呂拴錄 楊向同 周理志 劉洪濤 季曉紅張日興 劉軍嚴 石桂軍 徐永康 張 鋒

(1. 中國石油大學材料科學與工程系 北京 102249;2.塔里木油田 新疆 塔里木 841000)

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·失效分析及預(yù)防·

ZXG6-1井88.9mm特殊螺紋接頭油管脫扣原因分析

呂拴錄1,2楊向同1周理志1劉洪濤1季曉紅1張日興1劉軍嚴1石桂軍1徐永康1張 鋒2

(1. 中國石油大學材料科學與工程系 北京 102249;2.塔里木油田 新疆 塔里木 841000)

對ZXG6-1井在試油期間88.9 mm特殊螺紋接頭油管座封打壓作業(yè)過程中發(fā)生的脫扣事故進行了調(diào)查研究，對脫扣接箍幾何尺寸和螺紋接頭參數(shù)進行了測量和分析，認為在座封打壓作業(yè)過程中油管柱承受內(nèi)壓和震動等載荷后，油管柱從油管接頭薄弱環(huán)節(jié)首先發(fā)生松動，最終發(fā)生了脫扣。油管脫扣原因是其接頭工廠端上扣扭矩不足。對該批油管工廠上扣扭矩統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，該批油管中有少量油管上扣扭矩不足。為防止油管在使用過程中再次發(fā)生脫扣事故，對如何改進油管上扣質(zhì)量提出了改進建議，對如何使用該批油管提出了具體措施。

油管；接箍；特殊螺紋接頭；脫扣

0 引 言

油、套管柱在自重或外力作用下，內(nèi)、外螺紋接頭相互分離脫開的現(xiàn)象稱之為脫扣。脫扣會導致管柱落井，破壞管柱的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性[1]。油、套管脫扣后不得不實施打撈作業(yè)，如果脫扣的落魚管柱不能撈出，則會使整口井報廢。API圓螺紋油管和套管接頭螺紋承載面為30°，其連接強度低于管體，在使用過程中容易發(fā)生脫扣事故[2～6]。API偏梯形螺紋接頭油管和套管螺紋承載面牙形為3°，其連接強度與管體相同，在使用過程中不容易發(fā)生脫扣事故。特殊螺紋接頭油、套管接頭與管體等強度，其原因是特殊螺紋接頭油、套管大多數(shù)采用API偏梯形螺紋，甚至采用鉤式螺紋，其承載面為負角度，這就有效防止了脫扣事故。2012年3月，ZXG6-1井88.9 mm特殊螺紋接頭油管發(fā)生了脫扣，廠家認為油管脫扣原因是油田使用操作不當所致，油田認為油管脫扣原因是油管接頭設(shè)計不合理，或者油管質(zhì)量不合格所致，最終雙方各持己見，很難統(tǒng)一認識。為了搞清ZXG6-1井88.9 mm特殊螺紋接頭油管脫扣原因，本文進行了調(diào)查研究和試驗分析。

1 基本情況

1.1 油管脫扣發(fā)生經(jīng)過

2012年3月15日10:50，ZXG6-1井投28 mm鋼球進行封隔器座封作業(yè)，井口壓力12 MPa；11:15 第一次分別正打壓19 MPa、26 MPa、28 MPa和34 MPa (套壓12 MPa)，穩(wěn)壓10 min，壓力不降。將油壓降至12 MPa，第二次分別正打壓19 MPa、26 MPa，穩(wěn)壓10 min，壓力不降。繼續(xù)正打壓至34 MPa，穩(wěn)壓5 min時壓力瞬間突降至14 MPa，管柱有很大的震動，再緩慢降至12 MPa。與此同時套壓由12 MPa上升至14 MPa再緩慢降至12 MPa。封隔器坐封過程油套壓曲線見圖1。

1.2 事故處理經(jīng)過

上提油管柱，懸重130 kN(原管柱懸重850 kN)；起鉆發(fā)現(xiàn)管柱從第16根88.9 mm特殊螺紋接頭油管(廠家編號840)接頭工廠端上扣端脫扣，第15根油管現(xiàn)場端外螺紋接頭與第16根油管接箍現(xiàn)場端內(nèi)螺紋接頭連接，第16根油管工廠端外螺紋接頭及以下管柱掉入井內(nèi)。脫扣位置井深164.65m(11.05+16×9.6)，落魚長度5 655.4 m(5 820.05-164.65)。第15根油管現(xiàn)場端外螺紋接頭與第16根油管接箍現(xiàn)場端內(nèi)螺紋接頭上扣扭矩為5 899 N·m，符合廠家規(guī)定的上扣扭矩。

