特殊扣專用螺紋脂的制備及研究

賀 波，孫 奇，王榮敏，田 峰，余 志，張娟濤

(1. 中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2. 中國石油天然氣股份有限公司玉門油田環(huán)慶分公司 甘肅 酒泉 735215； 3. 中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司油田開發(fā)事業(yè)部 陜西 西安 710018)

0 引 言

近年來，各大鉆采公司逐漸開發(fā)深井和超深井，所以使用的管柱必須能夠承受更高的復(fù)合載荷(機械和熱力學荷載)，并在整個油氣井使用期間保持完整性[1]。在這種情況下，特殊扣接頭應(yīng)運而生，并廣泛應(yīng)用于塔里木油田、西南油氣田的高壓氣井以及長慶油田的一些高壓壓裂井等。為了承受更高的復(fù)合載荷，特殊扣接頭的密封性必須足夠高，并且主要取決于接觸壓力、表面特性以及使用的螺紋脂[2]。特殊扣接頭使用的螺紋脂，在使用性能方面，不僅需要對特殊扣接頭的螺紋部分起到良好的潤滑和抗磨損作用，還需要對特殊扣接頭的密封面起到良好的潤滑和抗磨損作用；在環(huán)保方面，該螺紋脂選用的的固體潤滑劑填料需符合國家環(huán)保要求[3]。目前國內(nèi)的特殊扣接頭使用最普遍的是bestolife 2000螺紋脂，并且需要大量進口。該螺紋脂是API改進型螺紋脂的非金屬替代物且性能超過了API改進型螺紋脂，適用于特殊扣接頭。但國內(nèi)螺紋脂廠商的產(chǎn)品仍然以API改進型螺紋脂為主，從用途上嚴格來說，API改進型螺紋脂是針對API接頭設(shè)計的螺紋脂，對于特殊扣接頭并不適用。從產(chǎn)品成分來說，API改進型螺紋脂含有毒性很高且使用后會嚴重危害環(huán)境的重金屬顆粒(鉛、銅和鋅)，而國家近年來逐步禁止鉛、銅和鋅的傾倒，這就促使石油工業(yè)使用環(huán)保型螺紋脂[4]。因此，針對國內(nèi)特殊扣螺紋脂使用現(xiàn)狀開發(fā)一種環(huán)保型特殊扣接頭專用螺紋脂，以替代進口螺紋脂成為迫切的需要。

1 試驗部分

1.1 藥品和試劑

潤滑油、粘土稠化劑、無定型石墨、二氧化鈦、云母粉、PMMA、三聚氰胺氰尿酸酯、特殊扣油管(88.9 mm× 6.45 mm，P110鋼級，扣型BGT)，無機填料的純度均在99%以上。

1.2 螺紋脂樣品成分

表1為螺紋脂成分表，表中為各成分質(zhì)量百分比含量范圍。

表1 螺紋脂樣品成分

1.3 試驗器材

表2中所列儀器為本次試驗中所用的儀器，且所用儀器經(jīng)過計量校準。

表2 試驗器材

1.4 試驗步驟

1)首先根據(jù)表1的成分配比制備螺紋脂樣品1#和2#備用； 2)然后稱取少量樣品，測試其基本的理化性能； 3)在四球摩擦試驗機上測試樣品的摩擦系數(shù)； 4)在特殊扣油管上均勻涂抹螺紋脂樣品，按照最佳扭矩進行上/卸扣試驗，十上九卸，最佳上扣扭矩為4 850 N·m。

2 結(jié)果與結(jié)論

2.1 理化性能

為了使螺紋脂的理化性能滿足API 5A3的要求，對螺紋脂樣品成分進行適當調(diào)節(jié)后，用表2中所列儀器分別測試螺紋脂樣品的錐入度、滴點、分油量、逸氣量、水瀝濾和涂刷性。測試結(jié)果見表3，從表3看出所制備螺紋脂樣品的理化性能指標滿足API 5A3的規(guī)定[5]。表3中列出的分類性能指標也說明所制備1#和2#螺紋脂的潤滑性、物理和化學穩(wěn)定性(在使用和儲存條件下)、可涂刷性和粘附性滿足使用要求。由表3可知，API改進型螺紋脂的滴點高于1#和2#螺紋脂，主要原因與本次試驗中選用的潤滑油和稠化劑的種類和比例有關(guān)，并有待進一步平衡潤滑油和稠化劑的比例。從表3也可以看出本次試驗制備的1#和2#試樣的理化性能指標與市售API改進型螺紋脂的指標基本相似。并在理化性能與傳統(tǒng)API改進型螺紋脂相似的前提下，可以進一步比較其摩擦和潤滑性能。在溫度過高的油氣井中，高滴點的螺紋脂質(zhì)量損失小，以此提供可靠的密封性能。反之，如果滴點過低則油脂損失量較大，會造成接頭泄漏，這也是許多老的油氣井井口漏氣的原因。API改進型螺紋脂滴點達到250 ℃，能夠滿足高溫油氣井的使用要求。雖然1#和2#螺紋脂的滴點低于API改進型螺紋脂，但其仍然可以滿足特殊扣接頭對螺紋脂的使用溫度要求。因此，從螺紋脂理化性能分析結(jié)果來看，1#和2#螺紋脂可以應(yīng)用于特殊扣型接頭。

