特殊螺紋接頭油管在蘇里格南氣田的應(yīng)用

董易凡，雷宇，楊圣方,劉媛

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田蘇里格南作業(yè)分公司（陜西 西安 710018）

特殊螺紋接頭具有密封效果好、連接強(qiáng)度高、抗扭能力強(qiáng)、不易粘扣等特點(diǎn)，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田蘇南區(qū)塊自2011年大規(guī)模開(kāi)展鉆井作業(yè)以來(lái)，已成熟應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。截至目前，鉆井作業(yè)完成的近700口氣井中，特殊螺紋接頭油管封固效果良好，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在過(guò)程管理工作方面的不斷優(yōu)化和提升，近3 年的完井高壓測(cè)試通過(guò)率達(dá)到100%。該項(xiàng)技術(shù)較為成熟，針對(duì)無(wú)油管完井工藝具有廣泛推廣意義。

1 API螺紋接頭概況

目前，國(guó)內(nèi)外普遍使用的油套管接頭是API 接頭，API接頭可以分為圓螺紋接頭（包括油管長(zhǎng)圓螺紋、油管短圓螺紋、加厚油管螺紋、不加厚油管螺紋）和偏梯形螺紋接頭[1]，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 圓螺紋接頭

圓螺紋接頭的錐度是1：16，接頭螺距為每25.4 mm 有8 牙或10 牙，導(dǎo)向面角和承載面角兩者都是30°，如圖1（a）所示。結(jié)構(gòu)上的此設(shè)計(jì)特點(diǎn)，決定了圓螺紋油管的連接強(qiáng)度低于管體。這種接頭在承受較高的拉伸載荷時(shí)，易于從螺紋連接處滑脫而失效。在失效的情況下，螺紋雖然沒(méi)有明顯損壞，但是螺紋強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，因而這種螺紋的連接效率較低，一般只有管體的60%至80%。

1.2 偏梯形螺紋接頭

為了解決API 螺紋連接效率低的問(wèn)題，API 又推出了一種偏梯形螺紋，如圖1（b）所示。這種螺紋的錐度也是1：16，螺距為每25.4 mm 5 牙，它們的承載面角和導(dǎo)向面角不同，承載面角為3°而導(dǎo)向面角為10°。接頭承受拉伸載荷時(shí)產(chǎn)生的徑向分力因?yàn)槌休d面角小而減小，因而連接強(qiáng)度顯著提高。通常這種偏梯形螺紋可以達(dá)到與管體同等強(qiáng)度。

圖1 API螺紋接頭

1.3 API螺紋密封技術(shù)特點(diǎn)

采用錐管螺紋密封。符合API SPEC 5B標(biāo)準(zhǔn)的螺紋如EU、NU 、BTC、STC 和LTC 等，都是錐管螺紋，內(nèi)外螺紋過(guò)盈配合產(chǎn)生的接觸壓力使其獲得密封性能，故接觸壓力越大，密封性能越好[2-3]。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素，嚙合螺紋間存在間隙。即便在加工公差為零的情況下，API螺紋嚙合后，內(nèi)外螺紋間也會(huì)存在間隙，由于加工公差的存在，內(nèi)外螺紋間隙還會(huì)更大。故API螺紋密封性能差的根本原因是潛在的泄漏通道即螺旋狀間隙（圖2）。

圖2 API螺紋泄漏通道示意圖

API螺紋的密封性能受螺紋脂的影響。因?yàn)樾孤┩ǖ赖拇嬖?，API螺紋的氣體密封能力，只有依靠螺紋脂的填充，才會(huì)起到密封作用。

1.4 API螺紋的適用局限性

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，API 螺紋的密封性能差，氣密封性能更差。因?yàn)槁菁y脂未風(fēng)干或者失效，在API接頭上扣初期，雖然API接頭還具有一定的氣密封性，但隨著時(shí)間推移，接頭的氣密封性能會(huì)顯著下降；同樣將螺紋脂在實(shí)驗(yàn)室條件下烘干，接頭的氣密封性能也會(huì)顯著下降[6-7]。

API 螺紋的密封性能，特別是氣密封性能不可靠。如果API螺紋的密封性能只是較差，在進(jìn)行管柱設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員也可以掌握。但一般符合API規(guī)范的油管接頭，雖然它們的強(qiáng)度差別不大，但是密封性能卻可能相差很大，這給鉆井設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難。

2 特殊螺紋特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.1 特殊螺紋特點(diǎn)

