外加厚P110油管接頭的脫扣原因

胡芳婷, 趙密鋒, 李 巖, 耿海龍, 鄺獻(xiàn)任

(1.中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院, 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所, 西安 710077)

API(美國(guó)石油協(xié)會(huì))外加厚油管在油田中被廣泛使用，與不加厚油管相比，外加厚油管通過(guò)接頭增強(qiáng)了連接強(qiáng)度。以φ88.9 mm×6.45 mm外加厚P110油管為例,按照GB/T 20657-2011《石油天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和用作套管或油管的管線管性能公式及計(jì)算》計(jì)算，外加厚油管接頭使油管強(qiáng)度提高了1.37倍。但隨著油田地質(zhì)條件和使用工況日益苛刻，外加厚油管會(huì)出現(xiàn)多起粘扣、脫扣事故。 這些事故的起因與現(xiàn)場(chǎng)操作、螺紋脂、油管質(zhì)量等因素息息相關(guān)，但對(duì)外加厚油管接頭來(lái)說(shuō)上扣扭矩也是影響其性能和壽命的主要因素。一般來(lái)說(shuō)上扣扭矩過(guò)大，易發(fā)生粘扣；上扣扭矩過(guò)小，易發(fā)生脫扣[1-10]。筆者對(duì)某井φ88.9 mm×6.45 mm外加厚P110油管接頭脫扣原因進(jìn)行了分析，并核算出該種油管的上扣扭矩范圍。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 基本情況

某井下完井投放一體化管柱至深度4 009.82 m時(shí)，突然遇阻，上提管柱時(shí)，φ88.9 mm×6.45 mm外加厚P110油管第17根(從上至下)與下部油管母扣脫開(kāi)，其余全部落井。油管外表面呈亮黑色，無(wú)明顯大鉗咬傷痕跡；外螺紋整體呈金屬光澤，自端面起到第6扣螺紋牙可見(jiàn)明顯變形、拉脫痕跡，第6扣螺紋牙至外螺紋消失區(qū)域的螺紋牙完整，如圖1所示。

內(nèi)螺紋區(qū)域與外螺紋區(qū)域相對(duì)應(yīng)，在內(nèi)螺紋起始端至第6扣螺紋牙，螺紋變形嚴(yán)重，呈明顯拉脫痕跡，第6扣內(nèi)螺紋牙至內(nèi)螺紋末端，內(nèi)螺紋表面呈灰黑色，磷化層完好，表面呈輕微劃傷狀，如圖2所示。

1.2 參數(shù)測(cè)量

采用千分尺對(duì)脫扣管體和接箍的外徑、壁厚進(jìn)行尺寸測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)尺寸均滿足訂貨技術(shù)協(xié)議要求。

表1 油管管體外徑及壁厚測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of outer diameter and wall thickness of tubing body mm

選取與脫扣油管同批次、同規(guī)格加工的6組新油管進(jìn)行螺紋檢測(cè)，結(jié)果均符合訂貨技術(shù)協(xié)議要求。

1.3 化學(xué)成分分析

在脫扣油管的接箍和管體取化學(xué)成分分析試樣，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)其硫、磷元素含量滿足訂貨技術(shù)協(xié)議要求。硫元素含量越高，鋼的熱脆性就會(huì)越嚴(yán)重；磷元素的存在會(huì)使鋼產(chǎn)生冷脆性，使鋼的冷加工性能和焊接性能變差。

表2 脫扣油管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the tripped tubing (mass fraction) %

1.4 拉伸試驗(yàn)

在脫扣油管接箍和管體取縱向拉伸試樣，采用UH-F500KNI型拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。可見(jiàn)其拉伸性能均滿足訂貨技術(shù)協(xié)議的要求。

表3 脫扣油管接箍和管體的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Tensile test results of trip tubing coupling and tubing body

1.5 金相檢驗(yàn)

從脫扣油管管體和接箍?jī)?nèi)螺紋取金相試樣，采用MEF4M型金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖3和圖4所示?？梢?jiàn)管體晶粒度等級(jí)為9.0級(jí)，接箍晶粒度等級(jí)為8.5級(jí)，其顯微組織主要為回火索氏體。

圖3 脫扣油管接箍顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of trip tubing coupling

圖4 脫扣油管管體顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of tubing body

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，油管的幾何尺寸、螺紋參數(shù)、化學(xué)成分、拉伸性能和顯微組織均符合油田訂貨技術(shù)協(xié)議的要求。

2 不同扭矩下的實(shí)物拉伸試驗(yàn)

對(duì)于常用的φ88.9 mm外加厚油管，GB/T 17745-2011《石油天然氣工業(yè)套管和油管的維護(hù)與使用》中僅列出最高P105鋼級(jí)外加厚油管的推薦扭矩值，沒(méi)有P110鋼級(jí)外加厚油管推薦扭矩，根據(jù)GB/T 20657-2011規(guī)定接頭滑脫強(qiáng)度的1%為推薦扭矩值，8牙圓螺紋套管接頭滑脫強(qiáng)度Pj公式為