表3 螺紋脂樣品的理化性能測試結(jié)果

2.2 摩擦系數(shù)

螺紋脂在起潤滑作用的同時，必須提供一致的、穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。當一個接頭被扣緊時，作用在上扣肩部和螺紋側(cè)面的摩擦力產(chǎn)生了一個相對擰緊的阻力。在相同的上扣扭矩下，低摩擦阻力的連接比高摩擦阻力的連接更緊密，并且摩擦系數(shù)用來修正上扣扭矩。由此可知，摩擦系數(shù)是螺紋脂一個重要的性能指標[6]。圖1為1#螺紋脂、2#螺紋脂和API改進型螺紋脂的試驗力與摩擦系數(shù)圖，從圖1中可以看出API改進型螺紋脂的試驗力與摩擦系數(shù)呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，線性擬合后的方程為y=0.08-9.07×10-7x，其斜率為-9.07×10-7，且斜率標準偏差小于0.001，說明API改進型螺紋脂的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，幾乎不隨試驗力的增加而發(fā)生改變，并通過計算得到API改進型螺紋脂的平均摩擦系數(shù)為0.08。從圖1中看出1#螺紋脂的摩擦系數(shù)與試驗力表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，線性擬合后的方程為y=0.06+2.86×10-5x，其斜率為2.86×10-5，且斜率標準偏差小于0.001，說明1#螺紋脂的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，但隨著試驗力的增加呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，并通過計算得到1#螺紋脂的平均摩擦系數(shù)為0.09。從圖1中也看出2#螺紋脂的摩擦系數(shù)與試驗力也表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，線性擬合后的方程為y=0.08+2.46×10-5x，其斜率為2.46×10-5，且斜率標準偏差小于0.001，說明2#螺紋脂的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，但隨著試驗力的增加也呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，并通過計算得到2#螺紋脂的平均摩擦系數(shù)為0.08。

圖1 試驗力vs. 摩擦系數(shù)

由上述測試結(jié)果可知，1#、2#和 API改進型螺紋脂的摩擦系數(shù)非常穩(wěn)定，能夠為油套管螺紋接頭提供可靠的連接保障。雖然1#和2#樣品的摩擦系數(shù)隨著試驗力的增加呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，但是本次試驗中制備的兩個螺紋脂樣品的摩擦系數(shù)波動性很小，也可以滿足絕大多數(shù)用戶的使用要求。另外，需要說明的是，本次試驗采用四球摩擦試驗機研究三種螺紋脂的摩擦系數(shù)，僅為本次試驗負責，且與API 5A3所述的方法并不沖突。根據(jù)表1中1#和2#螺紋脂樣品的成分配比可知，兩者組成成分里僅有三聚氰胺氰尿酸酯和PMMA粉不同，然而兩種螺紋脂的平均摩擦系數(shù)卻出現(xiàn)了的差異，其原因是三聚氰胺氰尿酸酯和PMMA粉相對于鋼的不同的摩擦性能差異對螺紋脂的摩擦系數(shù)造成影響。

