7-5/8in超高強(qiáng)度直連型石油套管的開發(fā)

李恒政，盧小慶，扈 立，王 正，張 旭

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津300301）

7-5/8in超高強(qiáng)度直連型石油套管的開發(fā)

李恒政，盧小慶，扈 立，王 正，張 旭

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津300301）

根據(jù)超深復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，開發(fā)了7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管。通過合理鋼種設(shè)計(jì)及工藝控制，使得套管在超高強(qiáng)度下具有良好的韌性；良好的材料性能及螺紋密封面的設(shè)計(jì)，解決了直連型套管連接強(qiáng)度和密封性能的問題。試驗(yàn)結(jié)果表明，7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管不僅具有超高的抗擠毀能力，還具有良好的連接強(qiáng)度及密封性能，適用于特殊井身結(jié)構(gòu)的鹽層段。

石油套管；直連型；連接強(qiáng)度；密封性能；抗擠毀性能

1 引言

我國西部油田地質(zhì)條件復(fù)雜，油氣埋藏深，地層壓力高，壓力系統(tǒng)多，勘探開發(fā)的難度大。許多井在鉆達(dá)目的層前要鉆穿多套壓力及巖性不同的地層，經(jīng)常遇到井漏、井噴、縮頸等情況的發(fā)生，此時(shí)往往需要下入套管封固，增加套管層次，增加套管層次會(huì)導(dǎo)致下部井眼過小，給后期施工帶來困難，有可能鉆不到目的層造成井眼報(bào)廢。因此在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，常規(guī)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足勘探開發(fā)的需要，隨著技術(shù)的發(fā)展，非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法逐漸得到推廣應(yīng)用。

非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要特殊的套管與其配套，7-5/8in超高強(qiáng)度直連型石油套管是根據(jù)西部油田超深井非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)一種特殊套管，該套管螺紋連接采用了內(nèi)外齊平的無接箍設(shè)計(jì)，在非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有較好的應(yīng)用。

2 石油套管設(shè)計(jì)思路

我國西部深井、超深井常規(guī)井身結(jié)構(gòu)一般為20 in×13．375 in×9．625 in×7 in×5 in,使用的套管基本上是帶接箍的套管,當(dāng)深部有高壓鹽層需要封堵時(shí),即可以采用7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管取代第四層的7 in套管，以達(dá)到井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管在管體上直接加工公、母螺紋，套管連接處內(nèi)外齊平，管體可以采用大厚壁高強(qiáng)度材質(zhì)設(shè)計(jì)，使其具有超高的抗外擠毀能力，達(dá)到封堵鹽層的效果；沒有接箍的端面，大大減少套管與井壁的阻力，便于下套管[1]。但直連型石油套管由于是在管體上直接加工公、母螺紋，實(shí)際設(shè)計(jì)中需要解決的主要問題是螺紋的密封性和連接效率，7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管采用大壁厚高強(qiáng)度的材質(zhì)，螺紋設(shè)計(jì)采用不容易造成滑脫的梯形扣設(shè)計(jì)，同時(shí)增加金屬密封面，很好的解決了螺紋的密封性及連接強(qiáng)度問題。

3 套管的材料性能

國內(nèi)外油田高強(qiáng)度套管發(fā)生失效的案例較多，資料研究表明[2-4]，高強(qiáng)度套管主要的失效形式是套管的沖擊韌性偏低造成的脆性開裂。因此,高強(qiáng)度套管材質(zhì)設(shè)計(jì)要充分考慮材料的強(qiáng)韌性匹配，保證套管高強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的韌性，7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管材料性能設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 7-5/8 in直連型石油套管材料性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)超高強(qiáng)度石油套管的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，合理設(shè)計(jì)鋼種；通過高真空純凈鋼冶煉，有效控制鋼的化學(xué)成分、夾雜物形態(tài)及有害元素的含量；高精度軋制后進(jìn)行調(diào)質(zhì)工藝處理，使其形成細(xì)小均勻的回火索氏體組織。通過合理的設(shè)計(jì)及有效的工藝控制使套管的強(qiáng)韌性得到良好的匹配。

