[发明专利]石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及油田管道螺纹连接技术领域及金属陶瓷复合材料制备技术，特别涉及油套管抗粘扣陶瓷涂层及其制备技术。

背景技术

油管和套管分别是石油管材中排列第一和第二的两大类产品，各油田每年用量普遍在百万米左右，据统计，我国各油田油管年使用总量大约为23-25万。油套管在使用过程中，由于操作不当和油套管自身抗粘扣性能差，粘扣问题非常严重，特别是近几年来，随着石油专用管道国产化进程的加快以及采油井深的加深，油管的粘扣失效事故常常发生，大大缩短了油管的使用寿命且对工作安全性构成严重威胁。受石油价格居高不下的刺激，全世界石油供应形势异常严峻， 一些地质和环境条件十分苛刻的油气田相继投入使用，钻井和完井新技术、新工艺陆续投入使用，从而导致了油井管服役条件日益复杂和严酷，这对油套管的性能提出更加严苛的要求，同时也加大了油套管粘扣失效事故的发生。油套管粘扣增加了油井的修井作业量，降低油、套管接头的密封性能和承载能力，甚至导致脱扣，使油、套管柱寿命大幅度降，低给油田的生产造成影响，同时也给油田带来巨大的经济损失^[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新油管全部粘扣报废；1996年, 一批国产油管在多口井发生粘扣事故；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^[2]。油管粘扣与上、卸扣速度有很大关系，API规定，油套管在上扣过程中，其转速不能超过25r/min，但通常情况下，施工作业过程中上扣速度远远超过API规定的标准，有些油田甚至达到100r/min以上。对我国大部分油田管道粘扣事故调查分析结果显示,在上扣过程中大部分油管外螺纹接头均未戴螺纹保护器，因而产生严重磨损和塑性变形，螺纹的有些部位已经进入了屈服区，这加大了螺纹表面的不均匀性，给粘扣提供了条件；油管粘扣失效分析认为油管严重粘扣与使用操作不当有一定关系，其中上、卸扣转速大引发的高热量和局部塑性变形是发生严重粘扣的重要原因。

根据ISO 13679 标准的最新定义，粘扣是一种发生在相互接触金属表面间的冷焊。当接触的金属表面间发生冷焊后，发生进一步的相对滑动或旋转，焊点的强度超过金属自身的强度时，将会引起冷焊部位的撕裂。撕裂的金属块在两种金属间的微小的空隙内被卡死，在后续的螺纹相对滑动中，这些撕裂的金属块成为磨粒而对螺纹表面产生严重的划伤并且导致螺纹的塑性变形，塑性变形进一步引起更大范围的冷焊发生，这样的恶性循环继续进行下去而使套管接头和接口发生粘扣而快速失效。粘扣失效的力学分析认为，冷焊发生需要的必要条件有三：洁净的金属表面，即金属表面原子裸露；二是具有相对运动；三是一定的法向应力或能量。现行的油套管螺纹除了少数经过涂镀防腐层处理外，其余几乎是直接钢质投入应用，因此两种金属的表面受到法向应力和扭矩的作用后，表面的氧化皮很容易剥落而裸露出新鲜的金属原子，为冷焊提供了有利条件并进而引发粘扣事故。

目前, 国内外大多数工厂还没有完全解决油、套管粘扣问题。调查研究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。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、套管本身存在的抗粘扣性能差问题, 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。一些厂家从提高钢材的抗粘扣性能出发，购买高性能、抗粘扣性能好的钢材生产油套管，这在一定程度上提高了油套管抗粘扣性能，但这带来了购买优质钢材的费用增高，其经济效益并不明显；部分油田从操作规范出发，做了严格的上卸扣操作手册和施工标准，这种方法对于预防粘扣事故的发生有良好的作用，但是存在执行和监督困难的缺点，对于上卸扣需要一定的人员操作，而且无法从根本上解决粘扣的发生；还有一些油田购买了引扣和上卸扣设备，这些设备的使用从一定程度上减少了粘扣事故的发生，但是如上面的方法一样，购买和维护设备的成本增加且依然无法从根本上解决粘扣问题。