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API知识

塔里木油田API油、套管粘扣损坏 原因分析及综合治理

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                                            塔里木油田API油、套管粘扣损坏原因分析及综合治理

骆发前1  吕拴录12  周杰1  秦宏德1  龚建文1  乐法国1  迟军1  谢又新1  聂采军1

1  塔里木油田,新疆库尔勒,841000

2中国石油大学,北京昌平,,102249

摘要:对塔里木油田API油、套管粘扣问题进行了全面调查研究,对部分油、套管抽样进行了上、卸扣试验和下井试验。认为油、套管粘扣原因既与产品质量有关,也与使用操作不当有关。为保证订货油、套管的质量,制定了塔里木油田油、套管抽样上、卸扣试验补充技术条件,按照此技术条件执行已经发现几个工厂油、套管存在粘扣问题,按照此技术条件进行索赔谈判已经取得成功。使用操作不当导致油、套管粘扣的因素主要包括碰伤、偏斜对扣、引扣不到位、上扣速度快、上扣控制方法不当等。为解决油田使用操作不当导致的粘扣问题,研制了“预防油、套管粘扣的新型引扣钳”和“新型快速装卸螺纹保护器”两项专利产品,并制定了塔里木油田油、套管使用和维护操作规程。以上两项专利产品的推广应用不但可有效地防止由于引扣不到位和螺纹碰伤导致的粘扣,而且还可以大幅度地减轻工人劳动强度,提高油、套管下井速度。对塔里木油田油、套管使用和维护操作规程在3口井试行的结果,效果非常理想。

关键词:油管  套管  粘扣  螺纹保护器  对扣器  引扣钳

Cause analysis and Complete Solving on Galling of API

Tubing and Casing for Tarim Oil Feild

Luo Faqian1  Lv Shuanlu1,2  Zhou Jie1  Qin Hongde1  Gong Jianwen1  Le Faguo1  Chi Jun1

Xie Youxin1  Nie Caijun1

1 Tarim Oil Field, Korla Xinjiang, 841000

2 China Petroleum University, Changping Beijing, 102249

Abstract:This paper gives a complete investigation,make up tests and running tests for some tubings and casings.It is considered that tubing and casing galling is not only related to product quality, but also abnormal operation.In order to guarantee bought tubing and casing quality,the complementarity specification on make up and break out test for tubing and casing specimens taken from the product is established,some tubing and casing galling problems being found,and being successessful on claiming for compensitio in accordance with the complementarity above.Abnormal operation factors resulting in galling include injury striked,stab decliningly,not guide screw to correct position,make up at high speed,improper make up control methods,and etc.In order to solve tubing and casing galling problem caused by improper operation,new strap wrench and new thread protect easily installed and taken out are developed and patented,and the specification on care and use of tubing and casing is established.The application on 2 patented products will not only protect effectively tubing and casing from galling caused by abnormal guide screw and injury striked,but also lighten woker labor strength,and improve the speed for tubing and casing running.The trying out results of the specification on care and use of tubing and casing in 3 well operation are very ideal.

Key words: Tubing;Casing;Galling;Thread protector;Stabbing protector;Strap wrench

前言

粘扣会降低油、套管的密封性能和承载能力,甚至导致脱扣,最终使油、套管柱寿命大幅度降低。塔里木油田已经发生多起油、套管粘扣事故(图1)。

1991年,轮南25井和轮南30井所用的新油管经过一次试油作业之后所有新油管全部粘扣报废。调查结果,每根油管外螺纹接头都因为没有戴螺纹保护器而严重磨损,油管粘扣主要原因是操作不当所致。

1996年,一批国产油管在多口井发生粘扣事故。经过失效分析,认为该批油管本身抗粘扣能力较差,但油管严重粘扣也与使用操作不当有一定关系。

2000年,轮南11井进口油管在试油作业时发生了严重粘扣事故。调查结果,油管作业队采用的上扣速度为100rpm,远超过了API RP 5C1规定的上扣速度,油管严重粘扣与上扣速度太快有很大关系。对该批进口的油管进行上、卸扣试验结果,油管本身抗粘扣性能不符合API标准。