4 套管的使用性能

4．1 套管的連接強(qiáng)度

套管連接強(qiáng)度計(jì)算需考慮管體屈服強(qiáng)度、螺紋連接強(qiáng)度及公、母端危險(xiǎn)截面處的連接強(qiáng)度，其最小值確定套管最終的連接強(qiáng)度。公、母端危險(xiǎn)截面處的連接強(qiáng)度由公、母端危險(xiǎn)截面積決定，通常是螺紋根本的退刀槽處。7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管是在管體上直接加工公、母螺紋，螺紋參數(shù)是特殊設(shè)計(jì)的梯形扣，正常情況下螺紋連接強(qiáng)度大于管體屈服強(qiáng)度，而管體屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于公、母端危險(xiǎn)截面處的連接強(qiáng)度。根據(jù)屈服強(qiáng)度公式[5-6]可以計(jì)算出7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管管體屈服強(qiáng)度；按套管名義尺寸計(jì)算出套管管體截面積Ap，按照7 5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管螺紋設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算出母端危險(xiǎn)截面積Ac-box及公端危險(xiǎn)截面積Ac-pin，可以得出母端危險(xiǎn)截面積Ac-box最小，因此母端危險(xiǎn)截面處的連接強(qiáng)度是最小連接強(qiáng)度，最小連接強(qiáng)度理論計(jì)算值為6 133 kN。

隨機(jī)抽取一對(duì)帶公母螺紋的7-5/8in超高強(qiáng)度直連型石油套管，按設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)扭矩上扣后在整管拉伸試驗(yàn)設(shè)備上，進(jìn)行整管拉伸試驗(yàn)，當(dāng)拉力達(dá)到1 800 kips，約8 001 kN時(shí)，套管從母端螺紋根部的退刀槽處斷裂，如圖1、圖2所示。

整管拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說明7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管連接強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)在母端螺紋的危險(xiǎn)截面處，此處的連接強(qiáng)度即整根套管的連接強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)一致；且套管的實(shí)際連接強(qiáng)度超過理論計(jì)算值30．46%，完全滿足管柱設(shè)計(jì)對(duì)套管連接強(qiáng)度的需要。整管拉伸斷口成45°，斷口處有明顯的縮頸，這進(jìn)一步說明套管的材質(zhì)具有良好的韌性。

4．2套管的密封性能

API螺紋由于結(jié)構(gòu)上的缺陷，不論是API圓螺紋，還是API偏梯形螺紋都存在泄露通道，螺紋密封性能差，國內(nèi)外廠家設(shè)計(jì)了大量具有密封功能的特殊螺紋，對(duì)螺紋的密封設(shè)計(jì)進(jìn)行多方面研究[7-10]。7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管螺紋采用金屬-金屬的密封面設(shè)計(jì)，通過控制密封面的密封直徑使得螺紋連接后有合適的過盈量，使其具有良好的密封性能。按照設(shè)計(jì)，7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管螺紋密封效率為管體內(nèi)屈服壓力的60%，由內(nèi)屈服公式[5-6]，可以計(jì)算出7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管內(nèi)屈服壓力為183．8 MPa，因此理論設(shè)計(jì)螺紋密封壓力為：110．3 MPa。

圖1 直連型石油套管整管拉伸試驗(yàn)

圖2 整管拉伸斷口形貌

隨機(jī)取樣，按標(biāo)準(zhǔn)扭矩經(jīng)過兩次卸扣三次上扣后進(jìn)行密封試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 7-5/8in直連型石油套管密封試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管當(dāng)壓力達(dá)到內(nèi)屈服壓力75%時(shí)螺紋連接處無泄漏，其密封性能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4．3 套管的抗擠毀性能

7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管屬于屈服強(qiáng)度擠毀，影響其抗擠毀性能的主要因素是材料的屈服強(qiáng)度、外徑與壁厚的比值；套管設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這兩方面對(duì)擠毀性能的影響，從理論設(shè)計(jì)方面該套管就應(yīng)具有超高的抗擠毀能力，根據(jù)擠毀強(qiáng)度公式[5-6]計(jì)算，理論值為189．4 MPa。

