177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑優(yōu)化設(shè)計試驗研究

耿海龍，呂拴錄，2，李東風(fēng)，韓 軍，楊 鵬

(1.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 102249；3.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

·試驗研究·

177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑優(yōu)化設(shè)計試驗研究

耿海龍1，呂拴錄1，2，李東風(fēng)3，韓 軍3，楊 鵬3

(1.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 102249；3.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

對177.80 mm套管采用不同接箍外徑對油田使用方面的影響進(jìn)行了調(diào)查研究，按照API Spec 5CT—2005第8版和API Spec 5CT—2011第9版規(guī)定的套管接箍外徑，對177.80 mm 110 BC套管強(qiáng)度分別進(jìn)行了計算分析，認(rèn)為API Spec 5CT—2011第9版增大177.80 mm套管接箍外徑的原因是為了保證油田常用的幾種厚壁套管的接頭連接強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度。通過實物驗證試驗證實：如果采用API Spec 5CT—2005第8版規(guī)定的接箍外徑，油田常用的幾種177.80 mm特殊螺紋接頭厚壁套管薄弱環(huán)節(jié)仍然在接箍部位。建議177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑按照API Spec 5CT—2011第9版標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

套管；特殊螺紋接頭；連接強(qiáng)度；抗內(nèi)壓強(qiáng)度

0 引 言

接箍式套管強(qiáng)度設(shè)計原則是既要保證套管連接強(qiáng)度和密封性能，又要保證井眼有足夠的間隙。177.80 mm套管一般下入215.9 mm井眼，井眼與套管管體之間的雙邊間隙為38.1 mm。接箍與井眼之間的間隙取決于接箍外徑，接箍外徑越小，接箍與井眼之間的間隙越大，有利于保證固井質(zhì)量，但無法保證接箍與套管管體等強(qiáng)度；接箍外徑越大，接箍與井眼之間的間隙越小，不利于保證固井質(zhì)量，但可以保證接箍與套管管體等強(qiáng)度。

API Spec 5CT—2005第8版規(guī)定，177.80 mm套管接箍外徑為194.46 mm，API Spec 5CT—2011第9版將177.80 mm套管接箍外徑改為200.03 mm。

特殊螺紋接頭套管是在API套管基礎(chǔ)上研發(fā)的，177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑是否應(yīng)依據(jù)API Spec 5CT最新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，這是油田用戶和生產(chǎn)廠爭論多年的問題。生產(chǎn)廠認(rèn)為特殊螺紋接頭套管為自己的專利產(chǎn)品，接箍外徑由工廠自己決定，不應(yīng)執(zhí)行API Spec 5CT最新標(biāo)準(zhǔn)。用戶認(rèn)為現(xiàn)有177.80 mm特殊螺紋接頭套管是按照API Spec 5CT—2005標(biāo)準(zhǔn)確定的，接箍外徑偏小，接箍為薄弱環(huán)節(jié)。

因此，解析API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)中177.80 mm套管接箍外徑變化的原因，研究177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑設(shè)計，對于保證套管強(qiáng)度很有必要，也十分迫切。

1 API 177.80 mm套管接箍外徑變化解析

按照API Spec 5CT—2005第8版規(guī)定的177.80 mm套管接箍外徑(194.46 mm)和API Spec 5CT—2011第9版規(guī)定的177.80 mm套管接箍外徑(200.03 mm)，對177.80 mm 110 BC套管強(qiáng)度計算結(jié)果見表1。

表1 各種壁厚不同接箍外徑177.80 mm P110 BC套管強(qiáng)度計算結(jié)果

從表1計算結(jié)果可得出如下結(jié)論：

1)按照API Spec 5CT—2005第8版規(guī)定(接箍外徑為194.46 mm)計算，177.80 mm P110 BC套管，壁厚為5.87～11.51 mm時套管接頭抗拉強(qiáng)度高于管體，壁厚為12.65～22.22 mm時套管接頭抗拉強(qiáng)度低于管體；壁厚為5.87～11.51 mm時套管內(nèi)屈服壓力隨著壁厚增加而增大，壁厚為12.65～22.22 mm時套管內(nèi)屈服壓力保持不變。這說明套管壁厚≥12.65 mm時接箍為薄弱環(huán)節(jié)。

