套管抗螺紋黏結(jié)性能的試驗研究*

趙 勇

（寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

螺紋黏結(jié)是套管服役過程中常見的失效形式。研究表明：套管的材料性能、上扣扭矩、螺紋的加工參數(shù)及公差、螺紋表面處理、上卸扣操作等對套管螺紋的抗黏結(jié)性能都有影響［1-3］?，F(xiàn)進行套管螺紋的抗黏結(jié)性能試驗，以期使套管的抗螺紋黏結(jié)性能得到改善。

1 試驗材料及方法

試驗采用的設備為螺紋上卸扣扭矩試驗系統(tǒng)，由試驗臺架、試樣夾持系統(tǒng)、計算機控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動力大鉗、背鉗、扭矩儀、液壓動力站等組成，實現(xiàn)在設定扭矩條件下的自動上、卸扣控制以及最大扭矩范圍內(nèi)設定轉(zhuǎn)速下的扭矩值，轉(zhuǎn)速的采集、記錄和輸出。

試驗采用的套管規(guī)格為Φ139.7 mm×9.17 mm，鋼級為P110，螺紋類型為LC，選定兩組套管分別編號為X和Y，并依照試驗需求，參數(shù)測量后選定第三組套管，編號為Z。

根據(jù)ISO 13679∶2002《石油天然氣工業(yè) 套管及油管螺紋連接試驗程序》，現(xiàn)場端油管應進行9次上卸扣，套管應進行2次上卸扣，工廠端僅上扣1次。因此，試驗的具體方法為：上扣前對套管螺紋參數(shù)（錐度、螺距、齒高、緊密距等）進行定量檢測；所使用螺紋脂牌號BestolifeR40IORNM，用量（35±2）g。上扣時螺紋脂用天平稱量，均勻涂抹，所有試樣螺紋脂用量保持一致，排除螺紋脂過量等干擾因素；最后對套管現(xiàn)場端進行3次上扣2次卸扣操作，并對結(jié)果進行分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 螺紋參數(shù)檢測結(jié)果

上卸扣試驗前套管X和Y的工廠端按照ISO 13679∶2002已經(jīng)上扣好，只針對現(xiàn)場端進行3次上扣2次卸扣試驗。上扣前對套管X和Y的螺紋參數(shù)進行檢驗，外螺紋接頭和內(nèi)螺紋接頭檢測結(jié)果見表 1～2。

表1 外螺紋接頭檢驗結(jié)果

表2 內(nèi)螺紋接頭檢驗結(jié)果

從表1～2可以看出：套管X和Y內(nèi)螺紋接頭和外螺紋接頭的緊密距、錐度、螺距偏差和牙型高度偏差均符合API Spec 5B—2008《套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規(guī)范》的要求。

2.2 上卸扣結(jié)果分析

上扣前，涂抹螺紋脂，螺紋脂的使用要求和油田現(xiàn)場作業(yè)要求相同，用高精度天平稱量，在接箍和套管螺紋的整個嚙合表面均勻涂抹螺紋脂，應滿足ISO 13679∶2002標準相關要求，一般以螺紋脂涂抹完成后，仍能清晰看見螺紋為準。上卸扣試驗條件見表3。從表3可以看出：套管X和Y的上扣次數(shù)均為3次，前兩次的上扣扭矩值為9 650 N·m，第三次上扣的上扣扭矩值為7 720 N·m。

表3 上卸扣試驗條件

套管X和Y進行3次上扣2次卸扣的實際上扣扭矩和卸扣扭矩見表4。從表4可以看出：套管X第一次和第二次上扣的實際扭矩分別高于試驗條件146 N·m和188 N·m，第三次上扣扭矩比試驗條件小44 N·m。根據(jù)ISO 13679∶2002，若使用高扭矩，則最大扭矩的95%或更高可接受；若使用低扭矩，則最小扭矩的105%或更低是允許的；因此，套管X的實際扭矩值滿足試驗條件；套管Y第一次和第二次上扣的實際扭矩值分別低于試驗條件48 N·m和89 N·m，滿足試驗條件。套管Y因為在第二次卸扣后，螺紋已經(jīng)出現(xiàn)了嚴重的螺紋黏結(jié)現(xiàn)象，因此未進行第三次上扣試驗。

