煤層氣開發(fā)用加厚油管螺紋接頭損傷失效分析

閆 凱, 楊生斌, 楊紅兵, 衛(wèi) 棟, 王冬林, 田新新

(1. 中國(guó)石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院, 西安 710077; 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司 鉆井事業(yè)部, 三河 065201)

煤層氣開發(fā)用加厚油管螺紋接頭損傷失效分析

閆 凱1, 楊生斌2, 楊紅兵1, 衛(wèi) 棟1, 王冬林1, 田新新1

(1. 中國(guó)石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院, 西安 710077; 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司 鉆井事業(yè)部, 三河 065201)

針對(duì)煤層氣開發(fā)用2-7/8″(73.02 mm)加厚油管在試氣施工時(shí)通、洗井后出現(xiàn)螺紋接頭嚴(yán)重?fù)p傷的情況，對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)使用工況和操作進(jìn)行了調(diào)查分析，對(duì)損傷接頭的外觀、化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行了分析，并抽取同批次加厚油管進(jìn)行螺紋參數(shù)檢測(cè)。結(jié)果表明：現(xiàn)場(chǎng)擰接操作不當(dāng)是造成油管螺紋接頭損傷的主要原因，并據(jù)此提出了油管現(xiàn)場(chǎng)安全使用的建議。

煤層氣；加厚油管；螺紋接頭；損傷；失效分析

我國(guó)煤層氣資源豐富，隨著煤層氣開發(fā)的快速發(fā)展，開采所需的管材用量也越來越大，管材的質(zhì)量安全和使用安全是確保煤層氣開發(fā)能順利進(jìn)行的保障[1]。煤層氣開發(fā)與石油和天然氣開發(fā)采用類似的管材，開發(fā)時(shí)發(fā)生的管材失效事故中以螺紋接頭失效問題最為突出[2-4]。某煤層氣開發(fā)公司在使用API標(biāo)準(zhǔn)的2-7/8″(73.02 mm)加厚油管進(jìn)行試氣施工時(shí)，通井和洗井后出現(xiàn)了油管螺紋接頭失效的情況，加厚油管規(guī)格為φ73.02 mm×5.51 mm，級(jí)別為N80Q EU。

在施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)損傷的油管螺紋出現(xiàn)了嚴(yán)重的粘扣現(xiàn)象，從起始扣開始有8扣已脫落或磨平，導(dǎo)致螺紋連接性能和密封性能均已失效。筆者對(duì)該氣田現(xiàn)場(chǎng)操作情況及螺紋脂使用情況進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)損傷接頭的管體和接箍理化性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并抽取同批次加厚油管進(jìn)行螺紋參數(shù)和幾何尺寸的檢測(cè)，綜合分析了該加厚油管螺紋接頭失效的原因，并提出了煤層氣開發(fā)用管安全使用的建議。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

對(duì)出現(xiàn)接頭失效事故的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，包括對(duì)失效接頭進(jìn)行宏觀觀察，對(duì)事故井施工時(shí)擰接油管所用螺紋脂情況、擰接參數(shù)及操作過程情況進(jìn)行調(diào)查。

1.1 失效接頭螺紋宏觀觀察

為確定失效接頭的損傷部位以及損傷程度，對(duì)失效接頭的螺紋部分進(jìn)行了宏觀觀察。從由事故井提升出的一支失效油管來看，其中接頭部位，尤其是螺紋部位損傷嚴(yán)重，外螺紋從起始扣開始有8扣均已脫落，不能起到任何連接或密封作用;從外螺紋第9扣開始，螺紋牙型輪廓基本完整，但螺紋表面有輕微損傷；另外，失效接頭螺紋表面有生銹痕跡,如圖1所示。依據(jù)API Spec 5B-2008《套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范》[5]，油管的連接應(yīng)能經(jīng)受4次機(jī)緊和卸開操作而不發(fā)生螺紋粘扣損傷，而該失效油管螺紋僅經(jīng)一次機(jī)緊和卸開操作后就已出現(xiàn)了不能再繼續(xù)使用的嚴(yán)重粘扣損傷。

圖1 失效油管外螺紋宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of external thread of the failure tubing