圖1 封隔器坐封過程油套壓曲線圖

另外，在處理事故倒扣過程中，油管接頭首先從工廠上扣端倒扣松開。

2 宏觀分析

脫扣油管接箍長度為177.5 mm，外壁有點狀預(yù)擰痕跡(色圓形圈內(nèi))和縱向上扣擰接卡爪印痕(方框內(nèi))，接箍表面鉗牙長度為70.4 mm，見圖2。

圖2 接箍外壁上扣夾持牙痕

接箍工廠端靠近端面5扣螺紋局部位置(0°位置)損傷變形，放樣后發(fā)現(xiàn)螺紋齒頂變形倒向螺紋牙齒導向面(圖3、圖4)，這是脫扣時與外螺紋接頭摩擦干涉變形痕跡，其余區(qū)域螺紋沒有損傷。

接箍內(nèi)螺紋接頭工廠端和現(xiàn)場端密封面僅有與外螺紋接頭嚙合的周向摩擦痕跡，見圖5、圖6。

經(jīng)過測量，接箍工廠端和現(xiàn)場端螺紋參數(shù)符合廠家規(guī)定。

圖3 接箍工廠端0°位置靠端面5扣螺紋局部位置變形損傷形貌

圖4 接箍工廠端靠端面螺紋變形損傷位置局部形貌

圖5 接箍工廠端180°位置扭矩臺肩和金屬密封面形貌

圖6 接箍現(xiàn)場端180°位置扭矩臺肩和金屬密封面形貌

3 結(jié)果分析

油管脫扣與使用過載、螺紋接頭加工精度和上扣質(zhì)量有關(guān)[7、8]。

3.1 使用過載導致脫扣的可能性

油管脫扣實際是油管承受的拉伸載荷超過了油管接頭連接強度。那么，是否因為使用過載導致油管脫扣呢？

油管脫扣時內(nèi)壓為34 MPa，第16根油管脫扣位置井深為5 655.4 m，油管接頭脫扣位置承受的浮重為733 kN。油管接頭連接強度為1 426 kN，油管脫扣位置承受的拉伸載荷只有接頭抗拉強度的51.4%(733/1426)；井口位置油管承受的浮重為755 kN, 只有接頭抗拉強度的52.9%(755/1 426)?？紤]內(nèi)壓會產(chǎn)生活塞效應(yīng)，增加軸向拉伸載荷，34 MPa內(nèi)壓對油管產(chǎn)生的軸向拉力為135 kN。也即，脫扣油管承受的最大拉力為868 kN(733+135)，只有接頭抗拉強度的60.9%(868/1 426)；井口油管承受的最大拉力為890 kN(755+135)，只有接頭抗拉強度的62.4%(890/1 426)。按照油管脫扣時承受34 MPa內(nèi)壓和733 kN浮重計算結(jié)果，脫扣位置油管內(nèi)壁VME應(yīng)力只有材料屈服強度的48.4%。

第16根油管接頭現(xiàn)場端上扣扭矩符合工廠規(guī)定。測試隊按照封隔器座封啟動要求分級打壓，打壓操作符合規(guī)定，可以排除現(xiàn)場操作不當導致油管工廠端脫扣的可能性。也就是說，如果油管接頭連接強度達到標準規(guī)定的強度值，油管接頭就不會發(fā)生脫扣；反之，如果油管接頭連接強度達不到標準規(guī)定的強度值，油管接頭可能會發(fā)生脫扣。

另外，如果過載導致油管脫扣，脫扣的油管螺紋接頭會發(fā)生嚴重變形損傷。該井脫扣的油管接箍內(nèi)螺紋只有靠近端面的4扣螺紋局部損傷，其余螺紋完好無損，不具有過載脫扣的特征。

3.2 由于油管上扣質(zhì)量問題直接導致脫扣的可能性

油管本身的連接強度是由材質(zhì)、螺紋加工精度和上扣質(zhì)量決定的。該批油管材質(zhì)和螺紋加工質(zhì)量符合標準要求。這可以排除由于材質(zhì)和螺紋加工質(zhì)量低劣直接導致油管脫扣的可能性。那么，是否有可能是上扣不到位導致油管脫扣呢？

