TP-CQ特殊螺紋套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其下套管技術(shù)

劉 鵬

（中國(guó)石化 華東鉆井新疆指揮所裝備部，新疆 輪臺(tái)841600）

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，尤其是深井、超深井、高壓氣井、定向井的開(kāi)發(fā)以及高含硫（CO2等腐蝕氣體）氣井的開(kāi)采，對(duì)石油套管的使用性能提出了更高的要求。具有API標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接（如短、長(zhǎng)圓螺紋和偏梯形螺紋）的油、套管在許多情況下難以滿足生產(chǎn)需求［1－2］。因此，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)出 VAM-TOP、MUST、TP-CQ等特殊螺紋連接，這些特殊螺紋連接具有較好的抗粘扣性能、可靠的氣密封性能及較高的連接強(qiáng)度。本文就TP-CQ特殊螺紋套管結(jié)構(gòu)及其下套管技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1 技術(shù)分析

TP-CQ螺紋套管是天津鋼管有限責(zé)任公司與長(zhǎng)慶油田、西安石油管材研究所等單位合作開(kāi)發(fā)出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的金屬氣密封套管［3］。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TP-CQ螺紋套管接頭由螺紋和錐形密封面組成，螺紋齒形是API偏梯形螺紋的改進(jìn)型，過(guò)盈的密封面提供氣密封性能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TP-CQ螺紋結(jié)構(gòu)

1） 螺紋設(shè)計(jì) API偏梯形螺紋接頭具有高的連接強(qiáng)度，特殊螺紋接頭的牙型大多仍采用API偏梯形螺紋。為了消除接頭擰緊后堆積在接頭內(nèi)的螺紋密封脂，對(duì)母螺紋作了改進(jìn)，確定了合理的螺紋過(guò)盈量，保證接頭在腐蝕環(huán)境中安全可靠。

2） 密封面設(shè)計(jì) 當(dāng)密封面有間隙時(shí)，無(wú)論密封面接觸壓力多高，氣體都會(huì)通過(guò)間隙泄漏出去。特殊螺紋連接主要設(shè)計(jì)為高氣密性的接頭，要求密封面接觸壓力要高、接觸面要寬，采用寬接觸面積的錐形密封面，并選擇了合理的密封過(guò)盈量。合理的密封過(guò)盈量保證了接頭反復(fù)上卸時(shí)，密封面不發(fā)生粘扣；同時(shí)設(shè)計(jì)成負(fù)角度的轉(zhuǎn)矩臺(tái)肩，由于楔形作用，增加了接頭的密封能力。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

規(guī)格范圍 ?114.3～?244.5mm

材料 碳鋼及低合金鋼

鋼級(jí) API系列鋼級(jí)＋TP系列鋼級(jí)

每英寸牙數(shù) 5

導(dǎo)入面角度 10°

承載面角度 3°

螺紋錐度 1∶16

抗粘扣處理 接箍磷化或鍍銅

1.3 性能特點(diǎn)［4－5］

1） 密封性能 滿足高壓（高含硫）氣井的使用要求，在軸向拉伸、內(nèi)壓和溫度熱循環(huán)的載荷條件下，不發(fā)生泄漏。

2） 抗H2S應(yīng)力腐蝕能力 接頭設(shè)計(jì)為低應(yīng)力型式的，保證接頭在腐蝕環(huán)境下不發(fā)生失效。

3） 連接強(qiáng)度 具有不低于管體屈服強(qiáng)度的接頭連接強(qiáng)度，適用于深井和超深井。

4） 其他性能 接頭具有良好的抗粘扣性能。

2 下套管前

2.1 套管在井場(chǎng)的存放

所有的套管其螺紋部分應(yīng)一直戴上護(hù)絲。任何時(shí)候套管都應(yīng)放在無(wú)石頭、沙子或污泥（正常鉆井泥漿除外）的臺(tái)架上。若不慎把套管拖入泥土中應(yīng)重新清洗螺紋。

2.2 準(zhǔn)備工作和設(shè)備

首先檢查轉(zhuǎn)換短節(jié)、安全短節(jié)、浮鞋、浮箍、懸掛器等所有的附件。由于這些附件來(lái)自不同的制造廠家，應(yīng)仔細(xì)檢查附件上加工的螺紋是否符合管柱設(shè)計(jì)要求。

2.2.1 卡瓦及吊卡

對(duì)于長(zhǎng)管柱，推薦使用卡瓦式吊卡，卡盤和卡瓦應(yīng)保持清潔，沒(méi)有損傷，并配合適當(dāng)。對(duì)重套管柱，應(yīng)使用超長(zhǎng)卡瓦，卡盤平面必須保持水平。

2.2.2 對(duì)扣器

對(duì)扣器在公端下放進(jìn)入母端時(shí)提供導(dǎo)向，應(yīng)堅(jiān)持使用對(duì)扣器，并在下套管前檢查對(duì)扣器與套管外徑是否相配及橡膠塊的狀態(tài)。

