Φ139.7 mm×9.17 mm N80 LC套管螺紋黏結(jié)原因分析

馮 杰，馬春莉，閆 泓

（渤海石油裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

1 事故情況

我國西北某井在進(jìn)行下套管作業(yè)過程中，Φ139.7 mm×9.17 mm N80 LC套管接頭發(fā)生螺紋黏結(jié)。下套采用液壓鉗扭矩控制上緊。為了找出Φ139.7 mm×9.17 mm N80 LC套管螺紋黏結(jié)的原因，遂在現(xiàn)場共截取螺紋黏結(jié)套管樣件4件，其中內(nèi)、外黏結(jié)螺紋各2件；同時(shí)還截取準(zhǔn)備下井的全新套管外螺紋端及接箍端各3件，外螺紋端編號分別為N1-a、N2-a、N3-a，接箍端編號分別為N1-b、N2-b、N3-b。Φ139.7 mm×9.17 mm N80 LC套管螺紋黏結(jié)宏觀形貌如圖1所示。

2 材質(zhì)分析

2.1 化學(xué)成分

按照API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》在螺紋黏結(jié)管體及接箍上截取試樣，用ARL 4460直讀光譜儀及LECO CS-844型紅外碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析檢測，管體及接箍螺紋黏結(jié)試樣化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1。檢測結(jié)果表明，套管管體及接箍化學(xué)成分滿足中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1572.1—2013《油井管技術(shù)條件 第1部分：無縫套管》及 API Spec 5CT—2011 要求［1-5］。

2.2 力學(xué)性能

圖1 套管螺紋黏結(jié)宏觀形貌

表1 管體及接箍螺紋黏結(jié)試樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果%

按照API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)在管體截取25.4 mm×50 mm板狀縱向拉伸試樣，在接箍上截取Φ6.25 mm×25 mm縱向拉伸試樣，在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；在管體和接箍上分別截取5 mm×10 mm×55 mm夏比V型缺口橫向沖擊試樣并在0℃進(jìn)行沖擊試驗(yàn)［6－14］。管體和接箍縱向拉伸試樣試驗(yàn)以及0℃夏比V型缺口橫向沖擊試樣試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，管體及接箍的拉伸及沖擊性能符合API Spec 5CT—2011及Q/SY 1572.1—2013要求。

表2 管體和接箍縱向拉伸試樣試驗(yàn)以及0℃夏比V型缺口橫向沖擊試樣試驗(yàn)結(jié)果

2.3 金相分析

按照API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求在管體截取金相試樣，依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》、GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》及GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》進(jìn)行顯微組織分析，檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求且并未發(fā)現(xiàn)其他不正常的組織。1～4號試樣的非金屬夾雜物等級，除A類（?。類（薄）、D類（薄）為0.5外，其余都為0；晶粒度為10級。試樣材料金相顯微組織如圖2所示。

3 螺紋參數(shù)檢測

按照API Spec 5B—2008《套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗(yàn)規(guī)范》對現(xiàn)場截取的3對全新套管進(jìn)行螺紋參數(shù)檢測，檢測設(shè)備為工作量規(guī)、單項(xiàng)儀及游標(biāo)卡尺。套管外螺紋端及接箍端螺紋參數(shù)檢測結(jié)果見表3～4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，套管螺紋各項(xiàng)參數(shù)滿足API Spec 5B—2008、 API Spec 5CT—2011 及 Q/SY 1572.1—2013要求。

4 上卸扣試驗(yàn)

圖2 試樣材料金相顯微組織

表3 套管外螺紋端螺紋參數(shù)檢測結(jié)果

表4 套管接箍端螺紋參數(shù)檢測結(jié)果

按照API RP 5C5—2017《套管和油管接頭試驗(yàn)程序推薦做法》對現(xiàn)場截取的3對全新套管進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，上卸扣試驗(yàn)條件見表5，上卸扣試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果見表6。所取樣管均為全新套管。試驗(yàn)前對編號1N及2N的樣管螺紋重新進(jìn)行清洗及涂抹螺紋脂；編號3N的樣管保持現(xiàn)場人員清潔涂抹的狀態(tài)。套管管體和接箍起始黏結(jié)螺紋如圖3所示。

