88.9 mm（3?″）BG-FJU小套管直連型接頭開發及應用

孫建安，張正道，曹奇

1.寶山鋼鐵股份有限公司（上海 201900）

2.中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司（重慶 408107）

3.中國石油渭南煤層氣管輸有限責任公司（陜西 渭南 714019）

0 引言

頁巖氣是一種清潔、高效的能源，為保障我國的能源安全，緩解天然氣供應壓力，大力發展頁巖氣是一種比較理想且十分現實的途徑，在國家能源布局上有著重要的戰略意義[1]。頁巖氣以游離、吸附和溶解方式賦存于富有機質頁巖中，由于頁巖致密堅硬，滲透性特別差，頁巖氣井一般無自然產能，需要通過壓裂改造，形成網絡裂縫，才能形成頁巖氣產量[2]。由于頁巖氣呈低孔、低滲透的特點，在經過連續多年生產后隨著網格裂縫中的剩余頁巖氣儲量逐步消耗，老井產量會逐步降低，慢慢喪失開采價值[3]。

我國部分早期頁巖氣井在首次壓裂施工時采用了老式壓裂工藝，段間距、簇間距較大，在段間距、簇間距之間還有較大的剩余儲量未能被開采。如果利用現有老井井筒，調整段間距、簇間距后再次進行地層壓裂，開辟新的網格裂縫，能夠以較低的成本再次獲得頁巖氣流，從而提高該井產出，創造更多效益。而依賴原有管柱直接進行壓裂作業，無法達到調整段間距、簇間距的目的。為此需要在現有井筒內重新建立新的井筒并完成壓裂作業。通過采用現有老井套管管柱內重建小套管的施工新模式，利用全新的管柱結構實現“套中固套”的重建井筒和重復壓裂施工作業，可以達到老井再次產出的目的。為配合該管柱結構的實現，需要開發專用的直連型小套管產品。

1 產品設計思路

在現有老井中重建井筒，需要綜合考量固井難度和壓裂效果。西南某頁巖氣井內現有井筒為52.4 mm（5?″）套管，尺寸為Φ139.7 mm×12.34 mm，套管內徑為115.02 mm，通徑為111.84 mm。該井計劃采用“套中固套”工藝實現二次壓裂求產。由于壓裂過程中壓裂效果與套管內徑直接相關，內徑越小壓力損失越大，流量越小，壓裂效果越差。為此應考慮盡可能大的套管內徑，相對于該井152.4 mm（5?″）套管可選新套管規格有101.6 mm（4″）、88.9 mm（3?″）、73.02 mm（2?″）等方案。同時考慮環空間隙和固井質量，新下入套管接頭外徑應盡量小。考慮101.6 mm套管保證接頭強度進行加厚后無法預留足夠的環空間隙，影響固井質量，最終確定選用88.9 mm小套管作為內層套管。

對于88.9 mm規格油套管，常規接箍式連接的接頭外徑為108 mm，該尺寸在152.4 mm套管內下入困難；而不加厚直連型接頭連接強度較為薄弱，在重復壓裂等苛刻井況中使用有一定風險。采用外加厚直連型連接方式接頭外徑可以降為96 mm，可以在保證連接強度的同時提升固井質量。為此將88.9 mm套管確定為外加厚直連型套管。

外加厚直連型螺紋接頭是油氣開采中一種不帶接箍的油套管連接方式，通過在管體的兩端分別加工公母螺紋并互相擰接而完成管柱連接[4]。外加厚直連型螺紋接頭產品的優點在于取消了接箍結構，因此增大了管柱與井壁之間的環空間隙，有利于固井質量的提升。接頭的外加厚部分可以提升接頭連接效率，保證套管連接強度；同時加厚端的加厚過渡帶避免了接箍式接頭的外露臺肩，有助于減少下入過程的阻力。基于這些特點，加厚直連型螺紋接頭通常應用于小井眼固井、修井等作業，以及深井、超深井等特殊管柱結構中[5]。外加厚直連型套管可以保證套管連接強度基礎上減小接頭外徑尺寸，從而兼顧固井質量和壓裂效果。綜合考慮壓裂和強度要求，88.9 mm小套管尺寸規格選為Φ88.90 mm×6.45 mm BG-FJU外加厚直連型套管。

為保證接頭具有穩定可靠的密封性能，BG-FJU加厚直連型接頭采用錐面對錐面的金屬密封結構，并采用內外雙密封結構形式，主密封面針對內壓高的特點，采用21°密封面角度保證密封性能；輔助密封面考慮與主密封面結構的互補性，選取較小的錐面角度[6]。

對于直連型螺紋接頭，其連接效率是接頭的核心指標之一。在螺紋錐度確定的情況下，螺紋長度直接影響接頭的連接效率，因此螺紋長度是直連型螺紋接頭產品的一大核心設計要素。螺紋長度越長，可以實現的接頭連接效率越高；然而，螺紋長度過長將導致接頭加工量大，加工效率低，同時也會導致管體端部過于薄弱而強度不足。

