試井井下關節式接頭研制及應用

汪敏　王玉根　許紹俊　楊永春　汪琛又

摘 要：針對現有的國內外傳統的關節式接頭存在關節體與主體分離造成井下落物風險，設計了一種試井井下關節式接頭，其構思新穎，設計巧妙合理，整體結構簡單緊湊，加工制作容易，成本低，性能優良，安全可靠，適應大斜度井、水平井等特殊井身結構的試井工藝要求，提高了試井施工效率，在川渝油氣田試井作業中發揮了重要作用。

關鍵詞：油氣井;井下儀器;關節式接頭

對井口壓力大和產氣量高的井試井，儀器工具串較長、較重，在大斜度和方位角、狗腿度突變及管柱結構復雜井段，以及有泥漿、地層出砂、井內結蠟等情況，會造成儀器工具串在管柱內遇卡遇阻，需要安裝關節式接頭，縮短其剛性長度，增加儀器工具串的柔性度。

近年來，應用國內外傳統的關節式接頭進行儀器工具串各段的連接，使其在下井過程中有柔性，防止阻卡。但通過調研發現其結構簡單、可靠性差，關節體與主體嚴重磨損，會導致井下落物，參考相關的研究成果，研制了針對試井測試的井下關節式接頭。

一、現有關節式接頭存在的問題

目前常用的關節式接頭由上接頭、銷釘、主體、關節體、下接頭組成，主體下端內部設有球形面，關節體上方設相配合的球形體，通過主體的內球形面和關節體的外球體面組成滑動摩擦副，達到柔性的目的。但傳統的井下關節式接頭還存在以下缺點：

1、由于主體的內球形面，關節體的外球體面，加工精度不高，尤其主體的內球形面難以達到與關節體相吻合的外球體面，受力點不均勻，在儀器串較重時摩擦力較大，擺動也不靈活。

2、主體的內球形面與關節體的外球體面間隙大，砂粒進入主體的內球形面與關節體的外球體面之間，摩擦力增大，柔性變差，儀器工具串難以通過大斜度井段和方位角、狗腿度突變井段下到預定深度。

3、上接頭與主體是用銷釘固定，拆卸保養不方便，磨損程度難以觀察到，隨著主體的內球形面與關節體的外球體面之間不斷磨損，間隙逐漸增大，載荷能力和抗沖擊能力變差，存在關節體上的球形體滑出主體內球形面，關節體與主體分離的潛在風險，造成儀器工具串落井事故。

由此，以這種關節式接頭及工藝為基礎，試井作業時，由若干個關節式接頭將入井的儀器串工具分解成若干個剛性長度段，在試井過程中一旦發生關節式接頭脫落，致使測試失敗，必然造成井底與產層無法正常溝通，直接影響油氣田經濟效益的提高。

二、試井井下關節式接頭研制

1.結構

新型試井井下關節式接頭主要在現有關節式接頭的基礎上加以改進，其設計思路是利用由一個有外球面的內圈和一個有內球面的外圈組成的關節軸承，有較大的載荷能力和抗沖擊能力，并具有抗腐蝕、耐磨損、自調心的特點，改變原有的結構連接方式，研制一種結構合理、柔性好、實用性強、安全可靠，用于較長的儀器工具串下入有撓度的井中時防止遇卡遇阻的試井井下關節式接頭。

結構如圖1，包括上接頭、主體、關節體、關節軸承、銷釘、下接頭組成。上接頭上端設外螺紋與試井工具的內螺紋連接，中間設扁方，下端外螺紋與主體的內螺紋相連接;主體設軸向通孔，上端設內螺紋，下端設錐形孔，錐面與中心線的夾角為20°，錐形孔最小孔徑的內部上方為一圓形臺階，圓形臺階的上端設圓柱形孔，主體外側中部設扁方;關節體上端設球形體，中端設圓柱形，下端設外螺紋，靠近末端設徑向銷釘孔;關節軸承的內圈外壁呈外球面狀，外圈內壁呈內球面狀，外圈的內球面和內圈的外球面組成滑動摩擦副;銷釘為一圓柱體，直徑與下接頭、關節體的銷釘孔一致，長度與下接頭最大外徑一致;下接頭兩端部設螺紋孔，上端螺紋孔小于下端螺紋孔，下接頭外徑與主體外徑一致，中間設扁方。

2.工作原理

通過將關節軸承內圈套裝在關節體至關節軸承內圈上端平面與外球形體的小臺階面相接，然后將關節體的下端從主體錐度孔穿出，關節軸承外圈與主體內圓形孔滑配，上接頭與在主體鎖緊，關節體絲扣與下接頭連接，并用銷釘定位，形成關節體最大擺動幅度20°柔性好的試井井下關節式接頭，將試井井下關節式接頭依次連接在加重桿、震擊器、電子壓力溫度計等之間，起到縮短剛性長度、增加撓度、減小摩擦作用，使儀器、工具在下井過程中有較好的柔性，不致因管柱某處有撓度而發生卡阻現象。

3.加工工藝要求及性能參數

試井井下關節式接頭的上接頭、關節體、主體、銷釘、下接頭材料選用316L不銹鋼，螺紋加工保證其加工精度，關節軸承優選高強度、耐腐蝕成品。

試井井下關節式接頭最大外徑：38mm，總長度：167mm，有效長度：142mm，重量1.09kg，關節體擺動幅度：20°，工作介質：石油、天然氣、各類鉆井液，可以實現在Φ73m油管內進行有效試井測試，提高了試井成功率。

三、現場應用

2014年05月開始使用試井井下關節式接頭，在川渝油氣田蒲西001-X1井、威202H3-1井、溫泉002-H2井等260多口井，310余次試井作業（有些井最大井斜角達到了63.75°）中，安全可靠，降低了勞動強度，很好地滿足了“三高”井、高產井、超深井、大斜度井、水平井等高難度測試工藝的要求。該技術已成功運用在磨溪、云安廠、高石梯等高含硫氣田，施工成功率100%，資料合格率100%的好成績。大斜度井的試井施工費用比直井提高了30%左右的收益，社會及經濟效益明顯，具有良好的應用前景。

四、結論

（1）經過多次試驗及現場應用，試井井下關節式接頭避免了儀器工具串與油管內壁碰撞，使儀器串順利下放至目的井深。

（2）試井井下關節式接頭操作方便，有效提高了試井成功率，縮短了試井作業時間，節約了試井費用，減少油氣井井下復雜，便于油氣井后期生產及維護，延長油氣井生產時間。

（3）試井井下關節式接頭結構合理、性能穩定、易于加工，可重復投入使用，不僅使測試數據更加準確完整，更為施工作業的安全性、可靠性得到了增強，解決了大產量井、高壓井、大斜度井的試井的難題，值得推廣。

參考文獻

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