夾持不打滑 – 硬面鉻管的安全運行與管理

1、夾持不打滑 硬面鉻管的安全運行與管理在有腐蝕性環(huán)境的井下，如果不采取適當的防護措施，一個完井的使用壽命會嚴重減少。由耐腐蝕合金（CRA）制成的管道可用來最大限度地減少腐蝕。最近，鋼鐵制造商已經研發(fā)出了改良的耐腐蝕合金（CRA），具體如Cr13的衍生物，其特征是管道外有著一層黑色光滑的表面。當這些所謂的“超級合金”或“超耐蝕合金”剛開始使用時，從現場工作人員那偶爾會傳來打滑的報告。幸運的是，沒有管柱的損失，也沒有傷亡事故的發(fā)生，然而，由于需要恢復安全操作，從而失去了寶貴的鉆井時間。這些滑動發(fā)生在各個卡瓦牙與各類卡瓦式吊卡或卡盤之間。漢諾威大學進行的一項調查顯示，上述整個管道表面，有超過60 Rc

2、硬度。即使卡瓦牙使用特殊的夾持零件，專門為耐蝕合金管道設計，如Micro-Grip系統，有一定大的硬度，也僅僅略高于此種管道表面的硬度。使用傳統的楔型卡盤和吊卡系統，如果沒有采取特殊的防護措施，在一定負載條件下會導致打滑?；谶@些結果和楔型卡盤、吊卡的工作原理，一種新式小型化卡盤吊卡被設計出來了。該設備可以受氣壓或液壓控制，并且，給卡瓦施加了一個高達40噸液壓的向下的力，因此，必須保證有嚴密的監(jiān)控。除了傳統的鋼制卡瓦牙，該設備能配備一個可以將要求載荷量均等分配到許多小尖峰上的夾持系統的卡瓦牙，即Micro-Grip卡瓦牙。這可以最大限度地減小每個峰值的壓痕損傷，因此，以往的研究和實地經驗表明，

3、保持管道表面的完整性和防止管道腐蝕有關。該設備可以嵌裝在鉆臺上，進一步提高了安全性。1.引言 在有腐蝕性環(huán)境的井下，如果不采取充足的防護措施，一個完井的使用壽命會嚴重減少。尤其是對于由耐蝕合金制成的專門用于減輕腐蝕強度的管狀材料。由于油井里各種各樣的井下環(huán)境，如溫度、可溶解和不可溶解氣體，以及隨深度變化的壓力，需要全面綜合地規(guī)劃一個最佳的防腐保護系統。對井下環(huán)境的分析，可指導選擇適當的材料，以確保在目前的腐蝕性環(huán)境下的最長壽命。 鋼管生產廠家，已經對運營公司的特殊要求作出反應。用于提高合金的耐腐蝕的主要成分是的鉻。通常，在C.R.A.合金中鉻含量可達13，偶爾鉻含量會較高，以應對特殊的腐蝕條件

4、。 傳統的卡盤和吊卡卡瓦牙產生的拉磨劃痕能夠助長腐蝕。一個名叫Micro-Grip的夾持系統能將要求載荷量均等地分配到許多小尖峰上，以最大程度地減輕每個尖峰的壓痕。 在技術文獻中能發(fā)現，從很多實例中清楚地表明，鋼管表面的損壞或壓痕與加速腐蝕之間的關系。幾個涉及腐蝕的事故，無論從動力鉗或卡盤吊卡裝備都可歸咎于拉磨劃痕，室內實驗已明確顯示出卡盤拉磨劃痕，鉗牙刻痕和腐蝕之間的關系。 對于操作避免造成這類損害的系統的必要性，在這些文獻中都有專門的表述。 不損害鋼管表面完整性，用以操作和運行耐蝕合金管材的特殊設備已開發(fā)出來，從而提高了管道的整體耐蝕性。2.C.R.A.設備的管理和運行 運行使用（CRA）

