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某井偏梯形螺纹接头脱扣原因分析

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某井偏 梯形 螺纹 接头 原因 分析
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第 37 卷 第 4 期2012 年 4 月F 37 4012某井偏梯形螺纹接头脱扣原因分析潘志勇1, 陈 鹏2, 王建军1, 张华佳1, 宋生印1, 王新虎1( 1. 中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管工程重点实验室 , 陕西 西安 710065;2. 中国石油吉林油田公司 质量节能处 , 吉林 松原 138000)摘要 : 某直井发生接箍工厂端偏梯形特殊螺纹套管滑脱 , 下部套管柱落井未能打捞出 。针对此起脱扣事故 , 采用理论与试验相结合的方法 , 对脱扣接箍的化学成分和力学性能进行了分析和测试 , 对同批次两组套管试样螺纹参数进行了测量和实物试验 , 另外对脱扣接箍工厂端和现场端以及同批次新接箍工厂端内螺纹承载面和导向面处显微组织进行了比较 。结果表明 , 接箍工厂端上扣扭矩过小是导致套管脱扣失效的主要原因 , 同时文章也说明螺纹接触处的显微组织比较分析法是解决此类问题的一个重要手段 。关键词 : 偏梯形螺纹 ; 脱扣 ; 接箍 ; 原因分析 ; 显微组织中图分类号 : 献标志码 : A 文章编号 : 02542012) 04of a 1. Xi'10065, . 38000, A of a in a t be of on by of of on of at of of is to at of at on of is a to ey 2011 中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目( 2008200820082008者简介 : 潘志勇 ( 1976—) , 男 , 湖北天门人 , 工程师 , 硕士 , 主要从事石油管材失效分析和科学研究 ; 发 表 论 文 18 篇 。联 系 电 话 : 02963. 接箍两端通过螺纹和套管连接而形成管柱 , 接箍一端首先在工厂和套管进行螺纹连接 , 被连接的接箍端和套管端称作工厂端 , 接箍另一端须在油田现场和套管进行螺纹连接 , 在现场连接的接箍端和套管端称作现场端 。螺纹和偏梯形螺纹是连接套管和接箍最为常见的两种螺纹形式 ,但圆螺纹接头由于连接效率低容易发生脱扣失效[ 1而偏梯形螺纹接头由于连接强度高而在深井或超深井中广泛使用 。随着井深的增加以及井下环境的日益苛刻 , 具有高连接强度和良好密封性能的偏梯形特殊螺纹接头被成功开发并在很多油田使用[ 4一直以来 , 石油工作者对于提高螺纹接头连接强度的研究主要针对圆螺纹接头[ 6 由于偏梯形螺纹接头很少发生脱扣失效 , 所以针对偏梯形特殊螺纹接头抗滑脱的研究或报道比较少 。某井发生偏梯形特殊螺纹接头脱扣事故 , 导致下部套管落井并造成大的经济损失 , 为查找偏梯形特殊螺纹接头脱扣原因 , 防止类似事故的再次发生 , 笔者对该起事故原因进行了全面的分析 。图 1 外螺纹示意图 of 场概况某直井表层套管设计深 3200 m, 使用规格为339. 72 12. 19 级为 110 偏梯形特殊螺纹表层套管 , 外螺纹形状见图 1。