CN104879067A - 石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管及其制备方法，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。该抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管，由合金基体、合金表面的氧化物薄膜和外层的陶瓷涂层构成。陶瓷涂层隔绝了螺纹连接副之间的直接接触，防止了金属间冷焊的发生，从而防止了粘扣事故的发生。这种陶瓷涂层为水基复合溶胶包覆陶瓷颗粒型涂层，具有金属陶瓷复合材料的特性，如耐磨、耐冲刷、可防止合金基体间发生互扩散、可防止金属间冷焊等；具有耐用、节省材料、简化工业操作等优点，因而具有工业实用性。

Description

石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管及其制备方法

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。

粘扣发生的根本问题是材料问题。以上分析指出，粘扣问题的本质是冷焊引起的撕裂及塑性变形，冷焊发生的必要条件之一是洁净的金属表面裸露，且油套管螺纹连接件间的法向应力非常大。陶瓷是抗压和耐磨性能非常良好的一种材料，随着表面技术的发展，陶瓷作为涂层的应用面正在迅速的扩大，在油套管的螺纹连接副之间涂敷上一层陶瓷涂层后，一方面隔绝金属的直接接触，从条件上根除了冷焊的发生，也就是防止了粘扣事故的发生；另一方面可以利用陶瓷的高的耐磨性和低的热导性，实现螺纹耐磨性的提高和工作温度的提高，也就是提高了施工时的上卸扣转速，从而提高了工作效率，因此该法可以从根本上克服油套管的粘扣问题。

发明内容

   本发明是为了解决现有技术和方法无法克服油套管粘扣事故的发生，提出的一种易于施工、设计巧妙、无需改变原来油套管的材质的新型陶瓷涂层油套管及其制备技术。该新型油套管具有陶瓷的优异耐磨性和低的热导率，同时又具有金属的韧性，是一种综合成本低廉、使用寿命长，维护容易的新型油套管，在石油行业中具有广泛的应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于石油行业的陶瓷涂层油套管，由合金基体、合金表面的氧化物薄膜和外层的陶瓷涂层构成。

所述的油套管的基体可以是现在在役的所有油套管用钢，成分和热处理制度符合钢种成分和热处理要求，采用机加工成型；

所述的陶瓷涂层为水基复合溶胶粘结剂型陶瓷涂层，采用喷涂-烧结法施工，涂层厚度为10-100微米。

所述的陶瓷涂层骨料为SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、Na₂O，颗粒的粒径尺寸为5-50微米，各种尺寸颗粒间符合标准正态分布；

所述的陶瓷骨料中SiO₂、Al₂0₃和其余添加剂的比例为8:1:1~6:3:1。

一种用于石油行业的陶瓷涂层油套管的制备方法，所述的油套管外层的陶瓷涂层制备步骤如下：

1） 将上述骨料成分的陶瓷颗粒放入混粉机中混合1小时，获得成分均匀的陶瓷颗粒，然后再将颗粒放入球磨机中球磨4小时，得到粒径按标准正态分布的陶瓷骨料；

2） 直接利用油套管在制备和储运过程中生成的氧化物薄膜，无需特殊处理。

3） 在上述油套管的螺纹上均匀喷涂分散均匀的陶瓷涂层浆料，薄涂层单次喷涂指定厚度即可，厚涂层需分两道次喷涂，每次喷涂厚度约为40~50微米，形成基体-氧化物薄膜-陶瓷涂层；

4） 将喷涂后的油套管室温阴干4~6小时，烧结成型；

5） 将形成致密的陶瓷涂层的合金基体用2000#砂纸轻轻摩擦，去除表面附着的氧化物和其他杂质。

本发明的有益效果在于：

1） 本发明所述的陶瓷涂层油套管，其外层为陶瓷体，表面具有优异的耐磨性，在上卸扣过程中可无需使用螺纹保护器，用后效果更好。

2） 本发明所述的陶瓷涂层油套管，具有与金属基体完全不同的机械性能以及结构，两种不同质的材料之间无法发送冷焊，也就是无法产生粘扣。

3） 本发明所述的陶瓷涂层油套管提高了使用寿命，大大升高了更换新管道周期，可显著减低购买管道以及停工歇业和人员等的经济损失。

4） 本发明在原来的基础上喷涂一层陶瓷涂层，可对再服役油套管进行修正，使其使用寿命大大提高。

5） 本发明所述的陶瓷涂层油套管，其陶瓷涂层和氧化物层可以防止金属与金属之间的胡扩散，使涂层结构保持稳定。

附图说明

    图1为陶瓷涂层油套管结构示意图。

具体实施方式

图1为石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管结构示意图，陶瓷涂层油套管由合金基体、氧化物薄膜和陶瓷涂层构成，陶瓷涂层由配置好的浆料通过喷涂法均匀涂敷到螺纹上进行烧结成型，陶瓷涂层具有溶胶包覆氧化物陶瓷颗粒结构，大的陶瓷颗粒构成耐磨件，小的起到弥散增强作用，陶瓷颗粒包含SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO和Na₂O。