5、管材時，必須格外小心，重點在于正確管理設備和程序，以保持鋼管表面的完整性，從而防止嚴重腐蝕。2.1操作位置 操作的位置，如從運輸箱卸載耐腐蝕管道時，可將他們準備在管架上，再提升到井架上，且必須使用工具及其輔助配件，以防止鋼管表面和“黑色”鋼或其他金屬之間的直接接觸。 以下是一些關于必須采用的防護措施，以及整個操作系統中一小部分必須使用的部件的例子： 管架和通道應鋪上木板或內襯彈性體（如橡膠墊）。 應采用氣動保護和鉆孔導向，以防止損壞螺紋以及易于改善操作。 鋼管必須使用聚四氟乙烯涂層的工具沖孔。2.2套管鉗的特殊模具（Micro-Grip鉗） 傳統的液壓套管鉗鋼?？赡軙斐杀砻鎿p傷，從而導致腐蝕

6、。摩擦防滑系統已經開發(fā)出來，用于在較高的上扣力矩下的螺紋連接，且在鋼管上沒有表面壓痕。然而，這些防滑摩擦系統只能提供有限的最大轉矩，尤其是當鋼管的表面潮濕或油膩時，或當這種所謂的“無痕接入口”的摩擦傳輸能力有所限制時。 一種新式夾持模具系統已經開發(fā)出來，即不通過摩擦，而是通過使用內嵌在一個彈性體中的鋸齒狀立式抓持條來傳遞力矩，被稱為Micro-Grip卡盤系統。傳遞扭力矩所需要的力被均等地分配到很多個小型抓持零件上，因此每個獨立抓持零件上的壓痕得到了最大程度的減?。ㄒ妶D1）。科學測試表明，當使用Micro-Grip卡瓦牙時，保持了CRA鋼管表面的完整性，因此它的防腐性能也保存了下來。 該系統已

7、成功輸入超過20.000Nm的扭矩，用于普通標準鋼和傳統的含鉻量13%的管道材料，如有高研磨硬度的“超級合金”或“超耐蝕合金”。2.3裝有Micro-Grip 卡瓦牙的卡盤和吊卡 卡盤和吊卡系統在運行操作過程中是用來支撐套管、襯墊或在某些地方支撐完井管柱的。通常情況下，楔式卡瓦系統作用在管柱垂直方向的分力，可產生一個楔形度，從而產生支撐管柱所需的夾持力。作為替代方案，能承受聯軸器上整個管柱重量的系統也是可用的。傳統的卡盤和吊卡系統，配備有包含在系統啟用時會滲入到鋼管表面的鋼制模具的卡瓦。由于楔形度，壓在鋼管表面的力正比于被卡盤或吊卡支撐起的重量。徑向力與軸向力的比例取決于楔角的大小。 

8、;  正如Micro-Grip技術是為了套管鉗而研發(fā)，如此類似的卡瓦牙則是為了卡盤和吊卡而開發(fā)的。該系統結合了傳統楔形卡盤、吊卡的工作原理和一種新設計的抓持系統。管柱的總荷載分散地分布在嵌入彈性材料的一個抓持鋼條中成千上萬個細齒切口上。 徑向力壓在彈性材料上，且將壓力依次均等分配到所有的夾持鋼條上。因此夾持鋼條上每個尖峰實際上都負載著和鋼管表面同樣的徑向力，即使是表面不平整，或者鋼管的幾何形狀顯示為如橢圓（圖2）等的不平衡形式。 徑向負載的總體分配，由此在夾持鋼條上的每個峰尖產生低荷載，都致使管材中每個峰尖的壓痕都得到了最大程度地減輕。    最初，傳統的卡盤和吊

9、卡都配備有特別設計的包含卡瓦牙保持架的卡瓦。在此期間，現場實地經驗推動了具有特別設計的卡盤和吊卡的發(fā)展，被稱為Vario小型卡盤吊卡系統。 開發(fā)的兩個類型為200噸的Vario小型卡盤吊卡（圖3）和350噸的Vario小型卡盤吊卡（圖4）。 這類卡盤吊卡將結構緊湊、氣動或液壓控制的優(yōu)點以及Micro-Grip技術相結合。2.3.1 200噸型 Vario小型卡盤吊卡 200噸的Vario小型卡盤吊卡開發(fā)于1995年，可以作為兩種配置使用卡盤或吊卡。提供了一個控制線標準為1”插槽，然而插槽的選擇擴寬到標準4”的直徑，用來允許這種設備在大多數要求完成的操作中能得以使用。技術數據（表1）高度（卡盤配

