分享：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．中國石油集團 石油管工程技術研究院,西安 ７１００７７;

２．中海油田服務股份有限公司 鉆井事業(yè)部,三河 ０６５２０１)

摘 要:針對煤層氣開發(fā)用２Ｇ７/８″(７３．０２mm)加厚油管在試氣施工時通、洗井后出現(xiàn)螺紋接頭嚴重損傷的情況,對油田現(xiàn)場使用工況和操作進行了調查分析,對損傷接頭的外觀、化學成分、力學性能和顯微組織進行了分析,并抽取同批次加厚油管進行螺紋參數(shù)檢測.結果表明:現(xiàn)場擰接操作不當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)場安全使用的建議.

關鍵詞:煤層氣;加厚油管;螺紋接頭;損傷;失效分析

中圖分類號:TE９３１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０４Ｇ０２８０Ｇ０４

收稿日期:２０１６Ｇ０２Ｇ２９

作者簡介:閆 凱(１９８５－),男,工程師,碩士,主要從事石油管相

關研究與技術服務工作,yank＠cnpc．ocm．cn.

FailureAnalysisonDamageofUpsetTubingThreadedConnectionsUsedforCoalＧbedGasDevelopmentYANKai１,YANGShengＧbin２,YANGHongＧbing

１,WEIDong

１,WANGDongＧlin１,TIANXinＧxin１

(１．CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’an７１００７７,China;

２．DrillingDivision,ChinaOilfieldServicesLimited,Sanhe０６５２０１,China)

Abstract:Thethreadedconnectionsof２Ｇ７/８″(７３．０２ mm)upsettubingusedforcoalＧbedgasdevelopment

wereseriouslydamagedafterpassingandwashingwellingasproductiontest．Theoilfieldserviceconditionand

operationweresurveyedanddiagnosed．Theextrinsicfeature,chemicalcompositions,mechanicalpropertiesand

microstructureofthefailureconnectionswereanalyzed．Thesamebatchupsettubing’sthreadparameterswere

inspected．TheresultsshowthatthemisoperationofmakeＧupwasthemainreasonforthedamagefailureofthe

threadedconnections,andsomesuggestionswereputforwardforsafeuseoftubings．

Keywords:coalＧbedgas;upsettubing;threadedconnection;damage;failureanalysis

我國煤層氣資源豐富,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,管材的質量安全和使用安全是確保煤層氣開發(fā)能順利進行的保障[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)時發(fā)生的管材失效事故中以螺紋接頭失效問題最為突出[２Ｇ４].某煤層氣開發(fā)公司在使用 API標準的２Ｇ７/８″(７３．０２mm)加厚油管進行試氣施工時,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?７３．０２mm×５．５１mm,級別為 N８０QEU.在施工現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)損傷的油管螺紋出現(xiàn)了嚴重的粘扣現(xiàn)象,從起始扣開始有８扣已脫落或磨平,導致螺紋連接性能和密封性能均已失效.筆者對該氣田現(xiàn)場操作情況及螺紋脂使用情況進行了調查,對損傷接頭的管體和接箍理化性能進行了試驗分析,并抽取同批次加厚油管進行螺紋參數(shù)和幾何尺寸的檢測,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)場調查

對出現(xiàn)接頭失效事故的現(xiàn)場進行調查,包括對失效接頭進行宏觀觀察,對事故井施工時擰接油管所用螺紋脂情況、擰接參數(shù)及操作過程情況進行調查.

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,對失效接頭的螺紋部分進行了宏觀觀察.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２８０螺紋部位損傷嚴重,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) APISpec５B－２００８«套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規(guī)范»[５],油管的連接應能經(jīng)受４次機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)一次機緊和卸開操作后就已出現(xiàn)了不能再繼續(xù)使用的嚴重粘扣損傷.

圖１ 失效油管外螺紋宏觀形貌

Fig.１ Macromorphologyofexternalthreadofthefailuretubing

１．２ 現(xiàn)場擰接和螺紋脂使用情況

由于油田現(xiàn)場擰接采用液壓大鉗,該設備可能造成油管粘扣[６],因此對現(xiàn)場擰接記錄進行核查,與施工人員進行交流了解,并對失效油管擰接痕跡進行現(xiàn)場檢查.該批油管在下井擰接時采用液壓大鉗進行夾持和上緊,擰接設備有液壓表顯示,擰接記錄中無擰接扭矩信息記錄.經(jīng)查該批油管擰接時鉗壓設定為１２MPa,采用低檔擰接.根據(jù)該型擰接機鉗壓 與 扭 矩 相 關 性 曲 線 查 詢 對 應 的 扭 矩 為４０００N??m.擰接時采用人工手扶對中,無對中器.根據(jù) APIRP５C５－２００３«套管和油管接頭評價試驗推薦法»[７],在進行上扣夾持接箍時,應確保不使內部的螺紋發(fā)生不利變形.按照工廠現(xiàn)場和實驗室試驗經(jīng)驗,擰接時卡鉗應夾持在接箍中部,并控制夾持力,以防止擰接過程中接箍變形或過熱導致螺紋損傷[８].檢查失效油管夾持痕跡,該油管現(xiàn)場擰接時夾 持 部 位 在 距 離 接 箍 現(xiàn) 場 端 端 部 １cm 處,見圖２.APIRP５C１－１９９１«套管和油管維護和使用推薦做法»[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)境下施工時扭矩值允許有±2５％的變化量,?７３．０２mm×５．５１mm N８０QEU 規(guī)格油管的推薦扭矩為３１２０N??m[９].該批油管下井擰接時所用螺紋脂為國內某工廠產(chǎn)品,該產(chǎn)品經(jīng)檢測符合相關標準技術要求.