2)按照API Spec 5CT—2011第9版規(guī)定(接箍外徑為200.03 mm)計算，177.80 mm P110 BC套管，壁厚為5.87～15.88 mm時套管接頭抗拉強(qiáng)度高于管體，壁厚為17.45～22.22 mm時套管接頭抗拉強(qiáng)度低于管體；壁厚為5.87～13.72 mm時套管內(nèi)屈服壓力隨著壁厚增加而增加，壁厚為15.88～22.22 mm時套管內(nèi)屈服壓力保持不變。這說明套管壁厚為17.45～22.22 mm時在拉伸載荷作用下接箍為薄弱環(huán)節(jié)，壁厚為15.88～22.22 mm時在內(nèi)壓作用下接箍為薄弱環(huán)節(jié)。

3)API Spec 5CT—2011第9版將接箍外徑改為200.03 mm后可以保證油田常用的壁厚為12.65～15.88 mm的177.80 mm套管接頭連接強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度。

4)套管抗擠強(qiáng)度不隨接箍外徑變化而變化。

2 177.80 mm×12.65 mm 140 特殊螺紋接頭套管實物試驗

2.1 試樣

試樣為177.80 mm×12.65 mm 140 特殊螺紋接頭套管，接箍名義外徑194.46 mm。

2.2 試驗項目及流程

試驗項目及流程見圖1。

圖1 特殊螺紋接頭套管試驗項目及流程

2.3 試驗結(jié)果

2.3.1 材料性能檢測結(jié)果

1)化學(xué)成分

化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

2)拉伸試驗

拉伸試驗結(jié)果見表2。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 拉伸試驗結(jié)果

3)沖擊試驗

沖擊性能試驗結(jié)果見表3。

4)硬度試驗

硬度試驗結(jié)果見表4。

5)金相分析

家里一個吊扇正哐當(dāng)哐當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)著，葉之容在吊扇下的躺椅上打盹。她輕手輕腳順著梯子爬到了閣樓上，可吱吱呀呀的閣樓樓板的響聲還是驚醒了葉之容，他在下面喊了聲：“開空調(diào)！別舍不得電！”

金相分析結(jié)果見表5。

2.3.2 實物試驗結(jié)果

1)螺紋參數(shù)及幾何尺寸檢測

外螺紋接頭參數(shù)檢測結(jié)果見表6，內(nèi)螺紋接頭參數(shù)檢測結(jié)果見表7。

表3 沖擊性能試驗結(jié)果

2)上、卸扣試驗

上、卸扣試驗結(jié)果表明，套管螺紋接頭沒有發(fā)生粘扣。

3)內(nèi)壓及拉伸試驗

內(nèi)壓及拉伸試驗結(jié)果見表8。

表4 硬度試驗結(jié)果(HRC)

表5 金相分析結(jié)果

表6 外螺紋接頭參數(shù)檢測結(jié)果

表7 內(nèi)螺紋接頭參數(shù)檢測結(jié)果

表8 內(nèi)壓及拉伸試驗結(jié)果

3 分析討論

套管在使用過程中發(fā)生失效的位置反映了在一定工況條件下套管的薄弱環(huán)節(jié)[1-3]。套管在實驗室試驗至失效后破壞位置反映了試驗條件下套管的薄弱環(huán)節(jié)[4-7]。通過失效分析和試驗研究找到套管薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)可以提高套管質(zhì)量。

1)177.80 mm×12.65 mm 140 BC套管工廠連接端套管抗內(nèi)壓(水)強(qiáng)度為138 MPa。

2)177.80 mm×12.65 mm 140 BC套管在水壓試驗過程中，從工廠連接端滑脫的主要原因是螺紋密封失效，高壓水進(jìn)入內(nèi)外螺紋配合間隙處，在接箍內(nèi)表面形成徑向載荷。由于接箍承載能力低于管體，接箍首先脹大變形，最后發(fā)生了接頭滑脫。

3)177.80 mm×12.65 mm 140套管屬厚壁套管，薄弱環(huán)節(jié)在接箍上，適用于要求抗擠強(qiáng)度高的井底蠕變地層。在深井、超深井選用該種套管時，應(yīng)以接箍強(qiáng)度為設(shè)計依據(jù)。

文獻(xiàn)[9]通過實物試驗得出如下結(jié)論：

1)177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管接箍(外徑193.68 mm)為薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)按照接箍危險截面尺寸計算試驗載荷，按照接箍強(qiáng)度進(jìn)行套管柱設(shè)計。