10、置） 720毫米高度（吊卡配置） 650毫米直徑（包含頂伸吊環(huán)） 800毫米直徑（不包含頂伸吊環(huán)） 520毫米重量（不含卡瓦） 800公斤容量 200短噸鋼管尺寸范圍 2 5/8”5 1/2”2.3.2 350噸型 Vario小型卡盤吊卡 350噸的Vario小型卡盤吊卡，開發(fā)于2000年上半年，也可以作為卡盤或吊卡使用。提供了一個中央控制槽為110毫米（4 1/2”）的標準來允許在大多應用中，包括只能完井作業(yè)。技術數據（表2）高度（卡盤配置） 983毫米高度（吊卡配置） 1483毫米直徑（包含頂伸吊環(huán)） 1169毫米直徑（不包含頂伸吊環(huán)） 870毫米重量（不含卡瓦） 2500公斤容量 350

11、短噸管道尺寸范圍 2 7/8”7 5/8”這兩種卡盤吊卡類型都可使用一種稱為“籃子”的設備進行嵌入式安裝。可以插入到一個37.5”標準的回轉臺。在最大允許韌性范圍內，200噸的Vario小型卡盤吊卡卡瓦使用一個套管適配器后也可用于350噸的Vario小型卡盤吊卡（見圖4）。3 由于硬質管表面引起的打滑 Micro-Grip防滑系統在實地現場已成功使用了一些年，但突然之間，在1998/99年度，出現了Micro-Grip防滑系統夾持失去控制的個別事故報告。后來更多的事故從更加廣泛的地區(qū)報道出來，如：阿曼埃及南美洲墨西哥灣挪威英國阿爾及利亞這似乎隨機出現在整個工作過程中的打滑事故，包括了在4 1/

12、2”和7”范圍內的各種尺寸大小，也似乎與鋼管的重量無關，因為他們發(fā)生在各種不同的載荷下。這些事故的發(fā)生在設備和環(huán)境因素之間沒有任何關系，也沒有任何事件導致非常危險的情況。 事件發(fā)生后的立即調查顯示，在所有的報告事故中,一種新的CRA合金被認為是超級或超Cr13型合金被包含了進來。這被一些主要鋼鐵制造商推崇為適用于存在少量H2S的油氣井中，或是由于高溫引起嚴重腐蝕的井下環(huán)境的超級耐蝕合金。進一步的實地考察報告指出，傳統的鋼模具也未能牢牢夾持住鋼管表面。操作單位報告指出這個問題，在于要求提供造成打滑鋼管的樣品。3.1鋼管表面的實驗室試驗 Micro-Grip卡瓦牙和運行管材的接觸面是鋼管表面。Mi

13、cro-Grip系統的設計為需要均等地將支撐鋼管所需求的載荷分配到大量的小尖峰上，進而牢牢夾持住鋼管，從而將鋼管表面的壓痕深度控制在微米單位積范圍內，從而避免了不希望出現的腐蝕結果。此外，夾持零件的形狀和硬度選擇取決于需要防止的一些腐蝕類型，如裂隙腐蝕。 在漢諾威大學冶金研究所進行的測試集中在“超級”和“超 Cr13”型鋼管的表面。材料分析可清楚地表明傳統Cr13型和超級或超CR13型鋼之間的差異。為了滿足針對存在少量H2S和高溫情況下提供額外的防腐蝕保護的要求，超級或超Cr13型鋼材合金和規(guī)范的Cr13型有不同的化學組成。主要區(qū)別是額外的約5的鎳，由于這個組成，生產過程后殘留的氧化層會均勻分

14、布，這會使管道看起來似乎非常緊致、平滑。標準CR13合金表面上也有一些氧化層，但它脆、薄且更粗糙。 假設這種氧化層會造成標準模具的夾持零件像Micro-Grip模具一樣失敗，且已開始在現場觀察到了打滑現象。因此，漢諾威大學被要求進行的管體表面硬度分析以及氧化程度，評估整個表面的厚度。 大多數的超級或超Cr13型合金被列為1000 N/mm2鋼，相當于一架C-95鋼級別。調查表明，鋼材本身的表面硬度為HRC30。然而，整個調查發(fā)現，鋼管表面覆蓋了一層較厚的氧化層，測量厚度在19和64微米之間的強度可達到HRC64。雖然也有傳統的CR13合金表面上也有氧化層，主要區(qū)別是，一個新的合金表面的氧化層較

