石油管道用抗螺紋粘扣陶瓷涂層油套管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及油田管道螺紋連接技術(shù)領(lǐng)域及金屬陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)，特別涉及油套管抗粘扣陶瓷涂層及其制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]油管和套管分別是石油管材中排列第一和第二的兩大類產(chǎn)品，各油田每年用量普遍在百萬(wàn)米左右，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各油田油管年使用總量大約為23-25萬(wàn)。油套管在使用過(guò)程中，由于操作不當(dāng)和油套管自身抗粘扣性能差，粘扣問(wèn)題非常嚴(yán)重，特別是近幾年來(lái)，隨著石油專用管道國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加快以及采油井深的加深，油管的粘扣失效事故常常發(fā)生，大大縮短了油管的使用壽命且對(duì)工作安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。受石油價(jià)格居高不下的刺激，全世界石油供應(yīng)形勢(shì)異常嚴(yán)峻，一些地質(zhì)和環(huán)境條件十分苛刻的油氣田相繼投入使用，鉆井和完井新技術(shù)、新工藝陸續(xù)投入使用，從而導(dǎo)致了油井管服役條件日益復(fù)雜和嚴(yán)酷，這對(duì)油套管的性能提出更加嚴(yán)苛的要求，同時(shí)也加大了油套管粘扣失效事故的發(fā)生。油套管粘扣增加了油井的修井作業(yè)量，降低油、套管接頭的密封性能和承載能力，甚至導(dǎo)致脫扣，使油、套管柱壽命大幅度降，低給油田的生產(chǎn)造成影響，同時(shí)也給油田帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。
[0003]1991年，輪南25井和輪南30井所用的新油管經(jīng)過(guò)一次試油作業(yè)之后新油管全部粘扣報(bào)廢；1996年，一批國(guó)產(chǎn)油管在多口井發(fā)生粘扣事故；2000年，輪南11井進(jìn)口油管在試油作業(yè)時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重粘扣事故[2]。油管粘扣與上、卸扣速度有很大關(guān)系，API規(guī)定，油套管在上扣過(guò)程中，其轉(zhuǎn)速不能超過(guò)25r/min，但通常情況下，施工作業(yè)過(guò)程中上扣速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)API規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，有些油田甚至達(dá)到lOOr/min以上。對(duì)我國(guó)大部分油田管道粘扣事故調(diào)查分析結(jié)果顯示，在上扣過(guò)程中大部分油管外螺紋接頭均未戴螺紋保護(hù)器，因而產(chǎn)生嚴(yán)重磨損和塑性變形，螺紋的有些部位已經(jīng)進(jìn)入了屈服區(qū)，這加大了螺紋表面的不均勻性，給粘扣提供了條件；油管粘扣失效分析認(rèn)為油管嚴(yán)重粘扣與使用操作不當(dāng)有一定關(guān)系，其中上、卸扣轉(zhuǎn)速大引發(fā)的高熱量和局部塑性變形是發(fā)生嚴(yán)重粘扣的重要原因。
[0004]根據(jù)ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)的最新定義，粘扣是一種發(fā)生在相互接觸金屬表面間的冷焊。當(dāng)接觸的金屬表面間發(fā)生冷焊后，發(fā)生進(jìn)一步的相對(duì)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，焊點(diǎn)的強(qiáng)度超過(guò)金屬自身的強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起冷焊部位的撕裂。撕裂的金屬塊在兩種金屬間的微小的空隙內(nèi)被卡死，在后續(xù)的螺紋相對(duì)滑動(dòng)中，這些撕裂的金屬塊成為磨粒而對(duì)螺紋表面產(chǎn)生嚴(yán)重的劃傷并且導(dǎo)致螺紋的塑性變形，塑性變形進(jìn)一步引起更大范圍的冷焊發(fā)生，這樣的惡性循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行下去而使套管接頭和接口發(fā)生粘扣而快速失效。粘扣失效的力學(xué)分析認(rèn)為，冷焊發(fā)生需要的必要條件有三:潔凈的金屬表面，即金屬表面原子裸露；二是具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；三是一定的法向應(yīng)力或能量?，F(xiàn)行的油套管螺紋除了少數(shù)經(jīng)過(guò)涂鍍防腐層處理外，其余幾乎是直接鋼質(zhì)投入應(yīng)用，因此兩種金屬的表面受到法向應(yīng)力和扭矩的作用后，表面的氧化皮很容易剝落而裸露出新鮮的金屬原子，為冷焊提供了有利條件并進(jìn)而引發(fā)粘扣事故。
