楊富榮，薛自建，韓 旭，蘇金洋，董茂新，張守長，金 冬，史東輝

（渤海裝備第一機(jī)械廠，河北 青縣 062658）

在油套管的檢驗(yàn)和使用中，螺紋黏結(jié)是最常見的損傷失效形式，油套管一旦發(fā)生螺紋黏結(jié)將直接影響套管的密封性能和連接強(qiáng)度，從而產(chǎn)生套管柱的脫落或泄漏，影響油井的正常生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1-3］。因此，套管螺紋黏結(jié)性能是考核、衡量套管產(chǎn)品質(zhì)量水平的重要性能指標(biāo)。本文通過對套管性能、螺紋參數(shù)及表面處理的分析，找出了某批Φ244.48mm×10.03 mm規(guī)格N80鋼級長圓螺紋套管螺紋黏結(jié)原因。

1 螺紋黏結(jié)實(shí)例

某套管加工廠生產(chǎn)的一批Φ244.48 mm×10.03 mm規(guī)格N80鋼級長圓螺紋套管在油田使用時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，螺紋黏結(jié)位置主要在外螺紋的18～28扣、內(nèi)螺紋的起始1～7扣。隨后該油田更換了另一批同規(guī)格同鋼級套管，在同樣作業(yè)條件下使用卻未發(fā)生螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。由此可以判斷：此批套管螺紋黏結(jié)原因是套管的質(zhì)量問題，而不是油田的使用操作不當(dāng)造成的。

2 螺紋黏結(jié)的影響因素

根據(jù)ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)的定義，螺紋黏結(jié)是相互接觸金屬表面間發(fā)生的一種冷焊［4］。這主要是指在油套管上、卸扣過程中，油套管螺紋在高接觸壓力、高溫和高速加載作用下，金屬表面發(fā)生彈性變形、塑性變形、擠壓剝落、“犁溝”和嵌入金屬的損傷［5-7］。因此螺紋黏結(jié)的發(fā)生可能有以下幾個(gè)方面的因素，即螺紋尺寸精度、螺紋表面質(zhì)量、套管材料特性、接箍表面處理效果、螺紋脂質(zhì)量等。為找出該批套管螺紋黏結(jié)的具體原因，就是否由以上因素影響套管的抗螺紋黏結(jié)性能進(jìn)行逐一分析討論。

2.1 螺紋參數(shù)的影響

套管螺紋參數(shù)與螺紋黏結(jié)的產(chǎn)生是緊密相關(guān)的，因?yàn)樵搮?shù)不僅影響到螺紋連接的接觸應(yīng)力，同時(shí)也影響螺紋連接的應(yīng)力分布［8］。隨機(jī)檢測了10支與發(fā)生螺紋黏結(jié)同批次N80鋼級套管的螺紋參數(shù)，具體見表1。檢測結(jié)果顯示：N80鋼級套管螺紋參數(shù)完全符合APISpec 5B—2011標(biāo)準(zhǔn)［9］要求，而且螺紋參數(shù)變化范圍較小。因此，該批N80鋼級套管螺紋黏結(jié)不是螺紋參數(shù)引起的。

表1 N80鋼級套管內(nèi)、外螺紋參數(shù)

2.2 螺紋表面質(zhì)量的影響

研究表明，套管螺紋表面粗糙度越小，則摩擦因數(shù)、摩擦力就越小，就越不易發(fā)生螺紋黏結(jié)；若螺紋表面粗糙度較大或起始扣螺紋有毛刺，都會使摩擦因數(shù)變大，摩擦力也隨之增大，螺紋黏結(jié)相對容易發(fā)生［10-11］。文獻(xiàn)［12］指出由于應(yīng)力集中和幾何約束，起始扣牙型和螺紋表面質(zhì)量也是引起螺紋黏結(jié)失效的主要原因之一。因此對發(fā)生螺紋黏結(jié)的同批套管進(jìn)行起始扣牙型和螺紋表面質(zhì)量檢驗(yàn)，通過與粗糙度對比塊進(jìn)行比對，得出檢驗(yàn)的10支螺紋表面粗糙度為R a1.6，螺紋表面較為光滑，且螺紋起始扣處未發(fā)現(xiàn)有毛刺現(xiàn)象。因此，螺紋表面質(zhì)量也不是引起該批套管螺紋黏結(jié)的原因。