1.2 現(xiàn)場(chǎng)擰接和螺紋脂使用情況

由于油田現(xiàn)場(chǎng)擰接采用液壓大鉗，該設(shè)備可能造成油管粘扣[6]，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)擰接記錄進(jìn)行核查，與施工人員進(jìn)行交流了解，并對(duì)失效油管擰接痕跡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查。該批油管在下井?dāng)Q接時(shí)采用液壓大鉗進(jìn)行夾持和上緊，擰接設(shè)備有液壓表顯示，擰接記錄中無擰接扭矩信息記錄。經(jīng)查該批油管擰接時(shí)鉗壓設(shè)定為12 MPa，采用低檔擰接。根據(jù)該型擰接機(jī)鉗壓與扭矩相關(guān)性曲線查詢對(duì)應(yīng)的扭矩為4 000 N·m。擰接時(shí)采用人工手扶對(duì)中，無對(duì)中器。根據(jù)API RP 5C5-2003《套管和油管接頭評(píng)價(jià)試驗(yàn)推薦做法》[7]，在進(jìn)行上扣夾持接箍時(shí)，應(yīng)確保不使內(nèi)部的螺紋發(fā)生不利變形。按照工廠現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，擰接時(shí)卡鉗應(yīng)夾持在接箍中部，并控制夾持力，以防止擰接過程中接箍變形或過熱導(dǎo)致螺紋損傷[8]。檢查失效油管夾持痕跡，該油管現(xiàn)場(chǎng)擰接時(shí)夾持部位在距離接箍現(xiàn)場(chǎng)端端部1 cm處，見圖2。API RP 5C1-1991《套管和油管維護(hù)和使用推薦做法》[9]給出了圓螺紋油管的推薦上扣扭矩，并規(guī)定在正常環(huán)境下施工時(shí)扭矩值允許有±25%的變化量，φ73.02 mm×5.51 mm N80Q EU規(guī)格油管的推薦扭矩為3 120 N·m[9]。該批油管下井?dāng)Q接時(shí)所用螺紋脂為國(guó)內(nèi)某工廠產(chǎn)品，該產(chǎn)品經(jīng)檢測(cè)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

圖2 失效油管接箍擰接夾持位置Fig.2 Clamping position of the failure tubing coupling

2 理化檢驗(yàn)

為了確定接頭失效是否與管材性能有關(guān)，對(duì)失效油管抽樣進(jìn)行理化性能試驗(yàn)，包括化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)和金相分析。

2.1 失效接頭化學(xué)成分分析

抽取一支失效油管，截取管體和接箍各1個(gè)化學(xué)成分分析試樣，依據(jù)GB/T 4336-2002使用ARL4460型直讀光譜儀和CS444型碳硫分析儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫，試驗(yàn)結(jié)果見表1。依據(jù)API Spec 5CT-2011《套管和油管規(guī)范》[10]，管體和接箍的化學(xué)成分均合格。

表1 接頭化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the connection (mass fraction) %

2.2 失效接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

從抽取的失效油管的管體和接箍上分別制取3個(gè)縱向拉伸試樣。管體試樣為板狀，規(guī)格為19.1 mm×50 mm；接箍試樣為圓棒狀，規(guī)格為φ6.25 mm×25 mm。依據(jù)ASTM E8/E8M-2008在RBO600型電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表2。依據(jù)API Spec 5CT-2011，管體和接箍的拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

表2 接頭拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the connection

2.3 失效接頭金相分析

從抽取的失效油管的管體和接箍上分別制取金相試樣進(jìn)行分析。結(jié)果顯示油管管體和接箍顯微組織均為珠光體+鐵素體，如圖3和圖4所示。管體晶粒度等級(jí)為8.5級(jí)，夾雜物含量為：A0.5,B1.5,C0,D0.5。接箍晶粒度等級(jí)為8.5級(jí)，夾雜物含量為：A0.5,B0.5,C0,D0.5。管體和接箍的顯微組織均未見異常。

圖3 失效油管管體顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the failure tubing body

圖4 失效油管接箍顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the failure tubing coupling

3 螺紋參數(shù)及幾何尺寸檢測(cè)

3.1 加厚油管螺紋參數(shù)檢測(cè)

對(duì)與失效油管同批次未使用油管接頭的螺紋參數(shù)進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，共抽查了8組內(nèi)外螺紋，檢測(cè)項(xiàng)目包括螺紋緊密距、齒高偏差、錐度、螺距偏差等參數(shù)，檢測(cè)結(jié)果見表3。對(duì)比API Spec 5B-2008[5]相應(yīng)要求，抽查的油管接頭的螺紋參數(shù)均合格。

表3 加厚油管螺紋參數(shù)Tab.3 Thread parameters of the upset tubing

3.2 加厚油管幾何尺寸檢測(cè)

對(duì)失效批次油管的幾何尺寸進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，共抽查了8組，檢測(cè)項(xiàng)目包括管體外徑D、壁厚t，加厚部位外徑D4、管端到加厚開始減小處長(zhǎng)度Leu、接箍長(zhǎng)度Nl、接箍外徑W等，檢測(cè)結(jié)果見表4。對(duì)比API Spec 5CT-2011[10]相應(yīng)要求，抽檢油管的幾何尺寸均合格。