该井在下套管至2942 m 时悬重为 1600 出口不返泥浆 , 继续下套管 5根至 3001 m, 环空仍不返泥浆 , 随后接循环头 , 开小排量泵 , 泵压突然从 8 降至 3 悬重仍然为1600 后起出长度为 1509 m 的套管 131 根 , 发现套管从接箍工厂端脱落 , 下部套管柱落井未能打捞出 。第 4 期 潘志勇 , 等 : 某井偏梯形螺纹接头脱扣原因分析 125现场下钻至 3018 m 和 3090 m 分别遇阻 , 在下套管至 2919 m 有遇阻显示 , 在下最后 5 根套管过程中因遇卡而大幅上下活动套管 。下套管前的井眼轨迹测量数据显示套管脱扣位置附近井眼无弯曲 。对脱扣的同批次套管试样进行几何尺寸和螺纹参数检测 , 结果显示套管试样外径 、壁厚和螺纹参数均符合 管和油管规范 》[ 10]和 B《套管 、油管和管线管螺纹的加工 、测量和检验规范 》[ 11]标准及订货技术协议要求 。2 宏观分析脱扣接箍工厂端损伤形貌见图 2, 按图 2 所示将端面圆周平分成 8 等份 , 端面明显豁口数为 4 个且关于 4 ~8 平面对称分布 , 推测豁口是由于接箍脱扣后接箍工厂端猛烈撞击脱扣的外螺纹管端而产生的 。接箍端面缺口 Ⅰ深达 18 缺口 Ⅲ深 15 缺口 Ⅱ和缺口 Ⅳ较浅 , 脱扣接箍密封台肩局部有挤压损伤痕迹 。将脱扣接箍解剖开 , 发现接箍现场端内螺纹 10 ~图 2 脱扣接箍工厂端损伤形貌 of of 导向面存在轻微粘扣 , 而工厂端内螺纹 10 ~ 14扣导向面或承载面未见粘扣痕迹 , 工厂端局部 1 ~5 扣承载面显示轻微滑脱痕迹 。脱扣接箍现场端外螺纹形貌见图 3, 可见黑皮扣起始扣随圆周方位的不同而存在较大差异 , 黑皮扣有的方位从 13 扣开始 , 有的方位从 21 扣开始 , 这会对套管的连接强度造成影响 。图 3 脱扣接箍现场端外螺纹形貌 of of 结果显示 : 脱扣接箍和现场端管体均发生了椭圆变形 , 并且离接箍工厂端端面越近的地方变形越严重 。3 材质分析3. 1 化学成分石油工业用管材按钢级进行分类 , 材料未规定具体牌号 , 只对其中几种化学元素进行限制 , 在脱扣接箍和现场端管体上取样用 460 直读光谱仪和红外碳硫分析仪进行化学成分检测 ,结果见表 1, 可见管体和接箍化学成分符合 准要求 。表 1 管体和接箍化学成分 ( 质量分数 , %) of 项目 C n P S o b V . 37 0. 24 1. 49 0. 013 0. 012 0. 036 0. 0015 0. 017 <0. 001 0. 095 0. 0050 0. 031现场端管体 0. 24 0. 25 1. 50 0. 0084 0. 011 0. 020 0. 0011 0. 014 <0. 001 0. 045 0. 0021 0. 017求 — — — ≤0. 030 ≤0. 030 — — — — — — —3. 2 力学性能在脱扣接箍和现场端管体上分别截取直径为8. 9 圆棒纵向拉伸试样在室温条件下进行拉伸试验 , 在脱扣接箍和现场端管体上分别截取 7. 5 10 55 夏比 V 型缺口横向冲击试样在 0 ℃进行冲击试验 , 结果见表 2, 管体和接箍抗拉强度和屈服强度符合 准要求 , 管体夏比吸收能符合 准要求 , 脱扣接箍夏比吸收能低于 准要求 。3. 3 显微组织在脱扣接箍和现场端管体上分别取样进行金相观察和分析 , 检测结果均为 : 组织为回火索氏体 + 铁素体+ 上贝氏体 , 组织晶粒度为 9. 5 级 , 非金属夹杂物为5、5、5, 脱扣接箍显微组织见图 4。3. 