圖２ 失效油管接箍擰接夾持位置

Fig.２ Clampingpositionofthefailuretubingcoupling

２ 理化檢驗

為了確定接頭失效是否與管材性能有關,對失效油管抽樣進行理化性能試驗,包括化學成分分析、拉伸試驗和金相分析.

２．１ 失效接頭化學成分分析

抽取一支失效油管,截取管體和接箍各１個化學成 分 分 析 試 樣,依 據(jù) GB/T ４３３６－２００２ 使 用ARL４４６０型直讀光譜儀和 CS４４４型碳硫分析儀對試樣進行化學成分分析試驗,試驗溫度為室溫,試驗結果見表１.依據(jù) APISpec５CT－２０１１«套管和油管規(guī)范»[１０],管體和接箍的化學成分均合格.

２．２ 失效接頭力學性能試驗

從抽取的失效油管的管體和接箍上分別制取３個縱 向 拉 伸 試 樣. 管 體 試 樣 為 板 狀,規(guī) 格 為１９．１mm×５０mm;接 箍 試 樣 為 圓 棒 狀,規(guī) 格 為?６．２５mm×２５mm.依據(jù) ASTM E８/E８M－２００８在 RBO６００型電液伺服萬能材料試驗機上進行拉伸試驗,試驗溫度為２５ ℃,試驗結果見表２.依據(jù)APISpec５CT－２０１１,管體和接箍的拉伸性能均符合標準技術要求.

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行分析.結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.管體晶粒度等級為 ８．５ 級,夾雜物含量為:A０．５,B１．５,C０,D０．５.接箍晶粒度等級為８．５級,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.

３ 螺紋參數(shù)及幾何尺寸檢測

３．１ 加厚油管螺紋參數(shù)檢測

對與失效油管同批次未使用油管接頭的螺紋參數(shù)進行了抽樣檢測,共抽查了８組內外螺紋,檢測項目包括螺紋緊密距、齒高偏差、錐度、螺距偏差等參

數(shù),檢測結果見表３.對比 APISpec５B－２００８[５]相應要求,抽查的油管接頭的螺紋參數(shù)均合格.

３．２ 加厚油管幾何尺寸檢測

對失效批次油管的幾何尺寸進行了抽樣檢測,共抽查了８組,檢測項目包括管體外徑 D、壁厚t,加厚部 位 外 徑 D４、管 端 到 加 厚 開 始 減 小 處 長 度Leu、接箍長度 Nl、接箍外徑W 等,檢測結果見表４.對比 APISpec５CT－２０１１[１０]相應要求,抽檢油管的幾何尺寸均合格.

４ 分析與討論

由理化檢驗結果可知,失效油管管體和接箍的化學成分和力學性能均符合標準技術要求,顯微組織也無異常.同批次油管螺紋參數(shù)及幾何尺寸檢測結果也均符合相關標準技術要求.通過對施工現(xiàn)場的調查得知,該批油管下井前,未清洗干凈螺紋上的儲存脂和雜物,下井時采用人工對中,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４０００N??m,遠遠超過 APIRP５C１－１９９９推薦的上扣扭矩３１２０N??m,也超過標準可接受變化量的最大扭矩３９００N??m;過大的夾持力會造成接箍現(xiàn)場端變形;未合理控制上扣扭矩會導致扭矩過大從而造成螺紋損傷;螺紋表面存留雜物和對扣不對中也會導致上扣時螺紋被損傷。

綜合試驗結果和施工現(xiàn)場調查結果,分析認為下井擰接操作中未合理控制上扣扭矩導致扭矩過大是造成油管接頭嚴重損傷失效的主要原因,人工對中引起的擰接偏斜也在一定程度上促使螺紋受到損傷.

５ 結論及建議

現(xiàn)場施工過程中,擰接操作不符合規(guī)范要求,導致夾持部位出現(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,一方面要保證管材質量符合要求,另一方面現(xiàn)場施工時要嚴格按照規(guī)范要求進行操作,從而確保煤層氣開發(fā)用管材的使用安全.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)）