实施例1

将粒度为30微米的SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO按8：1:0.5:0.5的比例装入混粉机中混合1小时，按陶瓷颗粒与复合溶胶的比例9:1放入旋转式球磨机中球磨4小时，得到陶瓷涂层浆料。陶瓷涂层浆料通过空气压缩机喷漆枪均匀喷涂到油套管的螺纹部，喷涂厚度为100微米，喷涂完成后的油套管室温阴干4小时后用火焰喷枪对喷涂部分进行火焰烘烤烧结，形成石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管。将此陶瓷涂层抗粘扣油套管进行上卸扣试验，试验转速25r/min，经过10次上卸扣试验未发现粘扣现象。

实施例2

将粒度为30微米的SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO按7：2:0.5:0.5的比例装入混粉机中混合1小时，按陶瓷颗粒与复合溶胶的比例9:1放入旋转式球磨机中球磨4小时，得到陶瓷涂层浆料。陶瓷涂层浆料通过空气压缩机喷漆枪均匀喷涂到油套管的螺纹部，喷涂厚度为100微米，喷涂完成后的油套管室温阴干4小时后用火焰喷枪对喷涂部分进行火焰烘烤烧结，形成石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管。将此陶瓷涂层抗粘扣油套管进行上卸扣试验，试验转速25r/min，经过10次上卸扣试验未发现粘扣现象。

引用文献

[1] 李鹤林,韩礼红,张文利.高性能油井管的需求与发展[J].专家论坛，38（1），1-9.

[2] 吕拴录,骆发前,周杰等.API油套管粘扣原因分析及预防[J]. 钻采工艺,33(6),80-83.

Claims (7)

1.石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管,其特征在于所述的油套管由合金基体、氧化物薄膜和陶瓷涂层构成；

所述的油套管的基体可以是现在在役的所有油套管用钢，成分和热处理制度符合钢种成分和热处理要求，采用机加工成型；

所述的陶瓷涂层具有复合溶胶包覆陶瓷颗粒结构，复合溶胶为连续相，陶瓷颗粒其增强作用；

所述的陶瓷涂层为水基复合溶胶粘结剂型陶瓷涂层，采用喷涂-烧结法施工，涂层厚度为10-100微米。

2.根据权利要求1所述的石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管，其特征在于所述的陶瓷涂层骨料为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O，颗粒的粒径尺寸为5微米-50微米，各种尺寸颗粒间符合正态分布规律。

3.石油管道用抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管的制备方法，其特征在于：所述的抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管外层的陶瓷涂层制备步骤如下：

1）将上述骨料成分的陶瓷颗粒放入混粉机中混合1小时，获得成分均匀的陶瓷颗粒，然后再将颗粒放入球磨机中球磨4小时，得到粒径按正态分布的陶瓷骨料；

2）直接利用油套管在制备和储运过程中生成的氧化物薄膜，无需特殊处理；

3）在上述油套管的螺纹上均匀喷涂分散均匀的陶瓷涂层浆料，薄涂层单次喷涂指定厚度即可，厚涂层需分两道次喷涂，每次喷涂厚度约为40~50微米，形成基体-氧化物薄膜-陶瓷涂层；

4）将喷涂后的油套管室温阴干4~6小时，烧结成型；

5）将形成致密的陶瓷涂层用2000#砂纸轻轻摩擦，去除表面附着的氧化物和其他杂质。

4.根据权利要求3所述的抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管的制备方法，其特征在于所述的步骤1）中颗粒粒径尺寸的分布通过混粉机混合1小时后再置于球磨机中球磨4小时。

5.根据权利要求3所述的抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管的制备方法，其特征在于所述的步骤3）中涂层由喷涂法涂敷，分两道次喷涂，单次喷涂厚度不超过50微米。

6.根据权利要求3所述的抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管的制备方法，其特征在于所述的步骤4）中喷涂后室温阴干4~6小时，再烧结成型。

7.根据权利要求3所述的抗螺纹粘扣陶瓷涂层油套管的制备方法，其特征在于所述的步骤5）中将烧结后的陶瓷涂层用2000#砂纸轻轻摩擦的方法去除表面的氧化物和其他杂质。