2)對于存在蠕變地層的井段采用177.80 mm×12.65 mm 140套管(接箍外徑193.68 mm)，對于其他井段采用接箍內(nèi)螺紋接頭與管體等強(qiáng)度的套管。

API Spec 5CT—2011第九版將177.80 mm套管接箍外徑改為200.03 mm之后，保證了油田常用的177.80 mm套管(壁厚為12.65～15.88 mm)接頭連接強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度。API Spec 5CT—2011第九版標(biāo)準(zhǔn)自發(fā)布日期使用至今，油田在固井過程中沒有發(fā)生問題，已經(jīng)取得了很好的使用效果。

按照API Spec 5CT—2011第九版規(guī)定，對于壁厚為17.45～22.22 mm的177.80 mm API套管，在拉伸載荷作用下接箍仍然為薄弱環(huán)節(jié)；對于壁厚為15.88～22.22 mm的177.80 mm套管，在內(nèi)壓作用下接箍仍然為薄弱環(huán)節(jié)。如果要選用這些套管，應(yīng)當(dāng)以接箍拉伸強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度進(jìn)行套管設(shè)計。

本次試驗結(jié)果表明，177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管(接箍名義外徑194.46 mm)，在實物試驗過程中接頭首先發(fā)生失效，接箍為薄弱環(huán)節(jié)。特殊螺紋接頭雖然為各廠家的專利產(chǎn)品，但是按照API Spec 5CT—2011第九版將177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑改為200.03 mm之后可以增加接箍壁厚，保證油田常用的177.80 mm特殊螺紋套管(壁厚為12.65～15.88 mm)接頭連接強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度。

按照API Spec 5CT—2011第九版規(guī)定，對于壁厚為17.45～22.22 mm的177.80 mm特殊螺紋接頭套管，在拉伸載荷作用下接箍仍然為薄弱環(huán)節(jié)；對于壁厚為15.88～22.22 mm的177.80 mm特殊螺紋接頭套管，在內(nèi)壓作用下接箍仍然為薄弱環(huán)節(jié)。在井眼尺寸一定的情況下，如果要選用這些套管，應(yīng)當(dāng)以接箍拉伸強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度進(jìn)行套管設(shè)計；如果井眼尺寸允許，若要求保證這些套管拉伸強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度與管體匹配，可以適當(dāng)增加接箍外徑。

4 結(jié) 論

1)對于177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管，如果采用API Spec 5CT—2005第八版規(guī)定的接箍外徑，接箍為薄弱環(huán)節(jié)。

2)按照API Spec 5CT—2011第九版將177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑改為200.03 mm之后可以增加接箍壁厚，保證油田常用的177.80 mm特殊螺紋接頭套管(壁厚為12.65～15.88 mm)接頭連接強(qiáng)度和抗內(nèi)壓強(qiáng)度。

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《石油管材與儀器》編輯部

Test Study on Optimal Design of Coupling Outer Diameter for177.80 mm Casing with Premium Connection

GENG Hailong1, LYU Shuanlu1,2, LI Dongfeng3, HAN Jun3, YANG Peng3

(1.TarimOilField,Korla,Xingjiang841000,China；2.MaterialScienceandEngineeringDepartment,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；3.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077，China)

This paper gives an investigation on application of 177.80 mm casing with different coupling outer diameter in the oil field. It was considered that the reason why the coupling diameter of 177.80 mm casing was increased in API Spec 5CT-2011 9this to guarantee tension joint strength and internal yield pressure for several 177.80 mm casing with thick wall per calculating tension joint strength and internal yield pressure in accordance with API Spec 5CT-2005 8thand API Spec 5CT-2011 9threspectively. It is verified through the full-size test: the weak linking point is still at coupling for several kinds of 177.80 mm premium connection casing with thick wall frequently-used in oil field in accordance with API Spec 5CT-2005 8th. It was suggested that the coupling diameter of 177.80 mm casing with premium connection should be in accordance with API Spec 5CT-2011 9th.

casing； premium connection; tension joint strength; internal yield pressure

耿海龍，男，1982年生，工程師，2006年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程工作，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事石油工程專業(yè)。E-mail：genghailong-tlm@petrochina.com.cn

TE931.2

A

2096-0077(2017)02-0038-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.009

2016-09-07 編輯：屈憶欣)