淺談無牙痕夾持技術在深井、超深井油、套管柱中的應用

吳立中，張建萍，肖立虎

(1.庫爾勒凱泰石油技術服務有限責任公司 新疆 庫爾勒 841000；2.江蘇省建湖縣高級技工學校 江蘇 鹽城 224700；3.建湖凱泰石油機械有限公司 江蘇 鹽城 224700)

·失效分析與預防·

淺談無牙痕夾持技術在深井、超深井油、套管柱中的應用

吳立中1，張建萍2，肖立虎3

(1.庫爾勒凱泰石油技術服務有限責任公司 新疆 庫爾勒 841000；2.江蘇省建湖縣高級技工學校 江蘇 鹽城 224700；3.建湖凱泰石油機械有限公司 江蘇 鹽城 224700)

針對近年來油、套管失效事故頻繁發生的情況，通過對失效事故的統計、勘查，研究了現有無牙痕夾持技術對防止油、套管失效的重要作用，得出無牙痕夾持技術主要通過防止油、套管接箍夾持部位變形、咬傷及對油、套管上扣扭矩進行精準控制以提高油、套管可靠性的結論。

無牙痕夾持；油套管；咬傷；變形

1 深井、超深井管材應用現狀

隨著油氣勘探開發不斷深入，油氣井工況越來越復雜，深井、超深井帶來的管柱技術問題日益凸顯。目前，塔里木油田井深基本在4 000～7 000 m，在克深區塊，井深超過7 000 m的井也并不罕見，且幾乎全部為高壓氣井。超深井的出現，不僅僅要求管柱材質具有優越的機械性能、耐腐蝕性能及螺紋接頭密封性能，同時，對油、套管柱的下井作業工藝也提出了更為嚴峻的挑戰。

為應對塔里木油田世界級管柱安全可靠性問題，在油、套管選材方面，塔里木油田均選用了來自世界著名油、套管生產廠家的最高級別油、套管。油管鋼級以P110為主，套管鋼級依不同井深位置采用了多級別套管，最高采用了V140、155，套管使用情況如圖1所示。盡管采用了高級別的油、套管，但在深井、超深井油、套管柱失效時有發生。自2012年至2014年，塔里木油田臺盆區僅200.3 mm套管就發生失效事故15起，損壞位置大多集中在井深5 000 m～6 000 m井段，主要失效形式為變形(包括擠毀)、斷裂(包括應力腐蝕開裂)、泄漏、破裂(包括應力腐蝕開裂)，給油田正常生產帶來了巨大損失,使用情況如圖2所示。根據對現場失效套管勘查，套管本體局部區域存在大鉗咬傷痕跡。

圖1 近年塔里木油田使用套管情況

圖2 2012-2014年某區塊200.3 mm套管失效類型

此外，對中石化西北油田分公司塔河區塊某些井所用套管進行現場勘查時發現，部分套管管體出現了大鉗咬傷痕跡，深度最大約2 mm，如圖3所示。

2 無牙痕夾持與常規夾持技術現狀

通常情況下，油、套管上卸扣作業采用常規液壓鉗；常規液壓鉗為了能夠達到可靠地卡緊油、套管，均采用鉗牙切入管柱的方案[2]。一般采用2塊或4塊鉗牙，每個鉗牙都有較高的硬度、較少的齒數和較短的長度，這樣在每次卡緊后，都會在管柱的外表面咬出較深的牙痕，損傷管柱表面。當鉗牙易損后極易產生打滑。此外，由于普通鉗牙與被夾持管柱接觸面小，在夾持力的作用下，會造成油、套管及其接箍產生變形，從而影響上扣扭矩。

無牙痕液壓鉗鉗頭由上蓋、主體、顎板架、坡板、滾輪、滾輪軸、卡瓦片、卡瓦座、卡瓦壓片和復位彈簧等組成。顎板架內設有卡瓦座，卡瓦座上裝有滾輪、滾輪軸、卡瓦片、卡瓦壓片和復位彈簧；滾輪軸兩頭軸端為四方形，兩頭軸端裝在顎板架上設置的上下方槽孔內移動；卡瓦片裝在卡瓦座的插槽中，由單片或多片組成，卡瓦片與所卡緊管柱外徑包容，卡瓦片材料為耐磨材料；復位彈簧一端用螺釘固定在卡瓦座上，一端用螺釘固定在背鉗上蓋上。通過采用耐磨材料制成的卡瓦片，并加大管柱的接觸面積，起到既卡緊管柱且不損傷管柱的作用。

