羅華權(quán)，楊力能，劉文紅，王航，張秋芳，耿鵬

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠(chǎng)，陜西 西安 710018；3.中國(guó)石油物資有限公司西安分公司，陜西 西安 710000）

2019年6月，某油田在下套管作業(yè)中發(fā)現(xiàn)Φ139.70 mm×7.72 mm J55長(zhǎng)圓螺紋防腐套管按規(guī)定扭矩控制上扣，達(dá)到扭矩要求時(shí)，套管外螺紋有3～4扣外露，即上扣不到位，該次作業(yè)累計(jì)損傷套管19根。2019年7月，對(duì)失效套管現(xiàn)場(chǎng)取樣，分析該批J55套管上扣不到位的原因。據(jù)委托方介紹，某鉆井隊(duì)在下Φ139.70 mm×7.72 mm J55長(zhǎng)圓螺紋防腐套管時(shí)，從第一根開(kāi)始，上扣困難，不能一次到位，每根余3～4扣，上扣扭矩報(bào)警器報(bào)警，此時(shí)上扣扭矩為3 300 N·m，增加至3 600 N·m時(shí)套管有明顯變形，入井防腐套管共10根。查看現(xiàn)場(chǎng)損壞套管情況，發(fā)現(xiàn)有明顯變形和大鉗鉗牙咬痕現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)從未入井套管中抽取樣品，清潔樣品螺紋，使用專(zhuān)用工具測(cè)量螺紋參數(shù)，測(cè)量結(jié)果均滿(mǎn)足API Spec 5B—2008（R2015）《套管、油管和管線(xiàn)管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范》要求。檢查未入井套管外螺紋保護(hù)器，外沿螺紋處存有較多打磨鋼珠，使用鋼絲刷洗、柴油清潔，再用壓縮空氣反復(fù)吹掃清洗后，試用2根套管按規(guī)定扭矩上扣，均能一次上到位[1-12]。試樣情況見(jiàn)表1。在試樣兩端分別截取1.5 m長(zhǎng)樣品，形貌如圖1所示。

圖1 試樣形貌

表1 試樣情況

1 分析思路

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)失效樣品使用及失效情況，按照分析思路查找套管上扣不到位的原因，失效分析思路具體如圖2所示。

圖2 失效分析思路

2 樣品外觀檢查

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的1號(hào)及2號(hào)失效套管進(jìn)行宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)2根套管管體有明顯大鉗夾持痕跡（圖3），接箍螺紋內(nèi)表面銹蝕（圖4）。

圖3 1號(hào)管體外表面大鉗夾持痕跡

圖4 1號(hào)接箍?jī)?nèi)表面銹蝕形貌

卸掉3～5號(hào)樣品螺紋保護(hù)器，發(fā)現(xiàn)套管接箍?jī)?nèi)表面有鐵屑和大量鋼珠（圖5），鋼珠較大的直徑約為2 mm，螺紋脂量較少，外螺紋保護(hù)器的螺紋內(nèi)嵌有大量鋼珠（圖5），清洗后的5號(hào)樣品外螺紋也發(fā)現(xiàn)鋼珠（圖6a），2號(hào)試樣外螺紋也發(fā)現(xiàn)存有鋼珠（圖6b）。

圖5 5號(hào)試樣內(nèi)螺紋及保護(hù)器表面鋼珠

圖6 外螺紋表面鋼珠

對(duì)4～5號(hào)樣品外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋用汽油進(jìn)行清洗，分別對(duì)每個(gè)鋼管螺紋端清洗后的鋼珠進(jìn)行收集，鋼珠具體數(shù)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

由表2可以看出，庫(kù)存套管的外螺紋表面和接箍?jī)?nèi)螺紋表面存在大量的鋼珠。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，鋼管防腐廠(chǎng)先對(duì)該批鋼管外表面進(jìn)行噴丸（鋼珠）作業(yè)，然后進(jìn)行外防腐。因此，這些鋼珠為噴丸過(guò)程中嵌入套管螺紋內(nèi)，并一直存留在螺紋內(nèi)。

表2 鋼珠數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3 樣品理化性能試驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)項(xiàng)目

為了確定該批套管的材質(zhì)、螺紋參數(shù)及上/卸扣性能是否符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，制定了檢驗(yàn)方案，樣品檢驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 樣品檢驗(yàn)方案

3.2 化學(xué)成分分析

分別對(duì)失效套管1號(hào)及全新庫(kù)存套管6號(hào)取化學(xué)成分分析試樣，依據(jù)ASTM A 751—2014a《鋼制品化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)操作和術(shù)語(yǔ)》，用ARL 4460直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由檢測(cè)結(jié)果可知，1號(hào)及6號(hào)套管化學(xué)成分均符合API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》要求。

表4 1號(hào)和6號(hào)套管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果 %

3.3 晶粒度檢驗(yàn)

從庫(kù)存套管6號(hào)管體上取金相試樣，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)檢驗(yàn)其晶粒度為11.5級(jí)。

3.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

分別從庫(kù)存套管6號(hào)管體和接箍上取縱向拉伸試樣和縱向夏比V型缺口沖擊試樣，進(jìn)行拉伸和夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5～6。分別從庫(kù)存套管6號(hào)距焊縫0°，90°位置，管體上取長(zhǎng)度為100 mm的Φ139.70 mm壓扁試樣，進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，平板間距為90 mm，試樣壓扁后未出現(xiàn)裂紋。結(jié)果表明，6號(hào)管體及接箍拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn)結(jié)果均符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)對(duì)J55鋼級(jí)的要求。

表5 6號(hào)試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 6號(hào)試樣夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.5 螺紋參數(shù)及幾何尺寸檢驗(yàn)