15、原來的鋼管表面更加緊湊，更為粘附。粗糙的鋼管表面、松散的氧化層和鋼管表面以及傳統的CR13合金管表面之間的接觸從來不會有打滑的問題發(fā)生。 Micro-Grip防滑系統最初設計時，最大指定強度認定為HRC37。因此，夾持桿的硬度設計為HRC68，被認為能夠提供足夠高的安全余量，用以實現良好的夾持作用。 超級和Hyper CR13合金的主要制造商對評估的結果進行了討論。漢諾威大學關于硬度和氧化層方面的條件測試結果與一個日本主要鋼鐵制造商在自己實驗室獲得的試驗結果一致。顯然氧化層方面的條件是化學組成和此種特殊合金的熱處理所控制的。在成分或制造過程中的一個簡單的變化，似乎都會是顯得不切實際和/或不經濟

16、。 根據管材的觀察報告超和超 Cr13材料和表面狀況條件，有必要考慮改進現有的設備和運行使用管柱的程序。3.2改進現場作業(yè)程序 Micro-Grip卡瓦已經開發(fā)出了各種標準的吊卡和卡盤體?？ㄍ呤娇ūP和吊卡的設計準則表明Micro-Grip齒能否牢牢夾持住鋼管表面主要取決于兩個條件。分別是向下作用于卡瓦的力（如套管架的總重量）和卡瓦背部與吊卡或卡盤體鄰近結構的摩擦系數。據發(fā)現，此處存在靜摩擦，所以潤滑時要小心，含聚四氟乙烯的潤滑劑幾乎在所有情況下都能解決打滑的問題。下面列出的是廣泛發(fā)布的運行操作指導： 為了提高楔形系統的效率，卡瓦背部卡瓦體區(qū)域要予以潤滑。一般情況下，標準鉆桿螺紋油就可以達到目的

17、，但是如果需要一個非常低的摩擦系數，就可以使用聚四氟乙烯螺紋脂。 Micro-Grip卡瓦運行程序必須嚴密地監(jiān)控。 如果卡瓦牙阻塞或堵塞，必須要徹底清洗干凈，最好用高壓水清潔和/或用鋼絲刷。 個人因素也包含在Micro-Grip的運作過程中，特別是鉆工，應特別注意，慢慢地移動卡瓦，以確保Micro-Grip卡瓦牙牢牢夾持住鋼管。 從各地進一步的實地考察報告，以及試驗結果顯示，采取了特別措施，且如果遵循以上的建議和指導，發(fā)生打滑的可能性可以幾乎完全消除。這些建議對所有重要的完井都是有效的，尤其是當要運行的管道是超級或超Cr13型或類似的合金鋼管時更要執(zhí)行。4 進一步的設備改進 所有管理和運行的設

18、備，如卡盤和吊卡，都被API 8C（卡盤，吊卡，卡瓦）或7K（卡盤嵌入安裝的卡盤籃）認證。符合ISO 9001的內部威德福生產規(guī)范和質量管理規(guī)范需求一個發(fā)展進程中的風險分析。在這類如打滑事故發(fā)生之后，風險進程分析會被重新制定，以消除任何缺點或造成傷害的信息，進而，進一步提高裝備水平。 在這個過程中，有人指出，吊鉗牙板的滑移盡管不希望發(fā)生，但通常也不會對操作者或套管架造成突然的傷害。然而，套管架的滑動也應用盡方法來避免。 分析該系統卡瓦卡盤體（圖5）可以看出，該管的重量以及卡瓦和其反面區(qū)域的摩擦系數都對卡瓦牙的夾持力有影響。這樣的楔形系統需要一些初步的夾持力，但一旦啟動夾持系統，握管本身的重量，將提供足夠的夾持力。 當采用超或超Cr13型鋼運行時，在這個光滑且有氧化層的硬表面，獲得最初的夾持力有時是不容易實現的。為了避免超級或超Cr13型管可能出現的打滑問題，尤其是當夾持零件達到工作上限時，決定在設計設備時增加額外的措施。為了防止硬管表面的打滑，如果350噸的Vario小型卡盤吊卡是液壓操作而不是氣動，則決定在卡瓦上增加一個額外的40噸預負荷。 功能測試是在實驗室中，用由用戶提供的原始超和超 Cr13