圖3 某油田井場取出套管管體打滑及大鉗咬傷形貌

3 無牙痕夾持對油、套管扭距控制的作用

在油氣井油套管下井過程中，采用常規夾持技術，有時會在油套管表面發生打滑現象，根據此種現象，我們對其上扣扭距曲線進行了分析，如圖4、圖5所示。在到達臺階扭距時，扭矩曲線會因為打滑而突然發生扭矩降低，隨后又急劇上升的過程。根據上扣扭矩對油、套管內外螺紋影響可知，這種扭矩的波動會嚴重影響內外螺紋嚙合效果，同時，也會嚴重損傷油、套管螺紋，導致粘扣等。對比采用無牙痕夾持技術的扭距曲線可以看出，扭距達到最大值之前，扭矩曲線平穩上升，在臺階碰撞時急劇上升達到最佳值，扭距加載十分平緩，有利于油、套管螺紋充分嚙合，能較好保護好螺紋絲扣。

圖4 管柱表面發生打滑扭矩曲線

圖5 管柱表面無打滑扭矩曲線

4 無牙痕夾持有利于保護油、套管內外螺紋

根據無牙痕夾持技術特點可以看出，無牙痕對管柱進行全包裹式夾持，且牙板與管柱的接觸點細而多，使得無牙痕對管柱進行夾持時，呈現“面接觸”，而非“點”接觸，因而其施加給管柱夾持部位圓周方向的應力十分均衡，不會產生由于夾持應力不均而使管柱在夾持部位發生變形。應用有限元分析可知，對于規格為139.7×7.72 mm，P110套管，當夾持力使管柱發生0.47%橢圓度時，其圓周方向上最大可產生280 MPa拉應力(外表面)和34 MPa壓應力(內表面)，如圖6所示。

圖6 外加應力使管柱發生0.47%橢圓度時其內應力分析結果

常規夾持方法使得在油、套管夾持區域產生極大的受力不均，增加了夾持力最大區域的內、外螺紋接觸力，產生較大摩擦力，造成螺紋粘扣、損傷時有發生。某油田套管因接箍夾持力不均使得套管內外螺紋受損形貌如圖7所示。

圖7 某井套管內外螺紋損傷形貌

5 無牙痕夾持可降低油、套管發生應力腐蝕開裂風險

從現場調研取出管柱表面夾持處可以發現，部分管材出現了較深咬傷痕跡。根據材料發生應力腐蝕開裂條件，在深井、超深井中，使用的管材均為高鋼級管材，對于普通鋼材，應力腐蝕開裂的敏感性隨管材強度增高而增加，因此，深井、超深井所用的油、套管均具有較高的應力腐蝕開裂敏感性。而夾持技術不適當在管材表面出現的內應力和咬傷痕跡等同于間接在管材表面制造了許多表面缺陷，這種表面缺陷，在深井、超深井中的高鋼級油、套管中，特別是在應力腐蝕開裂環境中變得十分敏感，因此，一旦在應力腐蝕開裂環境中服役，管材將大大增加發生應力腐蝕開裂的風險。圖8為無牙痕夾持技術和普通夾持技術在同等夾持力下對管材表面損傷的對比實驗。圖9為某井P110油管發生的硫化物應力腐蝕開裂失效圖片，應力腐蝕開裂起源于油、套管外表面牙板咬傷位置。

圖8 無牙痕液壓鉗和普通液壓鉗使用效果對比外表面損傷痕跡

圖9 某油田油管應力腐蝕失效斷面宏觀和微觀形貌

6 結 論

(1)無牙痕夾持技術配備匹配的扭矩控制儀能較好地控制油田現場上扣扭矩，確保油、套管柱密封可靠；

(2)無牙痕夾持技術能夠防止油、套管表面損傷，降低在牙痕處發生應力腐蝕開裂風險。

[1] 于艷艷.油管螺紋失效機理分析及液壓鉗的技術改造[D].中國石油大學北京，2007.

[2] 夏祖國. 微牙痕下套管技術在川東北高含硫氣田的應用[J].石油機械，2008,36(7)：69-71.

Application of No-thread Marks Hydraulic Clamp Technique on Tubing and Casing in Deep and Ultra-deep Oil Wells

WU Lizhong1, ZHANG Jianping2, XIAO Lihu3

(1.KorlaketePetroleumTechnologyServiceCo.,Ltd.,Korla841000; 2.JianhuSeniorTechnicalSchool,Yancheng,Jiangsu224700,China;3.JianhuKetePetroleumMachineryCo.Ltd.,YanchengJiangsu224700,China)

Based on casing failure accident statistics and exploration in recent years, with no marks clamping technology by preventing skid and prevent oil casing collar clamping deformation of parts for precise control of oil casing on the make-up torque, at the same time no marks clamping technology to prevent the outer surface of tubing and casing damage, reduce the risk of stress corrosion cracking.

clamping with no marks;tubing and casing;bite;deformation

吳立中 男，1972年生，工程師，1995年畢業于鹽城工業專科學校。 從事油、套管現場技術服務以及微牙痕液壓鉗、無牙痕液壓鉗、擰扣機等相關產品的研制開發及生產制造工作。E-mail：13999011238@163.com

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2096-0077(2016)06-0049-03

2016-07-05 編輯：馬小芳)