2.2.3 鼠洞

如需要在鼠洞內(nèi)存放套管，應(yīng)清理鼠洞或更換另一干凈的鼠洞，其內(nèi)應(yīng)無(wú)泥漿和沙子。鼠洞內(nèi)泥漿、沙子及其他污物或雜物一旦污染螺紋且清洗不干凈，將對(duì)螺紋、密封面、轉(zhuǎn)矩等造成影響。

2.3 液壓動(dòng)力鉗的安裝及轉(zhuǎn)矩修正

推薦使用帶背鉗的液壓大鉗，其狀態(tài)應(yīng)完好，卡爪應(yīng)與套管的外徑相配。液壓大鉗應(yīng)可控制轉(zhuǎn)速，并應(yīng)能夠以最小5r／min的轉(zhuǎn)速操作。上扣轉(zhuǎn)矩必須能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)和控制，轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置應(yīng)經(jīng)過(guò)校驗(yàn)并在檢定的周期內(nèi)。拉力傳感器的拉繩應(yīng)與大鉗的力臂成90°，如果拉繩不能安裝成與大鉗力臂成90°，上扣轉(zhuǎn)矩的示值相應(yīng)地進(jìn)行修正。大鉗及拉力傳感器的安裝如圖2所示，拉繩角度及轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)如表2。

圖2 大鉗及拉力傳感器的安裝

表2 拉繩角度及轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)套管準(zhǔn)備

3.1 通徑

下套管前每支套管應(yīng)進(jìn)行全長(zhǎng)通徑，通徑頭的外徑應(yīng)符合API標(biāo)準(zhǔn)的要求或用戶的特殊要求。通徑前應(yīng)保證套管的內(nèi)表面干凈、無(wú)異物，向管內(nèi)放入及從管子里拉出通徑頭時(shí)應(yīng)小心。通徑時(shí)應(yīng)將通徑頭放入母端，由母端向公端進(jìn)行通徑，以避免損傷螺紋、密封面及臺(tái)肩。標(biāo)準(zhǔn)通徑頭最小尺寸如表3，如下部鉆進(jìn)需特殊鉆頭尺寸，可按“特殊通徑”要求進(jìn)行通徑。

表3 API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)通徑頭最小尺寸

3.2 套管長(zhǎng)度的測(cè)量

下套管前應(yīng)測(cè)量每根套管的長(zhǎng)度，應(yīng)從接箍端面測(cè)量到公端密封面鼻端。常用套管損失長(zhǎng)度測(cè)量如圖3所示。

圖3 常用套管損失長(zhǎng)度測(cè)量示意

則由圖3可得

每根套管有效長(zhǎng)度（LE）＝

全長(zhǎng)（LT）－進(jìn)扣長(zhǎng)度（ML）

金屬密封套管的進(jìn)扣長(zhǎng)度如表4所示。

表4 TP-CQ螺紋金屬密封套管進(jìn)扣長(zhǎng)度

3.3 清洗

1） 必須保證上扣時(shí)螺紋及密封面上無(wú)堅(jiān)硬的異物。

2） 應(yīng)在使用前清洗螺紋。卸下公、母螺紋的護(hù)絲，用適當(dāng)?shù)姆椒ǎɡ纾悍墙饘俚乃⒆雍驼羝虿缓瓤旄扇軇┣逑绰菁y油或儲(chǔ)存脂。應(yīng)確保清洗不造成環(huán)境污染。

3） 檢查并清理管子內(nèi)部，防止異物在套管對(duì)扣下放時(shí)落入接箍。如有壓縮空氣，應(yīng)從母端向公端吹掃管子內(nèi)部。

4） 清洗并擦干護(hù)絲。

3.4 外觀檢查及吊運(yùn)

1） 在鉆臺(tái)上扣前，應(yīng)在管架上對(duì)所有的螺紋進(jìn)行目視外觀檢查，如有損傷應(yīng)剔除。

2） 管子吊運(yùn)至鉆臺(tái)時(shí)，應(yīng)始終戴上護(hù)絲。

3） 每根套管在管架應(yīng)小心地下放或滾動(dòng)到走臺(tái)上，不得拋擲。要避免套管碰撞井架或其他設(shè)備的任何部位，在井架大門處應(yīng)備有緩沖（擋）繩。

3.5 耐腐蝕管使用要求

1） 使用尼龍吊帶吊送套管。

2） 盡可能將管子保持在包裝架內(nèi)，直到最后下井前才應(yīng)放到準(zhǔn)備作業(yè)架上，在任何有可能與金屬接觸的地方使用墊料，包括運(yùn)輸和處置的全過(guò)程。