表4 套管X和套管Y進行3次上扣2次卸扣的實際上扣扭矩和卸扣扭矩

套管Y進行2次上扣2次卸扣后外螺紋形貌和內(nèi)螺紋形貌如圖1所示?？梢钥闯觯禾坠躖進行2次上扣2次卸扣后在外螺紋端從第11扣到第19扣出現(xiàn)螺紋黏結(jié)，內(nèi)螺紋端第1扣出現(xiàn)螺紋黏結(jié)。這主要是由于套管接頭上扣后，在接頭兩端有較高的接觸應力，而且接箍端部的接觸應力大于管體端部，而接觸應力直接增大界面摩擦阻力，增大螺紋黏結(jié)傾向，是引起黏結(jié)的核心要素。造成螺紋黏結(jié)的主要因素不僅和螺紋參數(shù)的設計有關，還和上扣扭矩有關。上扣扭矩既可起到增大齒面接觸應力的作用，又增加螺紋嚙合部位的有效應力應變分布，降低材質(zhì)在外力作用下的形變抗力，從而引發(fā)螺紋黏結(jié)，是引起螺紋黏結(jié)的主要外力因素。

圖1 套管Y第二次卸扣后螺紋形貌

多項研究表明［4-5］：接箍端部的接觸應力與螺紋的錐度、緊密矩密不可分。從表1～2可以看出：在錐度相同的情況下，套管X和Y外螺紋接頭的緊密矩差別較大；套管X和Y內(nèi)螺紋接頭的緊密矩和錐度均相差較大。

為了進一步驗證緊密矩對螺紋抗黏結(jié)性能的影響，從一批Φ139.7 mm×9.17 mm套管中選出試樣Z，套管Z內(nèi)螺紋參數(shù)與套管Y內(nèi)螺紋的一致，套管Z外螺紋的緊密矩增大至0.44 mm，其余參數(shù)與套管Y外螺紋的相同。對試樣Z進行上卸扣試驗，結(jié)果見表5。套管Z第二次卸扣后螺紋形貌如圖2所示。從表4～5和圖2可以看出：其他參數(shù)不變，外螺紋緊密矩增加后，第一次和第二次上扣的實際扭矩值均有所增加；增加緊密矩使套管螺紋抗黏結(jié)性能得到提高，螺紋接觸面幾乎無黏結(jié)現(xiàn)象。

表5 套管Z的上卸扣結(jié)果

圖2 套管Z第二次卸扣后螺紋形貌

2.3 現(xiàn)場操作對螺紋抗黏結(jié)性能的影響

多項研究表明［6-9］：設備整體精度及操作過程的控制對油套管螺紋的抗黏結(jié)性能有很大的影響，如一般表現(xiàn)為上扣不當使扭矩值過大，從而增大齒面接觸應力，導致螺紋黏結(jié)。因此，在確保設備精度的前提下，可通過現(xiàn)場操作提高上扣質(zhì)量。

（1）上扣速度。經(jīng)過大量套管上卸扣試驗得出：當接箍表面溫度超過60℃，螺紋處可能已經(jīng)發(fā)生黏結(jié)，建議上扣速度應小于25 r/min。

（2）背鉗的選擇。通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，當鉗牙少于6個，采用4個鉗牙對油套管進行上卸扣，發(fā)現(xiàn)接箍在試驗后變形量為0.3～0.5 mm，變形后螺紋接觸應力會加大，影響上扣扭矩以致螺紋黏結(jié)。建議采用6個及以上鉗牙均勻夾持接箍。

（3）背鉗的夾持位置。當背鉗夾持現(xiàn)場端，手緊接頭，螺紋間存在間隙，在較大夾持力作用下，螺紋間等效應力及接觸應力值較大。當夾持位置在工廠端，工廠端機緊上扣，螺紋緊密接觸，現(xiàn)場端螺紋接觸應力變小。因此，在同等的夾持力作用下，夾持位置應盡量靠近工廠端，在大量上卸扣試驗基礎上，得出夾持位置距接箍工廠端端面1/3接箍長度最佳。

3 結(jié) 論

（1）在其他螺紋參數(shù)不變的情況下，改變套管外螺紋的緊密矩，不僅可以提高上卸扣扭矩值，且可顯著影響螺紋的抗黏結(jié)性能。

（2）通過控制上扣速度、選擇合適的背鉗及控制背鉗的夾持位置，有利于油套管螺紋抗黏結(jié)性能的提高。