油管生產(chǎn)廠家為克服API螺紋的缺點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的特殊螺紋接頭是具有高技術(shù)要求的產(chǎn)品，與API 螺紋接頭不同，特殊螺紋接頭一般由三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 特殊螺紋接頭基本結(jié)構(gòu)

1）保證密封完整性的金屬或金屬密封結(jié)構(gòu)。該形式分為單點(diǎn)金屬密封和多點(diǎn)金屬密封。每一點(diǎn)由不同的密封形式組成，主要分為球面對(duì)球面密封、球面對(duì)柱面密封、球面對(duì)錐面密封、柱面對(duì)柱面密封以及錐面對(duì)錐面密封等。

2）保證接頭結(jié)構(gòu)完整性的有效螺紋形式。采用改進(jìn)型的偏梯形螺紋的結(jié)構(gòu)形式，使接頭螺紋連接強(qiáng)度大于管體強(qiáng)度，不會(huì)再發(fā)生滑脫失效。

3）控制擰緊位置的扭矩臺(tái)肩。特殊螺紋的扭矩臺(tái)肩解決了API 螺紋擰接位置不易控制的難題，也解決了擰接位置波動(dòng)的問(wèn)題。

2.2 特殊螺紋相比API螺紋的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

特殊螺紋與API 螺紋的結(jié)構(gòu)不同，前者由三部分組成，而后者只有一部分。API 螺紋同時(shí)承擔(dān)連接功能和密封功能。特殊螺紋則不同，它將連接功能和密封功能區(qū)分開(kāi)來(lái)，由不同的結(jié)構(gòu)承擔(dān)，螺紋只承擔(dān)連接功能，密封功能由專(zhuān)門(mén)的密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這為優(yōu)化螺紋設(shè)計(jì)、提高接頭連接強(qiáng)度和抗扭能力提供了更廣闊的空間[4-5]。

2.3 特殊螺紋和API螺紋承擔(dān)上扣扭矩的結(jié)構(gòu)

API 螺紋和特殊螺紋承擔(dān)上扣扭矩的結(jié)構(gòu)不同，前者完全由螺紋承擔(dān)，而后者的上扣扭矩是由螺紋和扭矩臺(tái)肩分擔(dān)。同時(shí)，螺紋承擔(dān)的扭矩只占總扭矩的1/3，其余的2/3則作用在扭矩臺(tái)肩上，這就大大提高了特殊螺紋接頭的抗扭能力。因此，特殊螺紋接頭的抗扭能力一般可以達(dá)到普通API接頭的1.5～2.0倍。由于螺紋應(yīng)力集中程度下降，接頭的抗粘扣能力顯著增強(qiáng)。如圖4所示。

圖4 特殊螺紋接頭的上扣扭矩曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

蘇南現(xiàn)場(chǎng)采用88.9 mm 油管裸眼完井方式完井，應(yīng)用井下節(jié)流模式進(jìn)行中壓生產(chǎn)。井下節(jié)流后管柱內(nèi)氣、液相流體流速發(fā)生改變，高速攜砂射流易對(duì)生產(chǎn)管柱內(nèi)壁（特別是下部管段）造成沖蝕。生產(chǎn)的天然氣中含有二氧化碳，該氣體溶解于水對(duì)管道或者設(shè)備等金屬材料產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕。腐蝕又分為全面腐蝕和局部腐蝕，兩者產(chǎn)生的條件有所不同。在溫度較低時(shí)，二氧化碳對(duì)碳鋼的腐蝕主要表現(xiàn)為全面腐蝕,這種腐蝕為電化學(xué)腐蝕，總的腐蝕反應(yīng)為：CO2+H20+Fe=FeCO3+H2。在溫度偏高時(shí)，CO2易造成局部腐蝕，主要有點(diǎn)蝕、臺(tái)地侵蝕、流動(dòng)誘使局部腐蝕3 種表現(xiàn)形式，生成的碳酸亞鐵膜穩(wěn)定性較差，受沖刷后易暴露管材腐蝕弱點(diǎn)。

鑒于88.9 mm的裸眼完井管柱所承擔(dān)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)氣井中技術(shù)套管承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，蘇里格南現(xiàn)場(chǎng)工藝配套對(duì)油管質(zhì)量提出了極高的要求，特別是傳統(tǒng)意義上油套管薄弱點(diǎn)接頭位置。在開(kāi)發(fā)初期即決定全面使用特殊螺紋接頭油管。通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)不同廠家產(chǎn)品，2014年優(yōu)選上海生產(chǎn)的BD-1T 特殊扣油管作為指定管材。該產(chǎn)品相比同類(lèi)型產(chǎn)品具有如下優(yōu)勢(shì)：

