吕拴录 杨向同 周理志 刘洪涛 季晓红张日兴 刘军严 石桂军 徐永康 张 锋

(1. 中国石油大学材料科学与工程系 北京 102249;2.塔里木油田 新疆 塔里木 841000)



·失效分析及预防·

ZXG6-1井88.9mm特殊螺纹接头油管脱扣原因分析

吕拴录1,2杨向同1周理志1刘洪涛1季晓红1张日兴1刘军严1石桂军1徐永康1张 锋2

(1. 中国石油大学材料科学与工程系 北京 102249;2.塔里木油田 新疆 塔里木 841000)

对ZXG6-1井在试油期间88.9 mm特殊螺纹接头油管座封打压作业过程中发生的脱扣事故进行了调查研究，对脱扣接箍几何尺寸和螺纹接头参数进行了测量和分析，认为在座封打压作业过程中油管柱承受内压和震动等载荷后，油管柱从油管接头薄弱环节首先发生松动，最终发生了脱扣。油管脱扣原因是其接头工厂端上扣扭矩不足。对该批油管工厂上扣扭矩统计分析发现，该批油管中有少量油管上扣扭矩不足。为防止油管在使用过程中再次发生脱扣事故，对如何改进油管上扣质量提出了改进建议，对如何使用该批油管提出了具体措施。

油管；接箍；特殊螺纹接头；脱扣

0 引 言

油、套管柱在自重或外力作用下，内、外螺纹接头相互分离脱开的现象称之为脱扣。脱扣会导致管柱落井，破坏管柱的结构完整性和密封完整性[1]。油、套管脱扣后不得不实施打捞作业，如果脱扣的落鱼管柱不能捞出，则会使整口井报废。API圆螺纹油管和套管接头螺纹承载面为30°，其连接强度低于管体，在使用过程中容易发生脱扣事故[2～6]。API偏梯形螺纹接头油管和套管螺纹承载面牙形为3°，其连接强度与管体相同，在使用过程中不容易发生脱扣事故。特殊螺纹接头油、套管接头与管体等强度，其原因是特殊螺纹接头油、套管大多数采用API偏梯形螺纹，甚至采用钩式螺纹，其承载面为负角度，这就有效防止了脱扣事故。2012年3月，ZXG6-1井88.9 mm特殊螺纹接头油管发生了脱扣，厂家认为油管脱扣原因是油田使用操作不当所致，油田认为油管脱扣原因是油管接头设计不合理，或者油管质量不合格所致，最终双方各持己见，很难统一认识。为了搞清ZXG6-1井88.9 mm特殊螺纹接头油管脱扣原因，本文进行了调查研究和试验分析。

1 基本情况

1.1 油管脱扣发生经过

2012年3月15日10:50，ZXG6-1井投28 mm钢球进行封隔器座封作业，井口压力12 MPa；11:15 第一次分别正打压19 MPa、26 MPa、28 MPa和34 MPa (套压12 MPa)，稳压10 min，压力不降。将油压降至12 MPa，第二次分别正打压19 MPa、26 MPa，稳压10 min，压力不降。继续正打压至34 MPa，稳压5 min时压力瞬间突降至14 MPa，管柱有很大的震动，再缓慢降至12 MPa。与此同时套压由12 MPa上升至14 MPa再缓慢降至12 MPa。封隔器坐封过程油套压曲线见图1。

1.2 事故处理经过

上提油管柱，悬重130 kN(原管柱悬重850 kN)；起钻发现管柱从第16根88.9 mm特殊螺纹接头油管(厂家编号840)接头工厂端上扣端脱扣，第15根油管现场端外螺纹接头与第16根油管接箍现场端内螺纹接头连接，第16根油管工厂端外螺纹接头及以下管柱掉入井内。脱扣位置井深164.65m(11.05+16×9.6)，落鱼长度5 655.4 m(5 820.05-164.65)。第15根油管现场端外螺纹接头与第16根油管接箍现场端内螺纹接头上扣扭矩为5 899 N·m，符合厂家规定的上扣扭矩。

图1 封隔器坐封过程油套压曲线图

另外，在处理事故倒扣过程中，油管接头首先从工厂上扣端倒扣松开。

2 宏观分析

脱扣油管接箍长度为177.5 mm，外壁有点状预拧痕迹(色圆形圈内)和纵向上扣拧接卡爪印痕(方框内)，接箍表面钳牙长度为70.4 mm，见图2。

图2 接箍外壁上扣夹持牙痕

接箍工厂端靠近端面5扣螺纹局部位置(0°位置)损伤变形，放样后发现螺纹齿顶变形倒向螺纹牙齿导向面(图3、图4)，这是脱扣时与外螺纹接头摩擦干涉变形痕迹，其余区域螺纹没有损伤。