2.3 套管材料特性對螺紋黏結(jié)性能分析

螺紋黏結(jié)是內(nèi)外螺紋黏著磨損的結(jié)果，套管的材料性能決定其切削性能，即決定套管螺紋接頭的加工質(zhì)量［6］。通過對該批N80鋼級套管材料的化學(xué)成分、晶粒度和機(jī)械性能進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2～3。檢測結(jié)果顯示：該批套管管體和接箍材料的化學(xué)成分和機(jī)械性能性均符合APISpec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)［13］對N80鋼級的要求。管體和接箍碳含量僅為0.26%～0.27%，晶粒度在6.6～7.0級，而0℃沖擊功高達(dá)110 J，韌性較好。據(jù)了解，國內(nèi)多家知名生產(chǎn)企業(yè)對N80鋼級的控制指標(biāo)一般是：碳含量在0.37%左右，晶粒度在8級以上，沖擊功在80 J左右。

表2 N80鋼級套管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表3 N80鋼級套管力學(xué)性能檢測結(jié)果

為驗(yàn)證碳含量對抗螺紋黏結(jié)性能的影響，更換了接箍材料（碳含量為0.36%，晶粒度為8級，沖擊功為89 J），進(jìn)行3組不同硬度試樣的上、卸扣對比試驗(yàn)。第一次上、卸扣后螺紋均完好，在第二次上、卸扣后出現(xiàn)了局部的螺紋損傷，但牙型基本完好，第三次上、卸扣后均可以卸下，沒有黏結(jié)在一起，但有兩組螺紋損傷嚴(yán)重，且無法修復(fù)。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，材料的碳含量、晶粒度對抗螺紋黏結(jié)性能有很大影響。

2.4 材料硬度的影響

通過對現(xiàn)場出現(xiàn)螺紋黏結(jié)的N80鋼級套管進(jìn)行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)有個(gè)別套管管體硬度偏低，或者是管體和接箍的硬度差值較大。因此，選擇不同硬度的試樣進(jìn)行上、卸扣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同硬度值套管的上、卸扣試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，管體材料硬度值較低時(shí)容易發(fā)生螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。而現(xiàn)場出現(xiàn)螺紋黏結(jié)的N80鋼級套管管體硬度均小于165 HB，這也再次驗(yàn)證了上述試驗(yàn)結(jié)果。

2.5 接箍螺紋表面處理的影響

目前，油套管接箍的表面處理技術(shù)有磷化、鍍鋅、鍍銅等。不同的表面處理技術(shù)，其抗螺紋黏結(jié)效果不一樣。鍍層的厚度、硬度、熔點(diǎn)或分解溫度、結(jié)晶晶粒的形態(tài)等都直接影響螺紋的抗螺紋黏結(jié)性能［10］。現(xiàn)場發(fā)生螺紋黏結(jié)的套管接箍螺紋表面處理工藝為鋅錳系中溫磷化，通過觀察第一次上、卸扣后的接箍表面磷化層，發(fā)現(xiàn)接箍起始1～7扣的磷化層嚴(yán)重脫落，說明磷化層的附著力較差，測量磷化層厚度，僅為6～12μm，且分布沒有規(guī)律性。

為進(jìn)一步研究接箍螺紋表面處理對螺紋黏結(jié)性能的影響，對同一爐號的N80鋼級套管及接箍（管體硬度約為180 HB，接箍硬度約為200 HB，晶粒度為8.0級）分別進(jìn)行鋅錳系中溫磷化、鍍銅和純錳系高溫磷化工藝的螺紋表面處理，各取3組做上、卸扣試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 不同表面處理工藝的套管上、卸扣試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出：鋅錳系中溫磷化與鍍銅工藝的上卸扣試驗(yàn)結(jié)果一致，說明這兩種螺紋表面處理工藝對抗螺紋黏結(jié)性能影響相近；純錳系高溫磷化工藝的抗螺紋黏結(jié)性能優(yōu)于前兩種表面處理工藝。