到2005年年底为止,大二线废旧料场库存1900t回收的损坏油管。近年来,每年回收100t损坏油管。这些回收的废旧油管大多数为粘扣损坏。

根据开发事业部2003年至2005年年初不完全统计结果,从井队回收的损坏油管共337,024根。2005TZ4-7-56,DH1-5-8,DH1-5-7,LG4等多口开发井发生油管粘扣事故。

西气东输项目部2005年3月至2006年10月18日已有12口井油管发生粘扣。其中英买力气田群完井作业过程中,送井的3900根88.9mm×6.45mm油管中有86根油管发生粘扣和错扣。送井的2800根73.0mm×5.51mm油管中有56根油管发生粘扣和错扣。另外,有2根油管短节发生粘扣。

图1 油管外螺纹粘扣形貌

塔里木油田套管粘扣问题实际也非常严重,但并没有引起人们高度重视。套管上扣后一般不卸扣,套管粘扣后往往不容易发现。除非下套管遇阻,起出检查才能发现粘扣。或者粘扣非常严重,上扣之后外露扣太多,卸扣检查才能发现粘扣。2003年,大北2井下127.0mm尾管遇阻,起出套管检查,发现所有套管严重粘扣。2006年11月,采办事业部对套管粘扣事故进行了调查,发现个别井下套管时不戴螺纹保护器,套管粘扣非常严重(图2)。

2 套管外螺纹粘扣形貌

以上粘扣损坏的油、套管90%以上都是在作业过程中发生的,粘扣原因与使用操作不当有很大关系。

导致油、套管严重粘扣的另外一个重要原因还与产品本身抗粘扣性能差有一定关系。

目前,国内大多数工厂还没有完全解决粘扣问题,国外有部分厂家还没有解决粘扣问题。

塔里木油田在到货检验过程发现有些厂家的套管工厂上扣端从接箍端面就能看到粘扣形貌(图3)。有些国产套管和进口套管螺纹接头在检查紧密距时就发生粘扣(图4)。2004年塔里木油田对到货套管随机抽样进行上、卸扣试验结果,国产套管根根粘扣。根据套管的质量现状,如果再加上使用操作因素,套管粘扣问题必然会更加严重。


图3 套管工厂上扣端接箍粘扣形貌(从接箍端面就可看到)

图4 套管外螺纹接头工厂检验紧密距后粘扣形貌

以上调查研究结果和失效分析结果表明,油、套管粘扣原因既与产品本身抗粘扣性能差有关,也与现场使用操作不当有关(图5)。

图5 油套管粘扣因素示意图

因此,要防止油、套管粘扣,首先应当研究解决油田所订购的油、套管本身存在的粘扣问题,对油、套管质量提出严格的订货技术要求;同时,要研究解决使用操作问题,对油、套管现场作业提出严格要求,并研制和推广油、套管引扣钳和快速可靠的螺纹保护器

1 油、套管粘扣现状调查及试验研究

1.1 国产油、套管抗粘扣质量现状调研

对为塔里木供货的油、套管生产厂调查结果,有些工厂现在还没有解决粘扣问题,就连工厂上扣端都存在粘扣问题。有些厂家提供的抗粘扣试验报告不真实,不敢在用户在场的情况下对产品进行上、卸扣试验,也不敢提供第三方检测的试验报告。

1.2设计油、套管粘扣现场调查表

塔里木油田每年都发生多起油、套管粘扣事故,应当对每起油、套管粘扣原因进行调查研究。而实际上有些井发生油、套管粘扣的详细使用情况并不清楚,也无法判断粘扣原因,更不能确定粘扣的责任。因此,掌握油、套管粘扣的详细使用情况是非常重要的。根据塔里木油田实际情况,对油、套管粘扣调查项目提出了具体要求,设计了专门的调查表。这就为掌握油、套管粘扣情况做好了技术准备。