4 分析與討論

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，失效油管管體和接箍的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，顯微組織也無異常。同批次油管螺紋參數(shù)及幾何尺寸檢測(cè)結(jié)果也均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

通過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查得知，該批油管下井前，未清洗干凈螺紋上的儲(chǔ)存脂和雜物，下井時(shí)采用人工對(duì)中，擰接采用液壓大鉗上扣。經(jīng)查擰接記錄，液壓大鉗產(chǎn)生的扭矩約4 000 N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過API RP 5C1-1999推薦的上扣扭矩3 120 N·m，也超過標(biāo)準(zhǔn)可接受變化量的最大扭矩3 900 N·m；過大的夾持力會(huì)造成接箍現(xiàn)場(chǎng)端變形；未合理控制上扣扭矩會(huì)導(dǎo)致扭矩過大從而造成螺紋損傷；螺紋表面存留雜物和對(duì)扣不對(duì)中也會(huì)導(dǎo)致上扣時(shí)螺紋被損傷。

表4 加厚油管幾何尺寸Tab.4 The geometry of the upset tubing

綜合試驗(yàn)結(jié)果和施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，分析認(rèn)為下井?dāng)Q接操作中未合理控制上扣扭矩導(dǎo)致扭矩過大是造成油管接頭嚴(yán)重?fù)p傷失效的主要原因，人工對(duì)中引起的擰接偏斜也在一定程度上促使螺紋受到損傷。

5 結(jié)論及建議

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，擰接操作不符合規(guī)范要求，導(dǎo)致夾持部位出現(xiàn)偏差、擰接扭矩過大，是造成油管螺紋損傷的主要原因。

建議在煤層氣開發(fā)中使用管材時(shí)，一方面要保證管材質(zhì)量符合要求，另一方面現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，從而確保煤層氣開發(fā)用管材的使用安全。

[1] 秦勇,袁亮,胡千庭,等.我國(guó)煤層氣勘探與開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(10):1-6.

[2] 呂拴錄,李元斌,王振彪,等.高壓氣井不銹鋼油管特殊螺紋接頭工廠端泄漏和腐蝕原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2014,50(9):699-702.

[3] 張鈞,趙國(guó)仙,呂祥鴻,等.塔里木油田某井油管脫落原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2014,50(11):845-848.

[4] 劉建勛,呂拴錄,高運(yùn)宗,等.塔里木油田非API油、套管失效分析及預(yù)防[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2013,49(6):416-418.

[5] API Spec 5B-2008 套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范[S].

[6] 張毅,陳建初,陳甦.使用液壓鉗對(duì)油管粘扣的影響分析[J].石油機(jī)械,2002,30(11):4-7,18.

[7] API RP 5C5-2003 套管和油管接頭評(píng)價(jià)試驗(yàn)推薦做法[S].

[8] 呂拴錄,李鶴林,藤學(xué)清,等.油套管粘扣和泄漏失效分析綜述[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2011,40(4):21-25.

[9] API RP 5C1-1999 套管和油管維護(hù)和使用推薦做法[S].

[10] API Spec 5CT-2011 套管和油管規(guī)范[S].

Failure Analysis on Damage of Upset Tubing Threaded Connections Used for Coal-bed Gas Development

YAN Kai1, YANG Sheng-bin2, YANG Hong-bing1, WEI Dong1, WANG Dong-lin1, TIAN Xin-xin1

(1. CNPC Tubular Goods Research Institute, Xi’an 710077, China; 2. Drilling Division, China Oilfield Services Limited, Sanhe 065201, China)

The threaded connections of 2-7/8″ (73.02 mm) upset tubing used for coal-bed gas development were seriously damaged after passing and washing well in gas production test. The oil field service condition and operation were surveyed and diagnosed. The extrinsic feature, chemical compositions, mechanical properties and microstructure of the failure connections were analyzed. The same batch upset tubing’s thread parameters were inspected. The results show that the misoperation of make-up was the main reason for the damage failure of the threaded connections, and some suggestions were put forward for safe use of tubings.

coal-bed gas; upset tubing; threaded connection; damage; failure analysis

10.11973/lhjy-wl201704012

2016-02-29

閆 凱(1985-),男，工程師，碩士，主要從事石油管相關(guān)研究與技術(shù)服務(wù)工作，yank@cnpc.ocm.cn。

TE931

B

1001-4012(2017)04-0280-04

質(zhì)量控制與失敗分析