依據(jù)API Spec 5B和API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)庫(kù)存新管進(jìn)行螺紋參數(shù)和幾何尺寸檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符合API Spec 5B和API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求，外螺紋接頭和內(nèi)螺紋接頭檢驗(yàn)結(jié)果及API Spec 5B和API Spec 5CT的標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表7～8。

表7 外螺紋接頭檢驗(yàn)結(jié)果

表8 內(nèi)螺紋接頭檢驗(yàn)結(jié)果

3.6 實(shí)驗(yàn)室正常上扣/卸扣試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)此批套管螺紋的抗黏結(jié)能力，先對(duì)4號(hào)套管樣品洗凈，螺紋內(nèi)無(wú)鋼珠（圖7），然后進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，如圖8（a）所示，試驗(yàn)參考SY/T 6128—2012《套管、油管螺紋接頭性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法》。

圖7 4號(hào)試樣清洗示意

實(shí)驗(yàn)室正常上扣/卸扣試驗(yàn)采用NXQ140/25油管扭矩試驗(yàn)系統(tǒng)（201812055），對(duì)編號(hào)為4號(hào)（套管內(nèi)外螺紋試樣組合）進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，上卸扣試驗(yàn)溫度為室溫，上扣前充分手緊。規(guī)定最大上扣扭矩為4 190 N·m，采用最大上扣扭矩4 190 N·m進(jìn)行上扣（表9）。4號(hào)套管上扣/卸扣試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10，4號(hào)試樣上卸扣正常，如圖8（b）、圖9所示。

圖9 4號(hào)試樣第2次卸扣后形貌

表9 4號(hào)套管上/卸扣試驗(yàn)條件

表10 4號(hào)套管A上扣端抗黏扣上/卸扣試驗(yàn)結(jié)果

圖8 4號(hào)試樣上/卸扣前后外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋位置對(duì)比

3.7 模擬現(xiàn)場(chǎng)情況上扣試驗(yàn)

把5號(hào)套管螺紋部位清洗干凈，在內(nèi)外螺紋部位均勻涂抹上螺紋脂，在清洗干凈的5號(hào)套管樣品內(nèi)螺紋上放置原來(lái)清洗下來(lái)的鋼珠（圖10），進(jìn)行試驗(yàn)（圖11a）。試驗(yàn)采用NXQ140/25油管扭矩試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)編號(hào)5號(hào)（套管內(nèi)外螺紋試樣組合）的樣品組合進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫，上扣前充分手動(dòng)擰緊，采用最大扭矩4 190 N·m進(jìn)行上扣。試驗(yàn)結(jié)果表明5號(hào)上扣不到位，如圖11（b）所示，卸扣后螺紋距端部外螺紋第6、7、8、11扣嚴(yán)重黏結(jié)，距端部?jī)?nèi)螺紋第3扣嚴(yán)重黏結(jié)，外螺紋有4牙外露，如圖12所示。

圖10 5號(hào)接箍?jī)?nèi)螺紋鋼珠放置示意

圖11 5號(hào)試樣上扣前后外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋位置對(duì)比

圖12 5號(hào)試樣卸扣黏扣形貌

4 綜合分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，失效套管和庫(kù)存新管的化學(xué)成分及庫(kù)存新管的拉伸性能試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)和晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果均符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)對(duì)J55鋼級(jí)的要求，表明套管材質(zhì)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。庫(kù)存新管的螺紋參數(shù)及幾何尺寸檢驗(yàn)結(jié)果符合API Spec 5CT和API Spec 5B標(biāo)準(zhǔn)的要求。

對(duì)4號(hào)庫(kù)存新管的外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋進(jìn)行清洗后，去除鋼珠，均勻涂抹上螺紋脂，按照SY/T 6128標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，按最大扭矩進(jìn)行上扣，第一次卸扣結(jié)束后和第二次卸扣結(jié)束后，均未發(fā)現(xiàn)螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，2根套管的螺紋經(jīng)過(guò)清洗，去除螺紋上的鋼珠后，均上扣正常。

對(duì)5號(hào)庫(kù)存新管的外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋進(jìn)行清洗后，均勻涂抹螺紋脂，并把前期從5號(hào)外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋清洗出的鋼珠均勻放置在內(nèi)螺紋上，按照SY/T 6128標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，按最大扭矩進(jìn)行上扣，當(dāng)扭矩值達(dá)到控制扭矩，還剩4牙外螺紋外露。此時(shí)停止上扣，進(jìn)行卸扣。卸扣后，對(duì)5號(hào)外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋進(jìn)行清洗，發(fā)現(xiàn)外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋發(fā)生黏結(jié)。庫(kù)存套管清洗后的外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋發(fā)現(xiàn)大量的鋼珠。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，該批套管在進(jìn)行外防腐時(shí)先進(jìn)行了外表面噴丸（鋼珠）作業(yè)。因此，這些鋼珠應(yīng)該是在噴丸過(guò)程中嵌入套管螺紋內(nèi)，之后一直存留螺紋內(nèi)。

5號(hào)庫(kù)存新管上卸扣試驗(yàn)表明，螺紋上存在的鋼珠導(dǎo)致套管上扣不到位（還剩4扣），外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋發(fā)生黏結(jié)。綜上所述，此次套管現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，上扣未上到位原因是因?yàn)槁菁y中存在鋼珠所致。

5 結(jié)論

（1）此次套管現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，由于螺紋中存在鋼珠，從而導(dǎo)致上扣不到位。

（2）建議下套管作業(yè)時(shí)，作業(yè)隊(duì)伍嚴(yán)格按照施工要求對(duì)螺紋徹底清洗，避免因套管螺紋存在異物而引起上扣不到位。