1.3 油、套管上、卸扣试验、失效分析及下井试验研究

对在商检和使用过程中发现问题的油、套管及时进行上、卸扣试验、失效分析及下井试验,发现了油、套管本身存在的质量问题和使用操作问题(表1、表2)。

表1 油管上、卸扣试验、失效分析及下井试验研究结果

序号

油管品种

试验研究结果

1

轮古36井88.9×6.45mm  110SS-EU油管

1)油管接头试样工厂上扣端解剖之后存在粘扣和划伤问题。

23根(1Z2Z3Z)油管接头现场端在上扣速度约为5rpm的条件下,第1次和第2次上扣扭矩处在最小扭矩和最大扭矩之间没有发生粘扣,从第3次开始按最大扭矩上扣,3Z油管第5次上、卸扣之后产生轻微粘扣,1Z2Z油管接头试样第6次上、卸扣之后产生轻微粘扣。4Z油管接头试样现场端在上扣速度为15~19rpm的条件下,上扣扭矩达到工厂规定的最大扭矩的92.1%时,第1次上、卸扣之后就产生严重粘扣。

2

73.0mm×5.51mm EU 95SS油管

P5-B2A试样第9次上、卸扣后产生划伤,第10次上、卸扣之后没有发生粘扣。P4-B3B试样第1次上、卸扣之后发生严重粘扣。P2-B4A试样第2次上、卸扣之后发生轻微粘扣。

3

88.9×6.45mm 110S EUE油管

P5-B2A试样第9次上、卸扣后产生划伤,第10次上、卸扣之后没有发生粘扣。P4-B3B试样第1次上、卸扣之后发生严重粘扣。P2-B4A试样第2次上、卸扣之后发生轻微粘扣。

4

88.9mm×6.45mm 110S EU油管

按照最小扭矩、最佳扭矩和现场扭矩循环对3根油管试样上、卸扣结果,1根油管第5次上、卸扣之后发生了轻微粘扣,1根油管第6次上、卸扣之后外螺纹发生了轻微粘扣,另外1根油管第9次上、卸扣之后发生了轻微粘扣。

5

73.0×5.51mm P110EU油管

2根试样(1ZA2ZA)均发生了粘扣。1ZA试样第2次上、卸扣就发生轻微划伤,第5次上、卸扣后就发生轻微粘扣。2ZA试样第2次上、卸扣就发生轻微划伤,第3次上、卸扣后就发生轻微粘扣,第4次上、卸扣后发生严重粘扣。

6

轮南632井88.9×6.45mm P110SS EU油管下井试验研究

1)油管钳扭矩仪偏差很大,无法控制扭矩上扣。73.0mm油管上扣时显示的扭矩大约为实际扭矩的1/3, 88.9?6.45mm P110 EU油管上扣时显示的扭矩只有实际扭矩的23.9%~25.8%。在此情况下,采用引扣到位,控制圈数上扣,上扣目标位置是外露扣为零,最终将油管柱安全下井。