式中：Ajp為管體大端最后一個(gè)完整螺紋處橫截面面積；Let為有效螺紋長(zhǎng)度;D為管體名義外徑；fumnp為管體規(guī)定的最小拉伸強(qiáng)度；fymnp為管體規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度。

計(jì)算得到φ88.9 mm×6.45 mm外加厚P110油管接頭的上扣扭矩結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 外加厚P110油管接頭上扣扭矩計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of make-up torque of extra thickened P110 tubing joint N·m

由表4可以看出，計(jì)算得到的扭矩與廠家推薦數(shù)值近似，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，為防止φ88.9 mm×6.45 mm外加厚P110油管發(fā)生粘扣，現(xiàn)場(chǎng)工作人員按照最小扭矩3 000 N·m、最佳扭矩3 300 N·m、最大扭矩3 502 N·m進(jìn)行操作。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)上扣扭矩和廠家推薦扭矩，在復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行軸向拉伸至失效的試驗(yàn)(試樣處于靜載)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同上扣扭矩下拉伸至失效試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Tensile to failure test results with different make-up torque

由表5可知，該批次新油管軸向抗拉性能符合油田訂貨技術(shù)協(xié)議對(duì)P110油管的要求，同時(shí)也表明即使在上扣扭矩較小的情況下，拉伸至失效后只發(fā)生斷裂，而不發(fā)生脫扣，這與文獻(xiàn)[2]中描述相符,同時(shí)文獻(xiàn)[2]還指出“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(dòng)”。

3 有限元模擬

為進(jìn)一步分析φ88.9 mm×6.45 mm外加厚P110油管接頭在不同扭矩下螺紋的受力狀態(tài)，筆者按照文獻(xiàn)[3]所述方法，利用有限元計(jì)算得到各螺紋接觸面的應(yīng)力和牙型的圓環(huán)面積，得到總上扣扭矩T的等效公式

(2)

圖5 螺紋嚙合半徑示意圖Fig.5 Schematic diagram of thread engagement radius

3.1 有限元模型

根據(jù)接頭的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，將接頭的接箍中面處理為對(duì)稱面，且該截面只有徑向位移自由度，采用軸對(duì)稱殼體模型，其應(yīng)力應(yīng)變按照拉伸試驗(yàn)時(shí)真實(shí)數(shù)據(jù)輸入，材料視為均勻的各向同性體，參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 有限元模型的材料性能參數(shù)Tab.6 Material property parameters of finite element model

為消除管端效應(yīng)，建模時(shí)管體長(zhǎng)度取約為螺紋長(zhǎng)度的2倍，螺紋參數(shù)采用中名義尺寸，錐度為1…16，螺紋牙型接觸模式為面面接觸，網(wǎng)格采用CAX4四結(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱四邊形單元進(jìn)行計(jì)算。

3.2 載荷工況和計(jì)算結(jié)果

上扣控制的關(guān)鍵問(wèn)題是如何控制配合螺紋的過(guò)盈量使之產(chǎn)生合適的接觸壓力。同時(shí)采用扭矩-圈數(shù)方法是提高螺紋上扣可靠性的最佳途徑。筆者將上扣圈數(shù)和過(guò)盈量進(jìn)行了換算,從規(guī)定的手緊位置起，施加的過(guò)盈圈數(shù)從0.5圈至3圈，每次增量為0.5圈。一般說(shuō)來(lái)螺紋的上扣扭矩越大，螺紋嚙合的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，分擔(dān)載荷的螺紋就越多。各模型的牙型平均接觸壓力分布情況如圖6所示(牙型從內(nèi)螺紋大端第1扣計(jì)算)。

圖6 各模型的牙型平均接觸壓力Fig.6 Average contact pressure of each model tooth

各模型下計(jì)算的最大等效應(yīng)力如圖7所示。從圖7可以看出上扣2圈時(shí)螺紋的最大等效應(yīng)力最低。

圖7 各模型的最大等效應(yīng)力Fig.7 Maximum equivalent stress of each model

根據(jù)以上有限元計(jì)算結(jié)果并結(jié)合式(2)，得出上扣扭矩和過(guò)盈圈數(shù)具有如圖8所示關(guān)系。

如圖8可知，過(guò)盈0.5圈時(shí)近似于現(xiàn)場(chǎng)施加最小扭矩3 000 N·m，過(guò)盈1圈時(shí)近似于現(xiàn)場(chǎng)施加最小扭矩3 300 N·m，過(guò)盈1.5圈時(shí)等同于廠家推薦最小扭矩4 300 N·m，過(guò)盈2圈時(shí)近似于廠家推薦最佳扭矩5 740 N·m，過(guò)盈2.5圈時(shí)近似于廠家推薦最大扭矩7 170 N·m，過(guò)盈3圈時(shí)螺紋部分單元已發(fā)生屈服，存在塑性變形。可見(jiàn)過(guò)盈圈數(shù)越多，牙型的接觸壓力越大，上扣扭矩就越大，當(dāng)上扣扭矩較大時(shí)，并不利于提高螺紋的連接強(qiáng)度，還會(huì)增加粘扣的可能性。