3.1 螺紋形式特點(diǎn)

螺紋因接頭的密封功能由專(zhuān)門(mén)結(jié)構(gòu)承擔(dān),故其只需承擔(dān)連接功能,從而為優(yōu)化螺紋設(shè)計(jì)提供了廣闊的空間。BD-1T螺紋采用每25.4 mm8牙，且油管螺紋的齒頂、齒底平行于管子軸線而不是母線，具有連接強(qiáng)度高、容易認(rèn)扣、不粘扣、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，如圖5所示。

3.2 多重密封結(jié)構(gòu)

其主密封采用外螺紋柱面、內(nèi)螺紋球面密封結(jié)構(gòu),不僅具備圓周線密封的可靠性，且其性能不隨拉伸載荷的增大而下降。球面結(jié)構(gòu)位于接箍?jī)?nèi)，在運(yùn)輸和井場(chǎng)操作時(shí)可保護(hù)密封面不會(huì)受損。同時(shí)，在拉伸和彎曲等井下管柱受力狀態(tài)，接頭處密封面的接觸壓力不會(huì)下降，也不易發(fā)生密封面的粘扣，因此可以做到整井?dāng)?shù)百個(gè)接頭處密封效果100%可靠。其承擔(dān)副密封作用的扭矩臺(tái)肩為-15°，接觸壓力隨拉伸載荷施加而降低的程度也較小,主密封和副密封的共同作用，使接頭具有優(yōu)良的氣密封性能。

圖5 BD-1T結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 扭矩臺(tái)肩合理設(shè)計(jì)

良好的輔助密封效果和上扣定位作用來(lái)自于-15°的反向臺(tái)肩的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì),這一設(shè)計(jì)可使螺紋部分應(yīng)力水平低，具有良好的抗應(yīng)力腐蝕能力。

4 氣密扣油管現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制

為嚴(yán)把工程質(zhì)量關(guān)，蘇里格南公司根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際總結(jié)制定出一套行之有效的油管質(zhì)量管控措施。

4.1 到井后檢查

4.1.1 工序具體要求

油管到井后由吊車(chē)卸至管架上，由鉆井隊(duì)、錄井隊(duì)按照五道工序檢查要求，共同完成擺放、通徑、清洗、丈量、外觀檢查等工作。各工序具體要求如下。

1）排擺油管。到井場(chǎng)管架上的油管要排列整齊，擺放現(xiàn)場(chǎng)不得超過(guò)三層，保證管體有360°旋轉(zhuǎn)空間用于檢查管體，保證公、母扣護(hù)絲能順利卸下。

2）通徑。油管在入井前要使用廠家提供的專(zhuān)用通徑規(guī)，全長(zhǎng)通徑。通徑規(guī)使用前要嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)檢查（71.02 mm）。

3）清洗。油管在入井前要使用水力、空氣、細(xì)鋸末、清洗劑來(lái)清洗管體，不得使用金屬刷、柴油、沙土等清洗油管。清洗完成后，保證在使用時(shí)管體絲扣無(wú)油漬、水漬。

4）丈量。從管體母接箍上端面至公扣下端面測(cè)量，數(shù)據(jù)減78 mm。

5）外觀檢查。①在油管使用前首先要對(duì)管體的彎曲度進(jìn)行檢查，在人力推動(dòng)下不滾動(dòng)，滾動(dòng)軸向曲率較大，或上扣時(shí)管體擺動(dòng)較大均不得使用；②螺紋絲扣檢查，在螺紋部分不得出現(xiàn)毛刺、劃痕、臺(tái)肩及破壞螺紋完整性的缺陷，公母端不得有變形、壓凹。

4.1.2 油管存放要求

1）對(duì)于井場(chǎng)剩余的油管要按規(guī)定存放，公母扣涂好防腐油脂堆高不得超過(guò)3層。

2）存放位置應(yīng)高于地面45～50 cm，管架應(yīng)盡量使用非金屬材料，管體兩側(cè)伸出不得超過(guò)2.5 m，不能暴露在潮濕的空氣中，同時(shí)避免積水。

3）管體不能與腐蝕性化學(xué)品直接接觸，尤其是含有鹵族元素的物品。

4.2 入井前檢查

4.2.1 油管液壓動(dòng)力鉗的檢查

1）油管液壓動(dòng)力鉗到井后要嚴(yán)格進(jìn)行檢查，嚴(yán)格按照在蘇南公司備案的設(shè)備清單進(jìn)行核對(duì)，沒(méi)有在蘇南公司備案及沒(méi)有通過(guò)年檢的油管動(dòng)力鉗不能使用。