2)严格执行塔里木油田API套管和油管使用及维护暂行办法,该批油管可以下井使用。

3)开展塔里木油田油、套管上扣扭矩控制及扭矩仪标定研究。

表2 套管上、卸扣试验、失效分析及下井试验研究结果

序号

套管品种

试验研究结果

1

177.8×10.36mm 110TSS BC套管

套管工厂上扣端经过1次上扣,解剖之后(没有卸扣)发生了粘扣。

套管现场上扣端经过3次上扣,2次卸扣后只产生划伤。

2

177.8×10.36mm 110NC-3CR BC套管

2根套管工厂上扣端经过1次上扣,解剖之后(没有卸扣)有1根发生了粘扣,1根发生划伤。

1根套管现场上扣端经过3次上扣,2次卸扣后只产生划伤;另外1根套管现场上扣端经过4次上扣,3次卸扣之后完好。

3

东河1-H5井177.8×10.36mm套管粘扣和脱扣原因分析

1)套管脱扣原因主要是粘扣引起的。套管粘扣原因与使用操作不当有关。

2)建议制定塔里木油田下套管作业规程。

3)建议未经过用户同意工厂不能随意改变接箍表面处理方式。

4

轮东1井339.7×12.19mm P110 BC套管下井试验研究

(1)严格执行套管和油管使用及维护暂行办法”,该批套管下井没有问题。

(2)个别套管螺纹导向面损伤原因是没有使用对扣器所致。

(3)个别套管错扣原因是没有使用引扣钳,且高速引扣所致。

(4)开展“塔里木油田油、套管上扣扭矩控制及扭矩仪标定研究”。

2   油、套管粘扣原因

油、套管粘扣是由于内、外螺纹配合面金属摩擦干涉,表面温度急剧上升达到了焊接相变温度,使内、外螺纹表面发生粘结。由于上、卸扣过程中内、外螺纹有相对位移,粘扣常伴有金属迁移。粘扣通常表现为粘着磨损,但是如果有沙粒、铁屑夹在内外螺纹之间,也会形成磨料磨损。下面分别从产品质量和使用操作方面予以分析。

2.1 与产品质量有关的粘扣因素

与油、套管产品质量有关的粘扣因素涉及到螺距、锥度、齿高、牙型半角、紧密距、表面光洁度等螺纹参数的公差控制,内、外螺纹参数匹配等多个环节,是一个很复杂的系统工程问题。

2.2  与使用操作有关的粘扣因素

(1)螺纹保护器

当没有螺纹保护器保护的油、套管外螺纹接头直接在井架大门钢质跑道上滑动摩擦时,油、套管外螺纹接头小端几扣螺纹会摩擦损坏。严重损坏的外螺纹接头与接箍内螺纹配合时会产生造扣,导致粘扣和错扣。

图6 无螺纹保护器起吊

过去,塔里木油田有些作业队不戴螺纹保护器就直接起吊油管,结果使所有油管外螺纹接头小端严重磨损。从另外一方面考虑,现有的螺纹保护器旋紧在油、套管接头上需要转动多圈,卸下同样需要转动多圈。油管螺纹保护器较小,相对比较容易。套管螺纹保护器又大又重,装卸特别困难,花费的时间更多。有时候需要用大锤多次敲击震动才能卸下(图7)。螺纹保护器上紧不容易脱落,但卸螺纹保护器比较困难;螺纹保护器上不紧容易卸下来,但在起吊过程中容易脱落。油、套管作业规程要求戴螺纹保护器之后才能起吊油、套管。但由于现有螺纹保护器上、卸费时费力,实际作业过程中工人不愿意使用螺纹保护器。因此,为了使油、套管在下井过程中确实得到保护,应当研制新型的快速装卸螺纹保护器。

图7 工人同时使用大锤敲击螺纹保护器和使用管钳卸螺纹保护器

2对扣

不使用对扣器,内、外螺纹接头容易碰撞损伤,容易产生偏斜对扣(图8);对扣速度过快易使接头承受冲击载荷,损伤螺纹,在上、卸扣过程中形成粘扣;偏斜对扣会使内、外螺纹接头不同轴,仅有局部区域接触,最终导致螺纹接头在上、卸扣过程中发生粘扣。

塔里木油田要求所有的油、套管下井都要使用对扣器,大多数井油、套管下井时都采用了对扣器,但由于个别油、套管队没有对扣器,有部分井油、套管下井时仍然没有使用对扣器。目前,塔里木油田正在设法为油、套管队配备对扣器,力争彻底解决油、套管下井时必须全部采用对扣器的问题。

图8 不使用对扣器偏斜对扣示意图

3)引扣

油、套管内、外螺纹接头对扣之后内螺纹牙顶与外螺纹牙顶处于接触状态(图9),要通过引扣才能使内、外螺纹处于正常的啮合状态。如果不引扣,或者引扣不到位在后续的上扣过程很容易错扣和粘扣。

前些年,有些作业队不引扣就直接开动大钳上扣,结果使整口井油管粘扣损坏。这几年,油田加强了对油、套管作业队伍的管理、监督和培训工作,要求油、套管引扣到位后才能开动液压钳上扣。但由于有些作业队没有配备引扣钳,采用普通带钳引扣容易打滑,工人不得不用手来引扣(图10)。一口深井600多根油管全部用手引扣到位工人是相当累的。73.0mm油管用手可以转动引扣,88.9mm用手转动引扣特别费力,套管用手根本无法转动引扣。根据油田在油、套管下井操作方面存在的问题,应当推广使用轻便可靠的引扣钳。