當(dāng)然上扣扭矩與過(guò)盈量并非簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，在實(shí)際操作中上扣扭矩還受螺紋脂摩擦特性、螺紋表面鍍層、上扣速度、螺紋參數(shù)等影響，加之螺紋本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，力學(xué)分析涉及材料、幾何和接觸邊界的三重非線性問(wèn)題[11]，該有限元中模型是在理想狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為過(guò)盈2圈時(shí)，可使螺紋連接達(dá)到最佳狀態(tài)，考慮其他因素的影響，安全系數(shù)取1.25，將該值作為最大扭矩進(jìn)行推薦。

由上述有限元結(jié)果可知，當(dāng)過(guò)盈1圈(現(xiàn)場(chǎng)上扣扭矩)時(shí)螺紋牙型承載面接觸應(yīng)力較小，幾乎近似于牙型導(dǎo)向面接觸應(yīng)力，說(shuō)明該扭矩下螺紋牙型沒(méi)有進(jìn)行較好的扭矩傳遞，降低了螺紋的連接強(qiáng)度。因此認(rèn)為過(guò)小的上扣扭矩不利于螺紋扭矩的傳遞，在其他徑向載荷的作用下容易發(fā)生脫扣事故，破壞管柱的完整性。

3.3 實(shí)物上扣試驗(yàn)

依據(jù)上述計(jì)算出的最佳、最大扭矩，開(kāi)展了同規(guī)格新油管室溫下的上、卸扣實(shí)物試驗(yàn)。按計(jì)算的最佳扭矩進(jìn)行上、卸扣，可滿足標(biāo)準(zhǔn)是9上9卸后螺紋無(wú)變色、無(wú)損傷、無(wú)粘扣的要求。按計(jì)算的最大扭矩進(jìn)行上、卸扣時(shí)，至第7次時(shí)外螺紋出現(xiàn)中度粘扣。

雖然該試驗(yàn)試樣較少，不排除數(shù)據(jù)的偶然性，但能說(shuō)明按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的最大扭矩作為該規(guī)格的最大上扣扭矩存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)以上實(shí)物上、卸扣試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)，按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的最佳扭矩可作為該規(guī)格油管的最大扭矩值。

4 分析與討論

該φ88.9 mm×6.45 mm外加厚P110油管脫扣失效后螺紋牙型呈明顯的拉脫痕跡，沒(méi)有明顯金屬劃痕、牙型磨平等形貌特征,可排除錯(cuò)扣原因?qū)е碌拿摽邸Ｊв凸艿膸缀纬叽?、化學(xué)成分、拉伸性能和顯微組織均符合油田訂貨技術(shù)協(xié)議要求，同批次、同規(guī)格新油管的螺紋參數(shù)測(cè)量和實(shí)物拉伸試驗(yàn)亦符合訂貨技術(shù)協(xié)議。在靜拉伸載荷下，即使上扣扭矩較小，拉伸失效后油管只發(fā)生斷裂卻未發(fā)生脫扣，說(shuō)明失效油管下部管柱自重對(duì)管柱造成的拉應(yīng)力不是造成脫扣的主要原因。

在有限元中按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的手緊位置，將上扣圈數(shù)和過(guò)盈量進(jìn)行換算，得到螺紋牙型表面接觸應(yīng)力，利用式(2)找到了上扣扭矩和過(guò)盈圈數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般油管在正常上扣連接情況下，接箍?jī)?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。而現(xiàn)場(chǎng)采用較小的上扣扭矩，降低了螺紋的連接強(qiáng)度，在遇阻時(shí)活動(dòng)管柱，油管受到震動(dòng)、井壁摩擦力及其他徑向載荷，使螺紋產(chǎn)生反向滑動(dòng)，發(fā)生松動(dòng)形成脫扣。

對(duì)于φ88.9 mm×6.45 mm外加厚P110油管，其有限元計(jì)算結(jié)果認(rèn)為在按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的最佳扭矩下螺紋達(dá)到最佳狀態(tài)，考慮其他因素的影響，安全系數(shù)取1.25，將該值作為最大扭矩進(jìn)行推薦，實(shí)物上、卸扣試驗(yàn)也驗(yàn)證了該值的可行性。

5 結(jié)論

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采用較小的上扣扭矩時(shí)，會(huì)降低螺紋的連接強(qiáng)度，在遇阻時(shí)活動(dòng)管柱，油管受到震動(dòng)、井壁摩擦力及其他徑向載荷，使螺紋產(chǎn)生反向滑動(dòng)，發(fā)生松動(dòng)形成脫扣。在不考慮螺紋幾何公差配合、螺紋脂摩擦特性、螺紋表面鍍層、上扣速度等因素影響的情況下，認(rèn)為該φ88.9 mm×6.45 mm外加厚P110油管在按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的最佳扭矩下螺紋達(dá)到最佳狀態(tài)，考慮其他因素的影響，安全系數(shù)取1.25。