2）對(duì)到井準(zhǔn)備使用率較大或上扣時(shí)管體擺動(dòng)較大均不得使用。檢查螺紋、臺(tái)肩是否損傷。

3）所有上井設(shè)備必須滿(mǎn)足一備一用要求。

4.2.2 油管丈量的復(fù)核及油管串?dāng)?shù)據(jù)的核對(duì)

1）甲方管理人員對(duì)井隊(duì)與錄井隊(duì)丈量統(tǒng)計(jì)完的原始油管數(shù)據(jù)進(jìn)行10%抽檢核對(duì)。

2）油管串?dāng)?shù)據(jù)核對(duì)：①要使用原始的油管數(shù)據(jù)本進(jìn)行核對(duì)，防止井隊(duì)不小心使用了另外井復(fù)制的油管數(shù)據(jù)；②檢查管架的油管總根數(shù)、下入油管根數(shù)、下完油管后剩余油管根數(shù)；③檢查油管單根長(zhǎng)度最大值與最小值，防止電腦輸入的誤操作；④檢查核對(duì)油管串內(nèi)口袋、阻位、TAP、座落等數(shù)據(jù)。核對(duì)扶正器的下入位置及下入個(gè)數(shù)（120個(gè)）。檢查標(biāo)定的循環(huán)及灌漿的位置。

4.2.3 鉆臺(tái)面工具準(zhǔn)備

1）鉆臺(tái)上要準(zhǔn)備好壓縮空氣管線、干凈的毛巾和灌漿管線，以及TP101油管密封脂及井口工具。

2）要求有下油管的專(zhuān)用干凈鼠洞。油管上鉆臺(tái)必須要戴上護(hù)絲護(hù)帽輕吊輕放，不能有磕碰。油管放進(jìn)鼠洞時(shí)不能卸掉護(hù)絲，再吊出鼠洞操后才能卸掉護(hù)絲。

4.3 入井過(guò)程控制

4.3.1 液壓動(dòng)力鉗的使用

1）嚴(yán)格按BD-1T操作手冊(cè)要求執(zhí)行，高速上扣時(shí)轉(zhuǎn)速不得超過(guò)25 r/min，接近上緊時(shí)的前一扣，低速上扣速度不得超過(guò)15 r/min。

2）按BD-1T 操作手冊(cè)要求，液壓動(dòng)力鉗的下鉗，應(yīng)夾持在母接箍的下部油管本體上。

4.3.2 注意事項(xiàng)

1）上扣時(shí)的螺紋密封脂涂抹事項(xiàng)，對(duì)于氣密螺紋，密封脂涂抹對(duì)于管柱的整體密封性能起著至關(guān)重要的作用。在井口使用壓縮空氣吹凈母扣，公扣端用毛巾擦干凈后均勻涂抺密封脂，一定要使用引扣器對(duì)扣，防止碰壞油管密封面。

2）在上扣時(shí)應(yīng)根據(jù)給定的扭矩值作為上扣標(biāo)準(zhǔn)。上扣扭矩值的使用標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格執(zhí)行BD-1T 操作手冊(cè)要求。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用的N80、88.9mm（312″）油管推薦扭矩值：最大4 530 N/m，最佳3 930 N/m，最小3 420 N/m。最大臺(tái)階扭矩3 000 N/m，最小臺(tái)階扭矩300 N/m。監(jiān)督在現(xiàn)場(chǎng)要認(rèn)真檢查上扣扭矩。扭矩圖不符合要求的油管不能入井，要求二次上扣或更換油管。

5 結(jié)論

1）特殊螺紋接頭密封效果優(yōu)于常規(guī)API 扣，更適用蘇南現(xiàn)場(chǎng)，推薦廣泛使用裸眼完井結(jié)構(gòu)。

2）建議繼續(xù)使用特殊螺紋接頭油管，可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)接頭方式、管材成分質(zhì)量等優(yōu)化。

3）持續(xù)推進(jìn)質(zhì)量管理工作，豐富可視化管理手段，強(qiáng)化上扣扭矩等重點(diǎn)環(huán)節(jié)過(guò)程質(zhì)量跟蹤監(jiān)控力度，減輕甲方駐現(xiàn)場(chǎng)管理人員夜間勞動(dòng)強(qiáng)度。