9 内、外螺纹接头对扣示意图

图10 三个工人用手转动73.0mm油管引扣

4)上扣速度

在上扣速度过快的情况下,即使引扣到位,外螺纹沿着内螺纹的螺旋牙槽旋进时也会产生附加的冲击载荷(图11)。这就很易损伤螺纹,导致粘扣。如果偏斜对扣,并且未引扣或引扣不到位,快速上、卸扣更容易导致粘扣和错扣。

11 上扣速度对粘扣的影响示意图

在实际油、套管下井作业过程中,操作工人一般都习惯于高速上扣,尤其是高速引扣。高速引扣和上扣已经导致多口井油、套管严重粘扣。为防止类似事故发生,塔里木油田现在已经对上扣速度做了具体规定。

3   油、套管订货补充技术条件及实施

3.1 制定塔里木油田API油管、套管抽样上扣、卸扣试验补充技术条件

试验研究结果表明,许多油、套管产品本身存在粘扣问题,有些油、套管工厂上扣端卸扣之后存在粘扣问题。因此,如何把好订货关是防止油、套管粘扣的关键环节。由于油、套管粘扣问题涉及到许多API标准,但是API各个标准对油、套管抗粘扣性能具体要求并不相同。在执行API标准过程中,用户和生产厂经常发生分歧。因此,要确保油、套管的抗粘扣性能,油田必须制定补充技术条件,对油、套管抗粘扣性能和试验方法提出具体要求。

根据塔里木油田具体情况,我们制定了塔里木油田API油管、套管抽样上扣、卸扣试验补充技术条件,并以文件下发,要求作为油、套管订货的技术要求。

塔里木油田API油、套管抽样上、卸扣试验补充技术条件对油、套管抽样进行上、卸扣试验的试样、试验方法、试验方案、试验室选定、试验监督和试验结果评判分级等做了具体规定。严格执行以上补充技术条件可以及时发现油、套管的抗粘扣性能,及时掌握订货质量。

3.2 塔里木油田API油管、套管抽样上扣、卸扣试验补充技术条件实施

已经在与上海宝山钢铁公司和攀钢集团成都钢铁有限责任公司签订的套管订货合同中将塔里木油田API油管、套管抽样上扣、卸扣试验补充技术条件作为技术要求。今后所有的油、套管订货合同均要将塔里木油田API油管、套管抽样上扣、卸扣试验补充技术条件作为技术要求。

4 推广应用新型引扣钳和新型快速装卸螺纹保护器

4.1 预防油、套管粘扣的新型引扣钳专利推广应用

使用预防油、套管粘扣的新型引扣钳,可快速、方便地挟持管子转动引扣。经实际使用,该引扣钳操作方便、省力,性能可靠(图12)。使用该引扣钳将一根73.0mm油管引扣3圈大约需要15秒时间。推广应用新型引扣钳可以解决油、套管在下井过程中的引扣问题,从而最终防止油、套管发生粘扣事故,确保油、套管安全入井。

图12 引扣钳现场使用情况

4.2新型快速装卸螺纹保护器专利研制和推广应用

新型快速装卸螺纹保护器采用了无螺纹设计。安装时只要将其戴在油、套管螺纹接头上(不用转动),搬动手把即可挟紧;反向搬动手把即可松开取下。经在井场试验,快速装卸、使用方便、可有效地保护油管螺纹接头(图13)。推广应用新型快速装卸螺纹保护器既可有效地保护油、套管螺纹接头,又可大幅度减轻工人劳动强度。