2.6 螺紋脂的影響

螺紋脂對套管接頭具有潤滑和填充密封的作用，可以減小或緩解套管接頭螺紋黏結(jié)程度［14］。該批螺紋黏結(jié)套管所用螺紋脂為改進(jìn)型螺紋脂，其主要性能參數(shù)見表6。由表6可以看出，螺紋脂的性能參數(shù)均滿足 ISO 13678∶2000 標(biāo)準(zhǔn)［15］要求，且螺紋脂涂抹均勻，用量適宜；說明套管的螺紋黏結(jié)不是螺紋脂引起的。

表6 改進(jìn)型螺紋脂的主要性能參數(shù)

3 結(jié) 語

通過對螺紋黏結(jié)同批N80鋼級套管進(jìn)行檢測與試驗(yàn)分析，螺紋黏結(jié)套管的螺紋參數(shù)、螺紋表面質(zhì)量、化學(xué)成分、力學(xué)性能及螺紋脂的性能參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。管體和接箍材料碳含量較低、硬度低，是造成N80鋼級長圓螺紋套管螺紋黏結(jié)的主要原因；此外，接箍表面磷化層較薄、附著力差也是造成螺紋黏結(jié)的另一原因。

［1］張居勤，高連新，李飛鍵，等.油井管螺紋粘扣類型及其原因分析［J］.鋼管，2004，33（4）：16-20.

［2］馬劉寶，朱靖，賴興濤.油套管螺紋粘扣原因分析及研究現(xiàn)狀［J］.鋼管，2011，40（3）：27-30.

［3］虎桂蘭.石油鉆桿接頭螺紋粘扣原因分析及預(yù)防措施［J］.中國科技博覽，2011（37）：46-47.

［4］ ISO 13679：2002 Petroleum and natural gas industries—procedures for testing casing and tubing connections［S］.2002.

［5］呂拴錄，袁鵬斌，張偉文，等.某井N80鋼級套管脫扣和粘扣原因分析［J］.鋼管，2010，39（5）：57-61.

［6］王蕊，李東風(fēng)，韓軍，等.N80長圓螺紋套管粘扣行為研究及質(zhì)量控制建議［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2013，29（8）：42-45.

［7］郎帆，段敬黎，周勛，等.油管粘扣原因分析及控制措施［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（6）：34-38.

［8］馮娜，白小亮，吳健，等.油管螺紋基礎(chǔ)參數(shù)與粘扣相關(guān)性分析［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（4）：14-18.

［9］ American Petroleum Institute.APISpec 5B Specification for threading，gauging and thread inspection of casing，tubing，and line pipe threads［S］.15th.Washington：API Publications，2011.

［10］張永強(qiáng)，王新虎.油套管螺紋抗粘扣技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（2）：78-81.

［11］于洋.特殊螺紋接頭選用技術(shù)研究［D］.西安：西安石油大學(xué)，2012.

［12］張毅，李欣，陳建初.石油管粘扣機(jī)理、分類要點(diǎn)及影響因素的研究［J］.焊管，2002，25（2）：13-22，25.

［13］ American Petroleum Institute.APISpec 5CTSpecification for casing and tubing［S］.9th.Washington：APIPublications，2011.

［14］姜濤，呂拴錄，張偉文，等.J55長圓螺紋套管粘扣原因試驗(yàn)分析［J］.理化檢驗(yàn)：物理分冊，2010，46（9）：604-607.

［15］ ISO 13678 ∶2000 Petroleum and natural gas industries—evaluation and testing of thread compounds for use with casing，tubing，and line pipe［S］.2000.