4 实物试验在室温条件下对同批次的两组套管试样按最佳扭矩进行 1 次上扣后的拉伸和静水压试验 , 对同批次套管管体进行外压挤毁试验 , 试验结果均符合相关标准126 第37 卷表 2 管体和接箍的抗拉强度 、屈服强度及冲击吸收能量 of 5/40 38935 825 37945 840 39943 835 38900 790 23905 790 23880 760 22895 780 23求 ≥862 758 ~965 管体 ≥16; 接箍 ≥30图 4 脱扣接箍显微组织 of 4 螺纹显微分析在脱扣接箍不同圆周方位截取试样分别进行承载面和导向面处纵向截面的金相观察 , 结果显示脱扣接箍现场端螺纹所有承载面和导向面均发现有白亮层组织 ( 见图 5) , 而工厂端螺纹所有承载面和导向面均未发现异常组织 。白亮层组织是一种在高温下快速冷却形成的马氏体组织 , 内外螺纹上扣过程中在过盈状态下接触摩擦生热而后快速冷却容易在承载面或导向面形成白亮层组织 , 同等条件下 , 过盈量越大 、上扣速度越大 , 产生的热量越多 , 越容易生成白亮层组织 。在同批次接箍工厂端不同圆周方位截取试样分别进行承载面和导向面处纵向截面的金相观察 , 结果显示接箍工厂端螺纹靠齿底处承载面均存在轻微组织变形 ( 见图 6) , 局部存在白亮层 , 工厂端螺纹导向面组织未见变形 。图 5 脱扣接箍现场端螺纹白亮层组织 of on of 同批次接箍工厂端螺纹组织变形形貌 of of of 合分析5. 1 材质显微组织分析准要求 级的套管和接箍必须进行淬火和回火热处理 , 淬火碳钢在 500 ~650 ℃高温回火时得到回火索氏体 , 如果在淬火过程中冷却不足 , 容易在管体中间部位形成上贝氏体 。上贝氏体是在贝氏体转变区的较高温度范围形成的 , 又称高温贝氏体 , 上贝氏体中由于铁素体板条较粗 , 且板条间分布着较粗大的碳化物 , 所以在两者的界面上易萌生裂纹 , 而且小角晶界难以阻止裂纹的扩展 , 致使韧性降低 。金相分析显示脱扣接箍和现场端管体组织中均存在不同程度的上贝氏体组织 , 落锤试验显示接箍冲击性能低于标准要求 , 所以管材在淬火过程中应保证水淬时间 , 这样才能在后续回火过程中得到性能优良均匀一致的回火索氏体 。5. 2 上扣扭矩比较分析接箍现场端和工厂端由同一数控加工程序加工而成 , 由于数控加工精确且稳定性高 , 现场端和工厂端的螺纹参数相差很小 , 可视为一样 , 另外 , 同批次的外螺纹也可视为一样 。假定工厂上扣速度和使用第 4 期 潘志勇 , 等 : 某井偏梯形螺纹接头脱扣原因分析 127的螺纹脂与油田现场相同 , 则在上扣扭矩相同的情况下 , 接箍现场端和工厂端受力过程是一致的 。脱扣接箍现场端螺纹承载面和导向面均存在白亮层组织而工厂端螺纹承载面和导向面无白亮层组织说明现场端上扣扭矩比工厂端大 。同批次接箍工厂端内螺纹承载面均存在轻微组织变形且局部存在白亮层 , 对比脱扣接箍工厂端内螺纹承载面和导向面均不存在组织变形且无白亮层说明脱扣接箍比同批次接箍工厂端上扣扭矩小 。5. 3 综合分析偏梯形大直径套管在使用过程中发生的脱扣现象主要与产品几何尺寸 、材质性能 、螺纹参数 、上扣扭矩以及现场操作等方面因素有关 。经测试 , 管体和接箍的化学成分 、抗拉强度 、屈服强度 、几何尺寸 ( 表 3) 均满足 准要求 ,而脱扣接箍横向夏比冲击吸收能量低于标准要求值 。由于脱扣接箍未发生纵向开裂所以横向夏比吸收能低对脱扣事故发生的影响很小 。由于套管和接箍螺纹参数是合格的 , 又由于偏梯形螺纹连接效率很高且外螺纹和内螺纹分别由同一数控加工程序加工而成 , 所以推测螺纹参数方面不是套管脱扣失效的原因 。