油套管螺纹抗粘扣技术研究进展

收稿日期:2007-07-10作者简介:张永强(1982-),男,山西襄汾人,硕士研究生,现从事油井管工程技术领域相关研究工作,E -mail:zhang yqslb@ 。

文章编号:1001-3482(2008)02-0078-04油套管螺纹抗粘扣技术研究进展张永强1,2,王新虎2(1.西安石油大学材料科学与工程学院,西安710065;2.中国石油天然气集团公司管材研究所,西安710065)摘要:简单介绍了油套管粘扣现象及机理,总结了近20a 来抗粘扣技术在螺纹参数优化、螺纹脂与润滑涂层的研发、表面处理和现场操作方法等方面的研究进展,并指出了油套管螺纹抗粘扣技术今后的发展趋势。

关键词:粘扣;螺纹;油管;套管中图分类号:T E931.201 文献标识码:AReview on Ant-i galling Technology for Tu bing and C asingZH ANG Yo ng -qiang 1,2,WANG Xin -hu 2(1.College of M ater ial Science and Engineer ing ,X i .an Shiy ou Univers ity ,X i .an 710065,China;2.T ubular Goo ds Resear ch Center of CN PC ,X i .an 710065,China)Abstract:T his paper describes thread galling of tubing and casing,interprets the mechanism of galling.Optimized parameters o f tubing and casing thread,resear ch and developm ent of thread-com pound g rease and lubricant coating ,surface tr eatment and the oper ation of m akeup and break -o ut are summarized.T he development trends of ant-i galling technolog y ar e po inted o ut.Key words:g alling;thread;tubing;casing 在油套管的检验和使用中,粘扣是最常见的损伤失效形式。

油套管螺纹粘扣不仅导致油套管损坏,有时会导致油套管滑脱掉井,造成很大的经济损失。

提高油套管螺纹的抗粘扣性能具有重要意义,已有许多研究成果应用于生产中,对预防粘扣的发生起到了一定的作用。

本文总结了近年来在油套管螺纹抗粘扣方面的研究进展,并提出了今后的研究重点。

1 粘扣现象及机理1.1 粘扣现象根据ISO 13679标准的最新定义[1],粘扣是一种发生在相互接触金属表面间的冷焊。

如果金属之间发生进一步的相对滑动或旋转,将会引起冷焊部位的撕裂。

油套管螺纹在旋合过程中产生的粘扣现象从金属学划分属粘着磨损。

油套管螺纹粘扣主要是在高接触压力、高温和高速加载的作用下,金属表面发生弹性变形、塑性变形、挤压剥落、犁沟和嵌入金属的损伤过程。

粘扣特别严重者(如外螺纹),局部还将发生组织转变,甚至形成马氏体,加速螺纹粘扣[2]。

典型的粘扣形貌如图1,粘扣组织及粘扣折叠裂纹形貌如图2。

1.2 粘扣机理粘扣过程中的金属变形机理可以从接触应力、上扣扭矩以及过盈量几何约束3方面进行分析。

接触应力直接增大界面摩擦阻力,增大粘扣倾向,是引起粘扣的核心要素;上扣扭矩既可起到增大齿面接触应力的作用,又增加螺纹啮合部位的有效应力应2008年第37卷 石油矿场机械第2期第78页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008,37(2):78~81变分布,降低材质在外力作用下的形变抗力,从而引发螺纹粘扣,是引起粘扣的主要外力因素;过盈量几何约束则是通过改变螺纹啮合起始扣位置的应力集中及主应力分布来影响粘扣倾向。

因此,粘扣是由于螺纹在上扣过程中齿面局部接触应力过大造成的,这种接触应力是上扣扭矩与几何约束过盈共同造成的[3]。

图1粘扣形貌图2 粘扣组织及粘扣折叠裂纹形貌粘扣过程中组织转变机理为:在快速、过扭矩上扣的情况下局部螺纹会产生很高的温度,冷却时组织会发生马氏体转变,那些未达到奥氏体化温度的近表层金属,以及其他局部尚未达到奥氏体温度的表层金属,随着高温的扩展,也会发生回火转变。