外螺紋黏結(jié)部位為第2～5個(gè)螺紋、第17～20個(gè)螺紋；內(nèi)螺紋起始螺紋黏結(jié)（圖3）。

表5 上卸扣試驗(yàn)條件

5 螺紋黏結(jié)形貌分析

對螺紋黏結(jié)管體外螺紋與接箍內(nèi)螺紋形貌進(jìn)行分析，可以看到失效套管外螺紋從第1～22個(gè)螺紋均有嚴(yán)重?fù)p傷，螺紋牙型均不完整，甚至出現(xiàn)溝壑，而第23～25個(gè)螺紋牙型較為完整，沒有明顯的變形。

表6 上卸扣試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果

與外螺紋相嚙合的接箍內(nèi)螺紋牙型同樣損傷嚴(yán)重，螺紋牙頂完全磨平，起始螺紋位置損傷較為突出，甚至出現(xiàn)溝壑，如圖1所示。

圖3 套管管體及接箍起始黏結(jié)螺紋

6 綜合分析

通過上述分析，可以判斷：現(xiàn)場螺紋清洗不徹底及作業(yè)不規(guī)范是套管螺紋發(fā)生黏結(jié)的根本原因。

螺紋黏結(jié)屬于黏著磨損，即在上卸扣過程中管體和接箍的螺紋嚙合表面相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面所引起的磨損。黏著磨損是一個(gè)受多因素影響的復(fù)雜過程，螺紋黏結(jié)主要受螺紋參數(shù)、表面光潔度、材料性能、接箍表面處理狀態(tài)、螺紋脂、上卸扣操作等因素影響。

通過對螺紋黏結(jié)管體和接箍黏結(jié)螺紋力學(xué)性能進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其各項(xiàng)指標(biāo)均符合API Spec 5CT—2011要求。同批次新套管試樣的螺紋參數(shù)符合API Spec 5B—2008和API Spec 5CT—2011要求，在3次上卸扣試驗(yàn)中，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行螺紋清洗、干燥、均勻涂抹CATTS101螺紋脂，內(nèi)、外螺紋均未發(fā)生黏結(jié)，接箍表面處理層完好。表明螺紋的抗黏結(jié)性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

對失效套管的螺紋黏結(jié)部位進(jìn)行宏觀分析可知，黏結(jié)部位從內(nèi)、外起始螺紋位置開始，從螺紋消失端起至螺紋中部4～5個(gè)螺紋基本完好，隨后螺紋損傷特別嚴(yán)重，形成擠壓磨痕，已看不出齒形的外觀輪廓。造成這種情況的原因很可能是在對錯(cuò)螺紋的情況下就開始旋合，導(dǎo)致螺紋黏結(jié)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，旋合部位溫度升高形成焊點(diǎn)，強(qiáng)行拆卸最終剝離基體；也有可能是存在于螺紋金屬表面的沙粒等硬質(zhì)顆粒導(dǎo)致螺紋在過盈接觸及摩擦運(yùn)動(dòng)過程中，發(fā)生塑性變形、擠壓剝落、犁溝和嵌入金屬的損傷，從而發(fā)生黏結(jié)，這一點(diǎn)可以從上卸扣試驗(yàn)中得到證實(shí)。

7 結(jié) 語

（1）套管材料理化性能及螺紋參數(shù)符合API Spec 5CT—2011、API Spec 5B—2008及Q/SY 1572.1—2013要求。

（2）現(xiàn)場螺紋清洗不當(dāng)及作業(yè)不規(guī)范是套管螺紋發(fā)生黏結(jié)的根本原因。