井連續(xù)5根套管發(fā)生粘扣。 粘扣套管外螺紋變形嚴(yán)重,整個(gè)螺紋區(qū)域均為金屬 熔融狀,大部分區(qū)域已看不出螺紋牙形貌。接箍?jī)?nèi) 螺紋牙磨損痕跡明顯,局部區(qū)域可見螺紋牙金屬發(fā) 生熔融痕跡。根據(jù)粘扣定義和等級(jí)劃分確定,該井 套管粘扣等級(jí)為嚴(yán)重。

從與粘扣套管同規(guī)格、同扣型新套管的上、卸扣 試驗(yàn)結(jié)果可以看出:一組套管第一次上、卸扣后發(fā)生 輕微粘扣,第二次上、卸扣后發(fā)生嚴(yán)重粘扣;另一組套 管第一次上、卸扣后就發(fā)生嚴(yán)重粘扣,說明套管螺紋 的抗粘扣性能差,不滿足 APIRP5C5標(biāo)準(zhǔn)的要求。

一般而 言,套 管 粘 扣 是 由 以 下 幾 種 因 素 造 成 的[4-6]:① 現(xiàn)場(chǎng)操作不當(dāng),即上扣扭矩過大和錯(cuò)扣的 問題,套管上扣時(shí)發(fā)生錯(cuò)扣或者上扣扭矩大(超過套 管規(guī)定的最大扭矩)均會(huì)破壞套管螺紋,導(dǎo)致其粘 扣,此次套管粘扣雖然嚴(yán)重,但粘扣螺紋牙表面劃痕 均平行于螺紋牙走向,由此可以排除因錯(cuò)扣導(dǎo)致的 粘扣,其上扣位置均沒有超過最大上扣位置,可以排 除因上扣扭矩過大導(dǎo)致粘扣的因素;② 螺紋表面清 理不干凈、螺紋脂使用不當(dāng)或套管橢圓度大等均可 導(dǎo)致套管粘扣,根據(jù)多根套管發(fā)生粘扣的現(xiàn)象及粘 扣位置分布情況(整個(gè)螺紋區(qū)域均可見不同程度粘 扣),可以排除因螺紋表面清理不干凈造成套管粘扣 的因素;③ 套管螺紋質(zhì)量問題,即套管螺紋不匹配 和套管抗粘扣性能差均會(huì)導(dǎo)致套管粘扣。 

由螺紋參數(shù)測(cè)量結(jié)果可知:該套管螺紋參數(shù)符 合要求,可排除螺紋參數(shù)不匹配的影響。螺紋表面 鍍層厚度影響螺紋緊密距及徑向過盈量,鍍層厚度 分布越不均勻,螺紋表面粗糙度越大,螺紋配合時(shí) 內(nèi)、外螺紋表面的摩擦力越大,螺紋抗粘扣性能越 低。該套管螺紋為偏梯形螺紋,則有

式中:d 為鍍層厚度引起的徑向過盈變化量;δ為鍍層 厚度;θ1 為螺紋導(dǎo)向面角度;θ2 為螺紋承載面角度。

該套管螺紋的θ1 為10°,θ2 為3°,則該套管螺 紋由于鍍層厚度引起的徑向過盈變化量d 為鍍層 厚度δ 的8.8倍。由套管螺紋鍍層分析結(jié)果可知: 該螺紋鍍層為磷化層,部分區(qū)域存在磷化層缺失的 現(xiàn)象,厚度約為0~15μm,厚度分布嚴(yán)重不均,折算 徑向過盈變化量d 約為0~132μm,該變化量對(duì)套 管的抗粘扣性能影響較大。 

綜合以上分析可以看出:該井套管粘扣的主要 原因是套管螺紋磷化層厚度分布不均,螺紋抗粘扣 性能差。 

5 結(jié)論與建議 

(1)該套管接箍螺紋磷化層厚度分布不均,從 而降低了套管螺紋的抗粘扣性能。 

(2)建議生產(chǎn)商及油田用戶重點(diǎn)關(guān)注螺紋表面涂 層厚度、粗糙度等影響套管螺紋抗粘扣性能的因素。

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<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 8期 (pp:69-72)>