但并不是所有的粘扣都会发生组织转变。

2 抗粘扣技术研究进展2.1 螺纹参数对抗粘扣性能的影响螺纹参数对抗粘扣性能有很大的影响,合理地控制螺纹参数可以提高油套管抗粘扣性能。

中国石油天然气集团公司管材研究所有关人员指出,API 螺纹单参数不宜作为主控参数研究螺纹参数对粘扣性能的影响,并研究了轴向干涉量(D )与粘扣之间的关系。

研究结果表明,D >0(间隙配合)可以大大提高螺纹抗粘扣性能,反之容易引起粘扣[2]。

但D >0会引起密封性能下降等问题,使用时应注意。

螺纹表面粗糙度也影响其抗粘扣性能。

若起始扣螺纹有毛刺就会使摩擦因数变大,摩擦力也随之增大,粘扣相对容易发生。

螺纹表面粗糙度越小,则摩擦因数、摩擦力就越小,粘扣也就越不易发生。

A.Ertas [4]采用简单试验模型研究了表面粗糙度对油井管粘扣性能的影响,结果表明,表面粗糙度影响粘扣性能,尤其当转速较高时,即使很小的压力也会使模型发生粘扣。

总之,有关人员研究结论均表明减小螺纹表面粗糙度可以提高油套管螺纹的抗粘扣性能。

此外,随着油气井钻探环境的日益恶劣,世界上主要的石油管生产厂家及研究机构为满足油田对高温、高压及超深井的勘探、开发需要,已研制、开发出特殊扣型油套管。

这些特殊扣型的优点包括:上扣容易,可快速上扣且不易错扣;抗粘扣性能好,可以反复上卸扣而不损伤螺纹[5]。

2.2 螺纹脂及润滑涂层使用螺纹脂可以提高油套管螺纹的抗粘扣性能,有关人员在这方面做了大量研究工作。

中国石油天然气集团公司管材研究所的吉玲康指出[6]:/螺纹脂对油套管上扣扭矩、密封性能以及粘结倾向影响很大。

0质量较好的螺纹脂摩擦因数较小,可以减小上扣扭矩,继而减小粘扣倾向;在不涂抹螺纹脂的情况下进行上扣会发生严重的过扭矩现象,螺纹面粘结严重,密封性能差,但对连接强度影响不大;相对而言,不论是螺纹脂还是防锈油或二者混用,都会起到一定的润滑作用对减轻粘扣倾向有帮助,但防锈油或者质量差的螺纹脂仍然会引起粘扣;另外,螺纹脂在低温下涂抹对粘扣没有明显作用。

20世纪90年代以来,国内外的研究主要集中在对环境无污染又能满足油套管使用性能要求的螺纹脂技术上[7-8]。

此外,随着石油天然气勘探开发的不断深入,油基脂螺纹脂已不能满足特殊井况(尤其是高压气井)的要求。

所以,油田现场应选择对环境无污染且性能优良的螺纹脂和适合高温、高压等特殊工况的特殊螺纹脂,如管材研究所和美国T ube -masters S. A.公司共同合作开发的中国高级螺纹密封脂(简称CAT TS 101)。

1998年Eiji 等人提出了采用一种新的螺纹涂层来代替对环境有污染的螺纹脂,并通过全尺寸现场试验验证了这种螺纹涂层具有良好的性能[9]。

#79# 第37卷 第2期 张永强,等:油套管螺纹抗粘扣技术研究进展1999年,Eiji 等人报道了润滑涂层在蒸汽辅助重力驱油井中的实际使用效果,并指出这种润滑涂层完全能在环境恶劣的油田现场使用,同时不仅能消除螺纹脂带来的环境污染问题而且有提高工作效率的潜力[10]。

