一種新型直連扣的設計與開發

馬春剛

摘 要：隨著油田開發后期的到來，套損井越來越多。針對目前采用的常規套管補貼技術無法滿足長井段、高井溫及施工工藝復雜、工序多、修復后井眼內徑變化較大的問題，設計開發了直連型套管。本文針對勝利油田各采油廠逐步對套管破漏、腐蝕損壞嚴重，損壞段太長，無法作一般修套技術治理的老井采用了下小套管完井技術。即采取在原損壞套管中下入更小規格套管再固井的方法進行治理。此工藝具有施工簡單、密封性好且井眼尺寸變化小等特點。

關鍵詞：直連套管；無接箍；錐型螺紋

1直連管的發展趨勢與預測

世界各國油田開發進程表明，隨著油水井生產的時間延長，開發方案的不斷調整和實施，由于地層應力的變化、油水井作業及其他施工的影響，油、氣、水井套管技術狀況越來越差，使油井不能正常生產，甚至使井報廢，以致影響油田穩產。勝利油田在四十余年的開發過程中，由于長期的注水開發，使本來就復雜的地質條件變得更加復雜，套損井也逐年增加。目前勝利油田套管損壞井已占總井數的1/10，套管損壞，不僅使油水井無法正常生產，給井下作業造成困難，而且直接降低井的使用壽命，影響油田開發井網的完善和最終采收率。針對這個問題，最簡單有效的方法就是對損壞套管進行補貼作業。

套管柱在建井、完井和油氣生產過程中都要承受載荷和環境的作用。在載荷方面，套管柱要承受軸向載荷及外擠力、內壓力三種外載。在某些情況下，還要承受彎、扭載荷的作用。在環境方面，套管柱要承受油、氣及地下水中腐蝕介質的侵蝕和溫度的影響。采用射孔方法完井的生產套管柱，還需承受射孔彈的大能量高溫瞬時沖擊載荷。

在上述外在服役條件下，套管柱的主要失效模式有擠毀、滑脫、破裂、泄漏及表面損傷等。目前，對變形縮徑的套管修復主要采取脹修、整形、磨銑、爆炸修復等工藝技術；對破漏、錯斷的套管修復主要采取套接工藝技術；但對于破漏、腐蝕點多、段長的油水井，采取局部治理，收效很小，有時補了上段，漏了下段。

針對以上這些問題，經現場施工實踐，勝利油田各采油廠逐步對套管破漏、腐蝕損壞嚴重，損壞段太長，無法作一般修套技術治理的老井采用了下小套管完井技術。即采取在原損壞套管中下入更小規格套管再固井的方法進行治理。實際施工中，根據套管損壞段具體情況，確定小套管下入深度和井段。有幾十米，幾百米，甚至全井幾千米。直連型套管就是專為此種工藝所用的小套管設計的。

2 直連管的結構參數

本新型直連扣總體上為錐形螺紋連接的套管，其錐度為1：16.它包括管體和連接螺紋兩部分，這種新型直連管的內、外螺紋擰緊后，連接部分的內、外徑與管體的內、外徑基本相同。該套管連接后，有內外兩個扭矩臺階，上扣時外臺階首先接觸，承擔一定的扭矩，當扭矩過大時，外臺階部分屈服，內臺階承擔過大的扭矩。

在原有的直連管中采用無錐度連接方式，它的密封是通過密封槽加一個2.5mm的密封圈止口部分接觸密封，在下井時上扣速度慢，多次上卸扣之后密封圈就會有不同程度的損壞，不能很好的起到密封作用；

改進后的直連管采用錐扣連接，在上扣時速度加快，并除去了密封圈的麻煩，最重要的是通過錐度密封的效果更好，并且可以保證多次上卸扣。具體表現：1 螺紋采用連接改進的偏梯型螺紋形式、連接效率高、不粘扣、壽命長；2 連接螺紋段的內外徑與管體內外徑完全平齊，在油氣井中下入方便；3 采用錐面密封結構，有良好的氣密性；4 有內外兩個扭矩臺階，抗過扭矩能力強。