脫扣油管接箍工廠端內(nèi)螺紋接頭金屬密封位置有與外螺紋接頭金屬密封面上扣配合摩擦痕跡，說明該油管接頭工廠端上扣扭矩達到了內(nèi)外螺紋接頭金屬密封面接觸干涉的程度。工廠規(guī)定臺肩扭矩數(shù)值范圍為589 N·m～4 123 N·m，工廠規(guī)定的油管上扣扭矩范圍為5 880 N·m～6 370 N·m，前者最小值只有后者的最小值的10.0%(589/5 880),前者最大值只有后者最大值的70.1%(4123/6 370)。接箍內(nèi)螺紋接頭金屬密封面有與外螺紋接頭金屬密封面配合干涉痕跡，并不能說明上扣扭矩達到了規(guī)定值。840號油管接頭工廠端脫扣，說明該接頭連接強度低，為油管柱薄弱環(huán)節(jié)。

對177.8 mm偏梯形螺紋套管所做的試驗結(jié)果表明[9]，按照API公差上限上扣(上扣至△頂點位置)、下限上扣(上扣至離△頂?shù)走呂恢貌?.08 mm)和手緊上扣(接箍端面距△底邊12.7 mm)后拉伸載荷分別達到了API BUL 2規(guī)定值的1.28、1.27、1.27倍時斷裂失效。

該油管接頭采用偏梯形螺紋，油管接頭與管體等強度。從脫扣油管接箍工廠端內(nèi)螺紋接頭金屬密封位置有與外螺紋接頭金屬密封面上扣配合干涉的痕跡推斷，該接頭實際上扣扭矩應(yīng)大于手緊上扣扭矩。這可以排除由于上扣扭矩不當直接導致油管脫扣的可能性。

3.3 上扣扭矩不足的油管螺紋接頭松動導致脫扣的可能性

在正常上扣連接情況下，接箍內(nèi)螺紋接頭金屬密封面位置與外螺紋接頭金屬密封面上扣配合后應(yīng)該有足夠的接觸壓力。如果脫扣時兩者仍然正常過盈干涉，在脫扣過程中，兩者會沿著軸向反方向滑動，脫扣后會在各自的金屬密封面位置留下縱向劃痕。反之，脫扣后不會在各自的金屬密封面位置留下縱向劃痕。脫扣的接箍工廠端內(nèi)螺紋接頭金屬密封面沒有正常嚙合滑脫留下的縱向痕跡，說明脫扣時內(nèi)外螺紋接頭密封面沒有接觸。即脫扣時由于螺紋接頭工廠上扣端松動后內(nèi)外螺紋接頭金屬密封面沒有接觸干涉。

油管在下井過程中沒有脫扣，在封隔器座封打壓過程中發(fā)生了脫扣。這說明導致油管脫扣的載荷主要來自內(nèi)壓變化引起的附加載荷。在打壓過程中脫扣接頭所受最大拉伸載荷僅有廠家規(guī)定值的60.9%。如果接頭沒有發(fā)生松動，在打壓座封過程中該油管接頭所受最大拉伸載荷是不會引起油管脫扣的。

在正常上扣狀態(tài)下，該種油管接頭與管體等強度，在拉伸至失效后一般只發(fā)生斷裂，而不發(fā)生脫扣。該井油管是脫扣失效的，在受拉伸載荷很小的情況下，油管只有松動之后才可能發(fā)生脫扣。那么，是什么原因會導致油管接頭工廠上扣端松動呢？

油管是在打壓座封過程中發(fā)生脫扣的。在打壓座封過程中，油管壓力從19 MPa-34 MPa變化了7次，每次打壓會使油管承受了附加的交變拉伸載荷，與此同時油管還會承受泵壓波動產(chǎn)生的震動載荷。作用在油管上的交變拉伸載荷和震動載荷有可能導致松配合的油管接頭首先松動。

一般拉伸載荷或者壓縮載荷有利于防止油管接頭在井下松動，靠近管柱下部的油管容易在后續(xù)作業(yè)過程中松動的原因就是其承受的自重拉力小[10]。脫扣油管接頭處在靠近井口的位置，按理來說，該位置油管接頭不容易發(fā)生松動。這說明該油管上扣質(zhì)量可能存在問題。