2.3 全尺寸上/卸扣試驗結(jié)果

2.3.1 上扣試驗結(jié)果

在接頭上扣過程中，螺紋脂能起到潤滑連接的作用，以使連接臺肩獲得適當?shù)妮S向應(yīng)力。如果由于磨損或返工不合格而使配合面不平行，則該螺紋脂還用于將應(yīng)力分布在臺肩周圍。由此，通過上扣試驗驗證所制備螺紋脂的潤滑性。A組、B組和C組的特殊扣油管分別均勻涂抹1#、2#和API改進型螺紋脂的上扣扭矩vs. 上扣圈數(shù)曲線如圖2(a)、2(b)和2(c)所示。從圖2可以看出特殊扣油管螺紋表面均勻涂抹1#螺紋脂、2#螺紋脂和API改進型螺紋脂的上扣扭矩vs. 上扣圈數(shù)曲線均由3部分組成，即1)螺紋接觸部分，扭矩較小并且曲線較為平緩；2)密封過盈接觸部分，扭矩隨著過盈量的增加而增大，曲線坡度增大；3)密封面接觸和臺肩部分，扭矩陡然增大，曲線斜率明顯增加[7]。而且，當密封面開始接觸時，均勻涂抹1#螺紋脂和2#螺紋脂的上扣曲線的拐點清晰，分別為1 480 N·m和1 610 N·m，且拐點扭矩位于合理范圍。但是，涂抹API改進型螺紋脂的上扣曲線拐點為3 120 N·m，拐點位置較高，且高于1#和2#螺紋脂。由此說明，在特殊扣接頭上使用1#螺紋脂、2#螺紋脂和API改進型螺紋脂，能夠使公扣端部與接箍臺肩頂上，達到預(yù)期上扣效果。

通常，API圓螺紋接頭的上扣扭矩曲線主要包括螺紋和密封過盈部分。特殊扣接頭的典型上扣扭矩曲線除了應(yīng)具有上述的3個基本組成部分，拐點還應(yīng)明顯位于合理的扭矩區(qū)間。1#和2#螺紋脂的上扣曲線滿足特殊扣連接的上扣要求，是特殊扣接頭良好上扣質(zhì)量的必要條件。另外，考慮到人員操作對于接頭結(jié)構(gòu)完整性和防漏性的影響，需在上扣過程進行嚴密監(jiān)控。例如，低/高最終扭矩，超過屈服的扭矩，未出現(xiàn)拐點，不連續(xù)的扭矩增量等。卸扣操作期間也要采取類似的措施，以進一步檢查接頭的上扣質(zhì)量。

圖2 上扣扭矩vs. 上扣圈數(shù)

2.3.2 卸扣試驗結(jié)果

根據(jù)ISO 13679的要求，對特殊扣油管進行十上九卸的試驗操作，以進一步驗證特殊扣型接頭所用螺紋脂的抗粘扣性能[8]。A/B兩組特殊扣油管接頭分別涂抹1#和2#螺紋脂，進行上/卸扣試驗，并在每次卸扣后檢查接頭螺紋及密封面是否完好。A組特殊扣接頭，第一至九次卸扣后螺紋及密封面都完好無損，第九次卸扣后的公扣螺紋表面照片如圖3(a)所示。B組特殊扣接頭第一至五次卸扣后螺紋及密封面保持完好，但第六次卸扣后，公扣密封面卻出現(xiàn)磨損痕跡，如圖3(b)所示。另外，A/B兩組特殊扣接頭的母扣在上卸扣過程中螺紋表面保持完好。由此說明1#螺紋脂的抗磨損性能良好，能夠保證特殊扣接頭的上扣質(zhì)量合格，從而保證特殊扣接頭的氣密封性能；而2#螺紋脂的抗磨損性能較差，不能滿足特殊扣接頭的使用要求。

圖3 公扣螺紋

商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的API改進型螺紋脂，在長時間使用過程中，大量的金屬顆粒會因為自身重量出現(xiàn)金屬顆粒偏析，但是由于該螺紋脂含有大量的金屬鉛顆粒，能夠形成保護膜，從而避免了螺紋的損傷。并且，對于API油套管，柔軟的金屬顆粒能夠封閉潛在的泄漏路徑，從而提高密封能力。由此，保護膜的形成對保護接頭螺紋至關(guān)重要。1#螺紋脂和2#螺紋脂不含有金屬顆粒，兩者僅在成分上有明顯差別，1#螺紋脂中含有不足10%的三聚氰胺氰尿酸酯，2#螺紋脂中含有相同量的PMMA粉。從材料性能上分析，可能是由于三聚氰胺氰尿酸酯在上扣過程中擠壓受熱發(fā)生溶脹和石墨、鈦白粉相結(jié)合形成保護膜，避免了螺紋表面的磨損，然而PMMA粉在使用過程中不能形成保護膜，而造成了螺紋表面的磨損[9]。

3 結(jié) 論

1) 1#和2#螺紋脂試樣的理化性能指標符合API 5A3的要求；1#和2#螺紋脂試樣的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，符合使用要求。

2) 1#和2#螺紋脂試樣應(yīng)用于特殊扣接頭，兩者上扣曲線均呈現(xiàn)三個階段，并且拐點都位于合理的扭矩區(qū)間，符合特殊扣接頭的上扣要求。

3) 1#螺紋脂具有良好的抗磨損性能，并且不含有重金屬粉末，可以作為環(huán)保型螺紋脂應(yīng)用于特殊扣接頭，具有廣泛的應(yīng)用前景。