齒形為改進型偏梯型螺紋；齒高為0.9-1.575；止口導向面為1：10錐度；承載面角度為30。采用8扣/英寸、6扣/英寸和5扣/英寸的偏梯扣，它們的牙深分別是0.9mm和1.1mm 1.575mm

初步選擇最常用的4 1/2〞套管做直連管，它可以下入5 1/2〞的套管內進行大修作業。

3試驗與分析

在進行各項理論試驗之前，首先對N80鋼級、壁厚為6.88和7.37的兩種管體做拉伸試驗，其拉伸結果如下表：

規格 壁厚 鋼級 屈服強度σs（Mpa） 抗拉強度σb（Mpa）

114.3*6.88 6.88 N80 576 820

114.3*7.37 7.37 N80 601 812

在試制初期，通過中國石油大學及技術檢測中心對試驗產品進行了主要性能試驗。分別對Φ114.3×6.88和Φ114.3×7.37兩種壁厚的N80鋼級直連管進行拉伸試驗，試驗表明：拉伸試驗845.76KN；

分別對6.88、7.37、8.56三種壁厚和N80、P110兩種鋼級，共6種組合進行上卸扣試驗，上卸扣5次都沒有出現粘扣現象，扭矩基本上保持在1900N.m。

直連套管靜水壓力試驗耐壓55MPa，保壓時間6s。

實驗結果表明：壁厚為6.88的管體，在公扣端內扭矩臺肩不均勻部分有不同程度的變形，壁厚為7.37的管體沒有任何變形。

4 方案確定

4.1 牙型的選擇

對于8扣/英寸的螺紋，牙深只有0.9mm，螺距為3.175mm，在上扣時由于牙太細，容易錯扣，并且0.9mm的牙深在錐扣的抗拉方面安全性能不是太高。所以不推薦使用。

對于5扣/英寸的螺紋，牙深為1.575mm，螺距為5.08mm，對于扣長為80mm的4 1/2〞直連管不適合，它可以選擇在5 1/2〞以上的直連套管使用。

4.2 管體壁厚選擇

對于壁厚為6.88的管體，采用1：16的錐扣，不論是在公扣還是母扣的止口部位管壁太薄，在運輸或者下井的過程中由于磕碰，容易造成變形，影響正常的下井工作，嚴重者管體直接報廢，所以不推薦使用6.88壁厚的管體。

對于8.56壁厚的管體，內通徑比7.37壁厚的管體小2.38mm，也就是說在通流面積上小，以1500米管柱為例，比7.37壁厚的重4.34噸，在增加制造成本的同時也增加了懸掛時的安全隱患。所以不推薦使用該壁厚的管體。

4.3 管體鋼級選擇

一般情況在懸掛長度大于1000米的，1000米以上部分采用P100鋼級，1000米以下的部分用N80鋼級組合懸掛使用。在小于1000米的管柱全部采用N80鋼級管體。

綜上所述：在4 1/2〞直連套管的選用中：管體為114.3*7.37 ；鋼級為 N80 ；螺紋為6扣/英寸最為合適；

5 現場實例與結論

我們設計開發的直連型套管解決了一些老油井不得不面臨報廢或停用的問題，在老區塊的修井作業中得到了推廣應用，有較為廣泛的應用前景。直連無接箍套管在研制初期便得到了各采油廠的大力支持，先后在清河采油廠、勝利采油廠、東辛采油廠、孤島采油廠、臨盤采油廠等得到了應用。其中勝采STS9×1因套管多處串漏，并且生產層位出砂嚴重，因含水量高長期停產。為了保證能夠進行常規的防砂工序，下入我們設計開發的Φ114.3×7.37直連套管1640米，固井后順利完成了正常的作業施工工序，取得了日產油20噸的良好效果。至今該井仍在正常生產。現場的應用證明此種工藝及管柱的組合是非常成功的，能夠切合實際的為油田上節約成本發揮重要的作用。

綜上所述，直連管的設計與開發，很好的解決了破漏、腐蝕點多、段長的油水井大修的問題，為老油區修井作業帶來了福音，同時使得一些瀕臨報廢的油水井再次開產。

參考文獻：

[1]寶山鋼鐵.直連型石油套管.中國專利（專利號： 99211519.1）；

[2]API SPEC 5CT April 1999；