隨機(jī)取樣，進(jìn)行抗擠毀性能試驗(yàn)，當(dāng)壓力達(dá)到218．2 MPa時(shí)試樣擠毀，實(shí)際試驗(yàn)值高出理論計(jì)算值15%，說明該套管具有超高的抗擠毀能力，具有封堵高壓鹽層的能力。

5 應(yīng)用情況

西部油田地質(zhì)條件復(fù)雜，許多油氣井中深部都存在多處蠕動(dòng)鹽層，需要特殊石油套管封堵鹽層。常規(guī)的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法滿足油田勘探開采的需要，隨著技術(shù)的進(jìn)步出現(xiàn)越來越多的非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，7-5/8 in超高強(qiáng)度直連型石油套管的開發(fā)為井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種選擇。套管開發(fā)成功后，陸續(xù)在中石油西南油氣田分公司、塔里木油田、中石化西北等油田的部分非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。

6 結(jié)論

（1）套管螺紋連接采用內(nèi)外齊平的直連型設(shè)計(jì)，增大了環(huán)空間隙，有利于提高固井質(zhì)量；同時(shí)便于套管下井。

（2）套管采用超高鋼級(jí)的材質(zhì)，通過合理設(shè)計(jì)及工藝控制，在高強(qiáng)度的情況下，保證套管的韌性；使強(qiáng)度與韌性得到良好的匹配。

（3）通過提高強(qiáng)度與壁厚，使套管具有超高的抗擠毀能力，達(dá)到封堵高壓鹽層的目的。

（4）通過設(shè)計(jì)解決了直連型螺紋連接強(qiáng)度及密封性能的問題，套管具備優(yōu)良的連接強(qiáng)度和密封性能，可以滿足管柱設(shè)計(jì)對(duì)連接強(qiáng)度和密封性能要求。

[1]史交齊，高連新，趙克楓，等．論無接箍式套管的性能，評(píng)價(jià)及應(yīng)用[J]．石油鉆采工藝，1998，20（5）：30-37．

[2]張國正．V150套管破裂原因及超深井套管選材探討[J]．石油專用管，1999（3）：21-24．

[3]蘇克玲，李平全．177．80 mmV150套管接箍縱裂分析[C]//石油管工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2006）論文集．北京:石油工業(yè)出版社，2006：294-297．

[4] 盧小慶，鐘守明，李建．超深復(fù)雜井用超高強(qiáng)度石油套管TP140V的設(shè)計(jì)開發(fā)及應(yīng)用[J]．鋼管，2011，40（5）：26-30．

[5] API TR 5C3．Petroleum and natural gas industries-Formulae and calculation for casing，tubing，drill pipe and line pipe properties[S]．

[6] ISO TC67,ISO/DIS 10400,Petroleum and Natural Gas Industries-Formulas and Calculations for Casing,Tubing,Drill Pipe and Line Pipe Properties[S]．

[7]高連新，史交齊．油套管特殊螺紋接頭連接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J]．石油礦場機(jī)械，2008，37（2）:15-19．

[8]王峰．油套管特殊螺紋接頭的研制與應(yīng)用 [J]．石油礦場機(jī)械，2004，33（2）：85-87．

[9]高連新，金燁，張居勤．石油套管特殊螺紋接頭的密封設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41（3）：216-219．

[10]康曉雷．石油套管螺紋連接的密封結(jié)構(gòu)[J]．鉆采工藝，1997，20（1）：47-51．

Development of 7-5/8 inch Super High Strength Flush Joint Oil Casing

LI Heng-zheng,LU Xiao-qing,HU Li,WANG Zheng and ZHANG Xu
(Technology Center of Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

According to the design requirement by super deep well structure,7-5/8 inch super high strength flush joint oil casing was developed．Through reasonable steel grade design and process control,the said casing possessed excellent toughness under super high strength．Good material properties and thread sealing surface design solved the problem in the joint strength and sealing performance of direct-connected oil casing．Test results showed that 7-5/8 in ultra high strength flush joint oil casing, with super high anti-collapse strength and excellent joint strength and sealing performance,was suitable for application at the salt bed of special well structure．

oil casing;flush joint;joint strength;sealing performance;anti-collapse performance

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．002

2013-09-15

2013-10-12

李恒政（1980—），男，碩士，工程師，主要從事油井管開發(fā)方面的研究工作。