[0005]目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)工廠還沒(méi)有完全解決油、套管粘扣問(wèn)題。調(diào)查研究和失效分析結(jié)果表明，油、套管粘扣原因既與產(chǎn)品本身抗粘扣性能差有關(guān)，也與現(xiàn)場(chǎng)使用操作不當(dāng)有關(guān)。因此，要防止油、套管粘扣，首先應(yīng)當(dāng)研究解決油田所訂購(gòu)的油、套管本身存在的抗粘扣性能差問(wèn)題，對(duì)油、套管質(zhì)量提出嚴(yán)格的訂貨技術(shù)要求；同時(shí)，要研究解決使用操作問(wèn)題，對(duì)油、套管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提出嚴(yán)格要求，并研制和推廣油、套管引扣鉗。一些廠家從提高鋼材的抗粘扣性能出發(fā)，購(gòu)買高性能、抗粘扣性能好的鋼材生產(chǎn)油套管，這在一定程度上提高了油套管抗粘扣性能，但這帶來(lái)了購(gòu)買優(yōu)質(zhì)鋼材的費(fèi)用增高，其經(jīng)濟(jì)效益并不明顯；部分油田從操作規(guī)范出發(fā)，做了嚴(yán)格的上卸扣操作手冊(cè)和施工標(biāo)準(zhǔn)，這種方法對(duì)于預(yù)防粘扣事故的發(fā)生有良好的作用，但是存在執(zhí)行和監(jiān)督困難的缺點(diǎn)，對(duì)于上卸扣需要一定的人員操作，而且無(wú)法從根本上解決粘扣的發(fā)生；還有一些油田購(gòu)買了引扣和上卸扣設(shè)備，這些設(shè)備的使用從一定程度上減少了粘扣事故的發(fā)生，但是如上面的方法一樣，購(gòu)買和維護(hù)設(shè)備的成本增加且依然無(wú)法從根本上解決粘扣問(wèn)題。
[0006]粘扣發(fā)生的根本問(wèn)題是材料問(wèn)題。以上分析指出，粘扣問(wèn)題的本質(zhì)是冷焊引起的撕裂及塑性變形，冷焊發(fā)生的必要條件之一是潔凈的金屬表面裸露，且油套管螺紋連接件間的法向應(yīng)力非常大。陶瓷是抗壓和耐磨性能非常良好的一種材料，隨著表面技術(shù)的發(fā)展，陶瓷作為涂層的應(yīng)用面正在迅速的擴(kuò)大，在油套管的螺紋連接副之間涂敷上一層陶瓷涂層后，一方面隔絕金屬的直接接觸，從條件上根除了冷焊的發(fā)生，也就是防止了粘扣事故的發(fā)生；另一方面可以利用陶瓷的高的耐磨性和低的熱導(dǎo)性，實(shí)現(xiàn)螺紋耐磨性的提高和工作溫度的提聞，也就是提聞了施工時(shí)的上卸扣轉(zhuǎn)速，從而提聞了工作效率，因此該法可以從根本上克服油套管的粘扣問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)和方法無(wú)法克服油套管粘扣事故的發(fā)生，提出的一種易于施工、設(shè)計(jì)巧妙、無(wú)需改變?cè)瓉?lái)油套管的材質(zhì)的新型陶瓷涂層油套管及其制備技術(shù)。該新型油套管具有陶瓷的優(yōu)異耐磨性和低的熱導(dǎo)率，同時(shí)又具有金屬的韌性，是一種綜合成本低廉、使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)容易的新型油套管，在石油行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0008]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種用于石油行業(yè)的陶瓷涂層油套管，由合金基體、合金表面的氧化物薄膜和外層的陶瓷涂層構(gòu)成。
[0009]所述的油套管的基體可以是現(xiàn)在在役的所有油套管用鋼，成分和熱處理制度符合鋼種成分和熱處理要求，采用機(jī)加工成型；
所述的陶瓷涂層為水基復(fù)合溶膠粘結(jié)劑型陶瓷涂層，采用噴涂-燒結(jié)法施工，涂層厚度為10-100微米。
[0010]所述的陶瓷涂層骨料為Si02、Al203、Ca0、Mg0、Na20，顆粒的粒徑尺寸為5_50微米，各種尺寸顆粒間符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；
所述的陶瓷骨料中Si02、Al2O3和其余添加劑的比例為8:1:1飛:3:1。
[0011]一種用于石油行業(yè)的陶瓷涂層油套管的制備方法，所述的油套管外層的陶瓷涂層制備步驟如下:
1)將上述骨料成分的陶瓷顆粒放入混粉機(jī)中混合I小時(shí)，獲得成分均勻的陶瓷顆粒，然后再將顆粒放入球磨機(jī)中球磨4小時(shí)，得到粒徑按標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的陶瓷骨料；
2)直接利用油套管在制備和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中生成的氧化物薄膜，無(wú)需特殊處理。
[0012]3)在上述油套管的螺紋上均勻噴涂分散均勻的陶瓷涂層漿料，薄涂層單次噴涂指定厚度即可，厚涂層需分兩道次噴涂，每次噴涂厚度約為4(Γ50微