接箍内螺纹接头工厂端和现场端密封面仅有与外螺纹接头啮合的周向摩擦痕迹，见图5、图6。

经过测量，接箍工厂端和现场端螺纹参数符合厂家规定。

图3 接箍工厂端0°位置靠端面5扣螺纹局部位置变形损伤形貌

图4 接箍工厂端靠端面螺纹变形损伤位置局部形貌

图5 接箍工厂端180°位置扭矩台肩和金属密封面形貌

图6 接箍现场端180°位置扭矩台肩和金属密封面形貌

3 结果分析

油管脱扣与使用过载、螺纹接头加工精度和上扣质量有关[7、8]。

3.1 使用过载导致脱扣的可能性

油管脱扣实际是油管承受的拉伸载荷超过了油管接头连接强度。那么，是否因为使用过载导致油管脱扣呢？

油管脱扣时内压为34 MPa，第16根油管脱扣位置井深为5 655.4 m，油管接头脱扣位置承受的浮重为733 kN。油管接头连接强度为1 426 kN，油管脱扣位置承受的拉伸载荷只有接头抗拉强度的51.4%(733/1426)；井口位置油管承受的浮重为755 kN, 只有接头抗拉强度的52.9%(755/1 426)。考虑内压会产生活塞效应，增加轴向拉伸载荷，34 MPa内压对油管产生的轴向拉力为135 kN。也即，脱扣油管承受的最大拉力为868 kN(733+135)，只有接头抗拉强度的60.9%(868/1 426)；井口油管承受的最大拉力为890 kN(755+135)，只有接头抗拉强度的62.4%(890/1 426)。按照油管脱扣时承受34 MPa内压和733 kN浮重计算结果，脱扣位置油管内壁VME应力只有材料屈服强度的48.4%。

第16根油管接头现场端上扣扭矩符合工厂规定。测试队按照封隔器座封启动要求分级打压，打压操作符合规定，可以排除现场操作不当导致油管工厂端脱扣的可能性。也就是说，如果油管接头连接强度达到标准规定的强度值，油管接头就不会发生脱扣；反之，如果油管接头连接强度达不到标准规定的强度值，油管接头可能会发生脱扣。

另外，如果过载导致油管脱扣，脱扣的油管螺纹接头会发生严重变形损伤。该井脱扣的油管接箍内螺纹只有靠近端面的4扣螺纹局部损伤，其余螺纹完好无损，不具有过载脱扣的特征。

3.2 由于油管上扣质量问题直接导致脱扣的可能性

油管本身的连接强度是由材质、螺纹加工精度和上扣质量决定的。该批油管材质和螺纹加工质量符合标准要求。这可以排除由于材质和螺纹加工质量低劣直接导致油管脱扣的可能性。那么，是否有可能是上扣不到位导致油管脱扣呢？

脱扣油管接箍工厂端内螺纹接头金属密封位置有与外螺纹接头金属密封面上扣配合摩擦痕迹，说明该油管接头工厂端上扣扭矩达到了内外螺纹接头金属密封面接触干涉的程度。工厂规定台肩扭矩数值范围为589 N·m～4 123 N·m，工厂规定的油管上扣扭矩范围为5 880 N·m～6 370 N·m，前者最小值只有后者的最小值的10.0%(589/5 880),前者最大值只有后者最大值的70.1%(4123/6 370)。接箍内螺纹接头金属密封面有与外螺纹接头金属密封面配合干涉痕迹，并不能说明上扣扭矩达到了规定值。840号油管接头工厂端脱扣，说明该接头连接强度低，为油管柱薄弱环节。

对177.8 mm偏梯形螺纹套管所做的试验结果表明[9]，按照API公差上限上扣(上扣至△顶点位置)、下限上扣(上扣至离△顶底边位置差5.08 mm)和手紧上扣(接箍端面距△底边12.7 mm)后拉伸载荷分别达到了API BUL 2规定值的1.28、1.27、1.27倍时断裂失效。

该油管接头采用偏梯形螺纹，油管接头与管体等强度。从脱扣油管接箍工厂端内螺纹接头金属密封位置有与外螺纹接头金属密封面上扣配合干涉的痕迹推断，该接头实际上扣扭矩应大于手紧上扣扭矩。这可以排除由于上扣扭矩不当直接导致油管脱扣的可能性。

3.3 上扣扭矩不足的油管螺纹接头松动导致脱扣的可能性

在正常上扣连接情况下，接箍内螺纹接头金属密封面位置与外螺纹接头金属密封面上扣配合后应该有足够的接触压力。如果脱扣时两者仍然正常过盈干涉，在脱扣过程中，两者会沿着轴向反方向滑动，脱扣后会在各自的金属密封面位置留下纵向划痕。反之，脱扣后不会在各自的金属密封面位置留下纵向划痕。脱扣的接箍工厂端内螺纹接头金属密封面没有正常啮合滑脱留下的纵向痕迹，说明脱扣时内外螺纹接头密封面没有接触。即脱扣时由于螺纹接头工厂上扣端松动后内外螺纹接头金属密封面没有接触干涉。