2005年,Ro berts Alun 等人全面介绍了新型抗粘扣润滑涂层在相对容易发生粘扣的13Cr 管材中的应用情况[11]。

美国专利文献[12]介绍了一种适合油井管的液体润滑涂层,此专利是将碱性磺酸盐、碱性水杨酸盐、碱性酚盐中的一种或几种溶解于挥发性溶剂中然后涂敷于油井管连接螺纹中。

该润滑涂层中还可加入热塑性树脂颗粒、其它润滑剂、极压剂等以达到更好的润滑效果。

文献[13]介绍了一种复合涂层,该涂层底层为多空性镀锌或铜,上层采用不含重金属的固体涂层或液体涂层,该涂层能在高温不使用螺纹脂的情况下改善螺纹连接的抗粘扣性、防锈性、气密性。

文献[14]介绍了一种固体润滑涂层,该涂层能在高温不使用螺纹脂的情况下改善螺纹连接的抗粘扣性、防锈性、气密性,其主要成份是润滑剂(二硫化钼)和树脂粘接剂。

该润滑涂层是先将液体涂料涂敷于螺纹表面然后分阶段加热固化成型,第1阶段是70~150e ,第2阶段是150~380e 。

国内目前还没有关于润滑涂层方面的相关报道,需加大科研力度缩小与国外的差距。

2.3 表面处理技术目前,为提高油套管螺纹抗粘扣性能常见的表面处理技术有磷化、镀锌、镀铜等。

不同的表面处理技术,其抗粘扣效果不一样。

镀层的厚度、硬度、熔点或分解温度、结晶晶粒的形态等都直接影响螺纹的抗粘扣性能。

文献[15]曾对镀铜与磷化层厚度进行了分析对比,结果发现接箍采用磷化处理(锌盐磷化),磷化层厚度很不均匀,分布也不连续,多数圆螺纹表面看不清磷化层厚度,只有局部表面有较明显的磷化层,层深约为2、4、6L m ,个别点最高8L m,且分布没有规律性。

镀铜有所不同,接箍镀铜层连续分布在螺纹的全长表面,沿螺纹面不同部位镀层厚度有所不同,即齿侧8~12L m ,齿顶8~10L m,齿根6~16L m 。

管材研究所的熊庆人、王长安研究了不同磷化工艺对套管抗粘扣性能的影响,认为螺纹表而厚度适宜,分布均匀、连续、致密与基体结合紧密、牢固的磷化膜有助于提高套管的抗粘着性能,采用锌锰磷化能够得到抗粘着性能较好的磷化膜镀层[16]。

文献[17]采用氰化镀锌、氰化镀铜、渗锌、锌磷化、锰磷化等方式处理油管接箍,镀层厚度均控制为12L m,检验其改善抗粘扣性能的效果。

结果表明,接箍采用镀铜处理能够明显改善油管的抗粘扣性能。

张毅等人[3]认为镀铜比磷化的抗粘扣性能好的重要原因在于铜属于面心立方金属,钢属于体心立方金属,硬度差较大,互溶性小,且镀铜层分布均匀,相对比磷化层厚。

Norio Matsuki [18]等曾研究了表1中不同表面处理技术对抗粘扣性能的影响,指出具有低硬度的表面处理工艺均有较高的抗粘扣性能,考虑到在高温下表面处理层本身及螺纹脂的密封性能的下降会使密封完整性减弱,因此,具有高熔点低硬度的镀铜方法才是切实有效的抗粘扣表面处理方法。

他们同时指出Cr -M o 钢的磷酸锰涂层和高合金钢的镀铜层均具有较高的抗粘扣性能,如与喷砂处理相结合其抗粘扣性能还能进一步提高。

此外,一些发达国家在高钢级或特殊螺纹油井管生产中,采取对公、母螺纹同时进行不同类型的表面处理技术,用以提高油套管螺纹的抗粘扣性能。