13戴在油管螺纹接头上的快速装卸螺纹保护器在井架大门斜跑道上滑动前行

5 塔里木油田API套管和油管使用及维护暂行办法及试行效果

5.1 制定塔里木油田API套管和油管使用及维护暂行规定

使用操作不当导致油、套管粘扣的原因主要是现场工人没有按照正确的操作规程操作。因此,必须制定塔里木油田API套管和油管使用及维护操作规程。

在大量调查研究和失效分析工作的基础上,我们制定了塔里木油田API套管和油管使用及维护操作规程,并以油田公司文件形式要求在全油田执行。

塔里木油田API套管和油管使用及维护操作规程对API油、套管搬运、螺纹保护、螺纹清洗、对扣、引扣、上扣速度、上扣扭矩、上扣控制方式等做了详细规定。严格执行塔里木油田API套管和油管使用及维护操作规程,可有效地防止由于使用操作不当导致的油、套管粘扣事故。

5.2 塔里木油田API套管和油管使用及维护暂行办法”试行效果

经过轮南632井、轮东1井和轮古351井试行,塔里木油田API套管和油管使用及维护操作规程已经收到了良好的效果。

5.2.1 轮南632井88.9×6.45mmP110SS EU油管下井试验研究

(1) 背景

2006年11月,轮古36井在油管下井作业过程中发生了粘扣,油管作业队认为粘扣原因是油管黑皮扣多所致。随后挑选200多根黑皮扣较少的油管送井,结果还是粘扣。为防止油管发生粘扣事故,油田暂时停用了该批油管,并在管材研究所进行了实物上、卸扣试验。试验结果,该批油管符合SPI SPEC 5B规定。

依据轮古36井油管粘扣形貌,厂家认为油管下井作业存在问题,要求提供油管下井技术服务。

(2) 结论及建议

① 油管钳扭矩仪偏差很大,无法控制扭矩上扣。73.0mm油管上扣时显示的扭矩大约为实际扭矩的1/3,88.9?6.45mm P110 EU油管上扣时显示的扭矩只有实际扭矩的23.9%~25.8%。在此情况下,采用引扣到位,控制圈数上扣,上扣目标位置是外露扣为零,最终将油管柱安全下井。

② 严格执行塔里木油田API套管和油管使用及维护操作规程,该批油管使用没有问题。

5.2.2 轮东1井339.7×12.19mm P110 BC套管下井试验研究

(1) 背景

2006年下半年,塔里木油田在商检过程中发现一批339.7mm×12.19mm P110 BC套管部分外螺纹接头在工厂和油田检验紧密距之后存在粘扣和划伤问题。为防止套管在使用过程中发生粘扣事故,油田暂时停用了该批套管。油田与套管生产厂家经过多次技术交流,最终达成如下协议。

            决定对该批套管抽样进行上、卸扣试验;

            对该批套管修复之后在2~3口井进行下井试验。

(2) 结论

① 严格执行套管和油管使用及维护作业规程,该批套管下井没有问题。

② 个别套管螺纹导向面损伤原因是没有使用对扣器所致。

③ 个别套管错扣原因是没有使用引扣钳,且高速引扣所致。

6 结论

(1)部分厂家的油、套管现场上扣端和工厂上扣端均存在不同程度的粘扣问题。有些厂家提供的抗粘扣试验报告不真实。

(2)油、套管粘扣与使用操作不当有一定关系。使用操作不当主要包括碰伤、偏斜对扣、引扣不到位、上扣速度快等。

(3)塔里木油田油、套管抽样上、卸扣试验补充技术条件在试用阶段已经初见成效。按照此技术条件进行上、卸扣评价试验,已经发现几个工厂油、套管存在粘扣问题。按照此技术条件进行索赔谈判,已经取得成功,其中73.0mm×5.51mm P110油管一项就索赔24万美元。今后所有的油、套管订货合同均要将塔里木油田API油管、套管抽样上扣、卸扣试验补充技术条件作为技术要求。

(4)“预防油、套管粘扣的新型引扣钳”已经在井队试用成功。此引扣钳的推广应用不但可有效地防止引扣不到位导致的粘扣,而且还可以大幅度地减轻工人劳动强度。

(5)“新型快速装卸螺纹保护器”已经在井队试用成功。此项技术推广应用将有效地防止由于螺纹碰伤导致的粘扣,大幅度地减轻工人劳动强度,并提高油、套管下井速度。

(6)塔里木油田API套管和油管使用及维护操作规程在3口井实际应用效果非常理想。