套管在操作过程中 , 受到轴向拉力最大的是井口处的套管 , 脱扣失效相对容易在此处发生 , 而本次套管脱扣发生在整个管柱中间部位工厂端上 , 油田现场记录显示套管脱扣前后的两次悬重为 1600 远小于技术协议要求的 9259 所以推测现场操作方面也不是套管脱扣失效的主要原因 。表 3 管体和接箍几何尺寸 of 68 11. 96 365. 54 310. 15341. 98 12. 17 365. 82 310. 13342. 00 12. 58 365. 42 310. 18341. 89 12. 24 365. 59 310. 15求338. 00 ~343. 10≥10. 67362. 00 ~368. 20308. 00 ~311. 20在套管柱提拉或下压过程中 , 相对整个管柱长度接箍长度很短 , 可以认为脱扣接箍现场端和工厂端所处的外部环境和受到的外力始终是相同的 , 脱扣失效发生在工厂端而未发生在现场端 , 说明脱扣与工厂端存在较大的关系 。根据前面的分析 , 脱扣接箍工厂端上扣扭矩相对较小 , 在上扣扭矩不足的情况下 , 套管柱在复杂工况及大幅上下活动套管柱的情况下有可能发生倒转导致上扣扭矩相对弱小的接头卸扣松开 。油田现场记录显示下钻过程中多次遇阻 , 下套管到接近底部的过程中也多次遇阻 , 多根套管有不同程度的遇卡 ,后期在上提套管柱过程中由于被卡严重而大幅上下活动套管 。可以推测由于脱扣接箍工厂端上扣扭矩不足而在复杂井况下工厂端产生了卸扣松动 , 最终在大的轴向拉伸力作用下脱扣失效 。综合以上分析推断脱扣接箍工厂端上扣扭矩过小导致了井下套管的脱扣失效 。6 结语1) 脱扣接箍材料的显微组织存在较多的上贝氏体导致冲击性能低于标准要求 。2) 脱扣接箍工厂端上扣扭矩小于现场端 , 也小于同批次新接箍工厂端 。3) 接箍工厂端上扣扭矩过小是导致套管脱扣失效的重要原因 。4) 螺纹连接处的显微组织比较分析法是评价螺纹上扣是否达到预定位置的重要手段 。参考文献 :[ 1] et of J] . 2006, 13( 4) : 638 2] 吕拴录 , 韩 勇 , 袁鹏斌 , 等 . 139. 7 ×7. 72 55 长圆螺纹套管脱扣原因分析 [ J] . 钻采工艺 , 2005, 28( 2) : 73 3] 张 毅 , 宋 治 . 辽河油田套管掉井泄漏事故分析 [ J] . 焊管 ,1997, 20( 1) : 4 4] 史交齐 , 韩新利 , 赵克枫 , 等 . 超深井用偏梯形螺纹套管适用性研究 [ J] . 石油机械 , 1998, 26( 11) : 24 5] 姬丙寅 , 吕拴录 , 张 宏 . 非 格偏梯形螺纹接头套管连接强度计算 [ J] . 石油矿场机械 , 2011, 40( 2) : 58 6] 高连新 , 史交齐 , 金 烨 . 上扣扭矩对圆螺纹套管连接强度的影响 [ J] . 天然气工业 , 2005, 25( 2) : 87 7] 齐俊林 , 罗维东 , 张 宏 , 等 . 圆螺纹套管接头上扣与滑脱的数值模拟 [ J] . 石油大学学报 : 自然科学版 , 1998, 24( 4) : 68 8] 申昭熙 . 材料形变强化和摩擦系数对圆螺纹接头滑脱性能的影响[ J] . 应用力学学报 , 2008, 25( 2) : 293 9] 王建东 , 林 凯 , 赵克枫 , 等 . 低压低渗苏里格气田套管柱经济可靠性优化 [ J] . 天然气工业 , 2007, 27( 12) : 74 10] S] . 2005.[ 11] of S] .B, 2008.
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