一般油管接頭上扣扭矩越大，所需的倒扣扭矩也越大[11]。同一接箍兩端接頭受力條件差別不大，但卻從接頭工廠上扣端發(fā)生了脫扣，這主要與接頭工廠端上扣扭矩小，容易松動有關(guān)。

在處理事故倒扣過程中，油管接頭首先從工廠上扣端倒扣松開，說明接頭工廠端上扣扭矩比現(xiàn)場端上扣扭矩小的油管除過脫扣的油管之外還有其它油管。

3.4 油管接頭工廠端上扣扭矩統(tǒng)計分析

油管接頭上扣扭矩過大，容易發(fā)生粘扣事故[12-13]；上扣扭矩不足，油管容易發(fā)生脫扣事故[14]。對該批3 295根油管上扣扭矩曲線統(tǒng)計分析結(jié)果表明， 8根油管上扣扭矩低于工廠規(guī)定的最小值。該批油管已經(jīng)有1根油管工廠上扣端發(fā)生脫扣，對另外7根上扣扭矩不足的油管應(yīng)采取補救措施，以防止再次發(fā)生油管脫扣事故。

3.5 嚴格執(zhí)行塔里木油田油管訂貨技術(shù)協(xié)議有利于防止油管脫扣

油管在使用過程中會承受內(nèi)壓和交變拉伸載荷，為防止油管發(fā)生泄漏和脫扣，該油田訂貨技術(shù)標準要求按照ISO 13679 IV級試驗程序和模擬震動載荷(拉伸載荷+交變的內(nèi)壓)補充試驗要求對油管實物進行評價試驗。如果脫扣的這根油管按照上述要求進行試驗，就會在實驗室發(fā)現(xiàn)問題。但是該批油管沒有按照上述要求進行試驗，致使某些上扣扭矩不足的油管也已經(jīng)供給油田使用，最終在井下發(fā)生脫扣事故。

4 結(jié)論與建議

(1)油管柱是從油管接頭薄弱環(huán)節(jié)松動之后才發(fā)生脫扣的，油管脫扣原因是其接頭工廠端上扣扭矩不足，在后續(xù)座封打壓作業(yè)過程中承受內(nèi)壓和震動等載荷之后首先發(fā)生松動，最終發(fā)生了脫扣。

(2)依據(jù)工廠上扣原始記錄，該批油管還有7根上扣扭矩不足，建議按照工廠規(guī)定的最佳扭矩將該批油管接頭工廠端重新緊扣，或者油管下井時采用浮動上扣(背鉗夾持管體上扣)。

(3)建議工廠執(zhí)行油田訂貨技術(shù)標準，改進油管上扣質(zhì)量。

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Cause Analysis on Pullout of 88.9mm Tubing with Premium Connection in ZXG6-1 Well

LV Shuanlu1,2YANG Xiangtong1ZHOU Lizhi1LIU Hongtao1JI Xiaohong1

ZHANG Rixing1LIU Junyan1SHI Guijun1XU Yongkang1ZHANG Feng2(1.MaterialScienceandEngineeringDepartmentofChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；2.TarimOilField,Tarim,Xinjiang841000，China)

This paper gives an investigation on pullout accident of 88.9mm tubing with premium connection in the packer and seat sealing down assignments in ZXG6-1 Well, and gages and analyses on the dimension and thread parameter of the pulled out coupling. It is considered that the tubing string joint was pulled out because of the joint being loosed from weak position due to internal pressure and vibration load borne on the tubing string during packer and seat sealing down assignments. The cause of tubing joint being pulled out is that its make-up torque was not enough. There were a few tubing with not enough make-up torque in this batch of tubing per statistical analysis on the tubing make-up torque record in the mill. In order to prevent tubing from being pulled out, it is suggested that the tubing make-up quality should be improved, and some measures are put forward for using this batch of tubing.

tubing， coupling， premium connection， pullout

呂拴錄， 男，1957年生，教授級高級工程師，1983年畢業(yè)于西安交通大學金屬材料及熱處理專業(yè)，一直從事石油管材質(zhì)量監(jiān)督、失效分析和科研工作。E-mail：lvshuanlu@163.com

TE921

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2096-0077(2015)01-0050-05

2014-11-04 編輯：馬小芳)