3） 使用無(wú)金屬通徑規(guī) （高合金管）。

4） 在移動(dòng)管子時(shí)，確認(rèn)護(hù)絲干凈并妥善安裝在管子上。

5） 確保所有起出／剩余的管子是被安放在原始包裝架上。

4 下套管

4.1 鉆臺(tái)上的操作

將套管提升到垂直的位置，卸下護(hù)絲，擦干凈并檢查螺紋，保證螺紋及密封端面無(wú)損傷并已清洗干凈。

4.2 涂套管密封脂

套管公、母螺紋清洗干凈后，將母扣螺紋擦干，在場(chǎng)地上把套管密封脂均勻涂抹在母螺紋上，涂上螺紋脂后應(yīng)可見(jiàn)螺紋的輪廓。用于涂抹螺紋脂的刷子或用具不得有異物；同時(shí)螺紋脂不能稀釋，推薦使用API Bul 5A3《螺紋脂通報(bào)》最新版本中規(guī)定的經(jīng)過(guò)改進(jìn)的高壓螺紋脂，或使用用戶指定的具有固化密封功能的特殊螺紋脂（如Cast101）。

4.3 對(duì)扣與上緊

套管上扣時(shí)按“對(duì)扣→引扣→進(jìn)扣→緊扣”工序進(jìn)行，高速進(jìn)扣、低速緊扣，嚴(yán)格控制上扣轉(zhuǎn)速，高速時(shí)小于15r／min，低速時(shí)小于5r／min，套管上扣質(zhì)量以轉(zhuǎn)矩和進(jìn)扣長(zhǎng)度兩者控制，轉(zhuǎn)矩值達(dá)到最佳值。

1） 在對(duì)扣時(shí)使用對(duì)扣器幫助對(duì)扣，應(yīng)小心下放套管，以免損傷螺紋和密封面。

2） 應(yīng)垂直對(duì)扣，條件允許情況下最好有人站在套管扶正臺(tái)上幫助進(jìn)行。

3） 若對(duì)扣后套管向一側(cè)傾斜，則應(yīng)提起來(lái)檢查。如發(fā)現(xiàn)螺紋損傷，應(yīng)清洗，用銼刀和油石修理，然后仔細(xì)清除任何挫屑，重新涂上螺紋脂。

4） 在對(duì)好扣后，應(yīng)首先用帶鉗或緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)套管，以保證螺紋正常嚙合，不發(fā)生錯(cuò)扣。

5） 上扣轉(zhuǎn)矩應(yīng)符合廠家推薦的轉(zhuǎn)矩范圍，TP-CQ特殊螺紋套管在公端打印有三角形標(biāo)記，當(dāng)未見(jiàn)明顯對(duì)頂時(shí)，可通過(guò)三角形標(biāo)記來(lái)判斷上扣是否到位。金屬密封螺紋套管典型的上扣轉(zhuǎn)矩曲線如圖4。

圖4 金屬密封螺紋套管典型上扣轉(zhuǎn)矩曲線

4.4 套管的下放

以適當(dāng)?shù)乃俣认路呕蛱嵘坠埽苊鉀_擊壓力和抽吸，套管下放接近轉(zhuǎn)盤時(shí)應(yīng)減速。在直井段下放速度控制在20～30s／根，斜井段下放速度控制在30～60s／根，水平段下放速度控制在90～120s／根。

4.5 灌泥漿和循環(huán)泥漿及連接

1） 根據(jù)下套管前的實(shí)際鉆井液密度灌漿，管內(nèi)外壓差取5MPa。

2） 下套管期間若要循環(huán)泥漿，需要使用泥漿循環(huán)接頭（建議將循環(huán)接頭的密封端面去掉，以免損壞接箍螺紋和密封面）。將泥漿循環(huán)接頭與套管接箍適當(dāng)連接，然后再將方鉆桿與泥漿循環(huán)接頭連接。

3） 應(yīng)指定專人觀察泥漿出口，隨時(shí)報(bào)告出口返漿情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)井漏、井涌及其他異常情況。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)API螺紋存在密封性和抗拉強(qiáng)度等問(wèn)題，其氣密封性能很差，對(duì)于含有H2S、CO2和CI－等的井不適應(yīng)。TP-CQ特殊螺紋套管能有效克服這些缺點(diǎn)，因其具有較好的抗粘扣性能、可靠的氣密封性能及較高的連接強(qiáng)度等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于傳統(tǒng)API螺紋不適應(yīng)的井位，在油田市場(chǎng)具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，對(duì)滿足油氣田需求、降低油田開(kāi)發(fā)成本具有重要的意義。

［1］ 付 彧，齊國(guó)權(quán)，衛(wèi)遵義，等.特殊螺紋油套管設(shè)計(jì)及國(guó)內(nèi)產(chǎn)品現(xiàn)狀［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，42（10）：72-76.

［2］ 衛(wèi) 棟，易曉明，豐振軍.非API螺紋特點(diǎn)及檢測(cè)相關(guān)性探討［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，42（3）：13-18.

［3］ 天津鋼管集團(tuán)股份有限公司.TP-CO套管現(xiàn)場(chǎng)安全使用服務(wù)手冊(cè)［K］.2006.

［4］ 雷齊松，李 振，劉 洋，等.特殊螺紋套管的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)［J］.化學(xué)工程與裝備，2009（11）：90-92.

［5］ 雷齊松，李 振，任正軍，等.TP-FJ特殊螺紋套管在塔深1井的應(yīng)用［J］.裝備制造，2009（11）：21-26.