油管在下井过程中没有脱扣，在封隔器座封打压过程中发生了脱扣。这说明导致油管脱扣的载荷主要来自内压变化引起的附加载荷。在打压过程中脱扣接头所受最大拉伸载荷仅有厂家规定值的60.9%。如果接头没有发生松动，在打压座封过程中该油管接头所受最大拉伸载荷是不会引起油管脱扣的。

在正常上扣状态下，该种油管接头与管体等强度，在拉伸至失效后一般只发生断裂，而不发生脱扣。该井油管是脱扣失效的，在受拉伸载荷很小的情况下，油管只有松动之后才可能发生脱扣。那么，是什么原因会导致油管接头工厂上扣端松动呢？

油管是在打压座封过程中发生脱扣的。在打压座封过程中，油管压力从19 MPa-34 MPa变化了7次，每次打压会使油管承受了附加的交变拉伸载荷，与此同时油管还会承受泵压波动产生的震动载荷。作用在油管上的交变拉伸载荷和震动载荷有可能导致松配合的油管接头首先松动。

一般拉伸载荷或者压缩载荷有利于防止油管接头在井下松动，靠近管柱下部的油管容易在后续作业过程中松动的原因就是其承受的自重拉力小[10]。脱扣油管接头处在靠近井口的位置，按理来说，该位置油管接头不容易发生松动。这说明该油管上扣质量可能存在问题。

一般油管接头上扣扭矩越大，所需的倒扣扭矩也越大[11]。同一接箍两端接头受力条件差别不大，但却从接头工厂上扣端发生了脱扣，这主要与接头工厂端上扣扭矩小，容易松动有关。

在处理事故倒扣过程中，油管接头首先从工厂上扣端倒扣松开，说明接头工厂端上扣扭矩比现场端上扣扭矩小的油管除过脱扣的油管之外还有其它油管。

3.4 油管接头工厂端上扣扭矩统计分析

油管接头上扣扭矩过大，容易发生粘扣事故[12-13]；上扣扭矩不足，油管容易发生脱扣事故[14]。对该批3 295根油管上扣扭矩曲线统计分析结果表明， 8根油管上扣扭矩低于工厂规定的最小值。该批油管已经有1根油管工厂上扣端发生脱扣，对另外7根上扣扭矩不足的油管应采取补救措施，以防止再次发生油管脱扣事故。

3.5 严格执行塔里木油田油管订货技术协议有利于防止油管脱扣

油管在使用过程中会承受内压和交变拉伸载荷，为防止油管发生泄漏和脱扣，该油田订货技术标准要求按照ISO 13679 IV级试验程序和模拟震动载荷(拉伸载荷+交变的内压)补充试验要求对油管实物进行评价试验。如果脱扣的这根油管按照上述要求进行试验，就会在实验室发现问题。但是该批油管没有按照上述要求进行试验，致使某些上扣扭矩不足的油管也已经供给油田使用，最终在井下发生脱扣事故。

4 结论与建议

(1)油管柱是从油管接头薄弱环节松动之后才发生脱扣的，油管脱扣原因是其接头工厂端上扣扭矩不足，在后续座封打压作业过程中承受内压和震动等载荷之后首先发生松动，最终发生了脱扣。

(2)依据工厂上扣原始记录，该批油管还有7根上扣扭矩不足，建议按照工厂规定的最佳扭矩将该批油管接头工厂端重新紧扣，或者油管下井时采用浮动上扣(背钳夹持管体上扣)。

(3)建议工厂执行油田订货技术标准，改进油管上扣质量。

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Cause Analysis on Pullout of 88.9mm Tubing with Premium Connection in ZXG6-1 Well

LV Shuanlu1,2YANG Xiangtong1ZHOU Lizhi1LIU Hongtao1JI Xiaohong1

ZHANG Rixing1LIU Junyan1SHI Guijun1XU Yongkang1ZHANG Feng2(1.MaterialScienceandEngineeringDepartmentofChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；2.TarimOilField,Tarim,Xinjiang841000，China)

This paper gives an investigation on pullout accident of 88.9mm tubing with premium connection in the packer and seat sealing down assignments in ZXG6-1 Well, and gages and analyses on the dimension and thread parameter of the pulled out coupling. It is considered that the tubing string joint was pulled out because of the joint being loosed from weak position due to internal pressure and vibration load borne on the tubing string during packer and seat sealing down assignments. The cause of tubing joint being pulled out is that its make-up torque was not enough. There were a few tubing with not enough make-up torque in this batch of tubing per statistical analysis on the tubing make-up torque record in the mill. In order to prevent tubing from being pulled out, it is suggested that the tubing make-up quality should be improved, and some measures are put forward for using this batch of tubing.

tubing， coupling， premium connection， pullout

吕拴录， 男，1957年生，教授级高级工程师，1983年毕业于西安交通大学金属材料及热处理专业，一直从事石油管材质量监督、失效分析和科研工作。E-mail：lvshuanlu@163.com

TE921

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2096-0077(2015)01-0050-05

2014-11-04 编辑：马小芳)