在實際設計過程中，接頭基礎參數（接頭外徑D、壁厚t）確定后，依據螺紋接頭長度、公端螺紋中徑等參數及螺紋齒形參數可以完成接頭連接效率η的計算。計算公式如下：

式中：dme為公端螺紋中徑，mm；Dmi為母端螺紋中徑，mm；dse為公端危險截面直徑，mm；dsi為母端危險截面直徑，mm；L為接頭長度，mm；lm為中徑位置，mm；le為螺紋小端退刀過渡長度，mm；li為螺紋大端退刀過渡長度，mm；W為接頭外徑，mm；D為管體外徑，mm；t為壁厚，mm；d為內徑，mm；hw為公螺紋齒高，mm；hn為母螺紋齒高，mm；S為管體截面積，mm2；ζ為螺紋錐度；η為接頭連接效率。

依據上述公式，可以根據螺紋齒形參數和接頭外徑、螺紋中徑、螺紋接頭長度等參數完成接頭連接效率計算并進行結構優化。結合實際設計參數，實現接頭連接效率≥80%。

為防止運輸及作業過程中母扣密封部位發生碰撞，輔助密封面配套臺肩選取直角臺肩。臺肩面和密封面之間同樣采用圓弧過渡，圓弧半徑≥0.5 mm。對于公扣，為減少密封錐面的長度，在錐面靠近螺紋部位采用圓弧結構。密封面與螺紋之間通過柱面結構連接。產品結構示意圖如圖1所示。

圖1 外加厚直連型接頭結構示意圖

為提高接頭連接強度，螺紋齒形也進行了優化設計，采用了較大的導向面齒形角和負角度的承載面齒形角,從而提升螺紋導入性能和承載能力。根據公式（1）~公式（6）可推知，螺紋齒高將直接影響接頭連接效率。在螺紋接頭外徑、螺紋中徑等尺寸固定的條件下，不同螺紋齒高條件下的螺紋接頭效率計算結果見表1。從表1可以看出，隨著螺紋齒高增加，接頭連接效率逐步降低。為此，在保證螺紋承載能力基礎上優化螺紋齒高為0.80 mm/0.95 mm。

表1 不同螺紋齒高下接頭連接效率

壓裂作業對管柱抗內壓強度要求高，同時壓裂施工后地層應力變化大，需要管柱具有較強的抗外擠能力。為保證接頭和管柱有足夠的承載能力，88.9 mm小套管根據相關設計要求，選取BG140V高強度材質，保證了管柱較高的強韌性。最終確定產品性能參數見表2，接頭拉伸強度為管體拉伸強度的80%，即接頭連接效率為80%。

表2 Φ88.9 mm×6.45 mm BG140V BG-FJU小套管產品參數

2 接頭性能驗證

油套管螺紋接頭在井下需要承受與油套管本體相同的載荷，同時需要在載荷條件下保持密封性能。因此油套管螺紋接頭的驗證主要考察拉伸、壓縮、外壓、內壓、彎曲等承載的承載能力以及在這些載荷下的密封性能。同時螺紋接頭需要通過擰接實現連接，在油田使用過程中井場需要卸扣檢查和重復上扣，因此上卸扣性能也是產品的重要性能指標。在產品設計驗證階段，首先通過有限元方法對接頭拉伸、壓縮等載荷的承載能力進行校核；此外還需要通過實物試驗對接頭進行上卸扣性能和密封性能驗證。

2.1 有限元強度校核

為驗證Φ88.9 mm×6.45 mm BG140V BG-FJU小套管產品性能，對該外加厚直連型接頭進行了有限元計算。有限元模型基于接頭設計尺寸建立。接頭螺紋的螺旋升角非常小（小于2.0°）,可以忽略，因此具備軸向對稱特性；同時計算中施加的拉伸、壓縮、內壓、外壓等載荷均為對稱載荷，為此分析模型簡化為二維軸對稱模型[7]。產品材料屈服強度設置為965 MPa，分析結果如圖2所示。

圖2 BG140V BG-FJU有限元強度校核

有限元分析結果顯示，Φ88.9 mm×6.45 mmBG 140V BG-FJU接頭上扣后接頭應力分布較為均勻，無明顯異常變形存在；接頭被拉伸至85%管體拉伸強度后母扣危險截面位置發生縮頸變形，不能滿足管柱繼續使用的要求；被壓縮至80%管體強度后接頭未發生明顯變化，與設計80%連接效率吻合。有限元分析結果表明：接頭強度滿足設計要求。

2.2 上卸扣性能驗證

在有限元驗證基礎上加工一組Φ88.9 mm×6.45 mm BG140V BG-FJU接頭實物，進行上卸扣試驗，驗證接頭抗黏扣性能。在接頭合理設計基礎上，接頭抗黏扣性能主要依賴接頭的表面處理實現抗黏扣性能，滿足重復擰接要求下公母螺紋之間不會發生黏連（黏扣）[8]。由于直連型產品直接加工于10 m作業長度的油套管管體兩端，因此現有的油套管接頭表面處理工藝（如鍍銅、高溫磷化等）實現難度大。為此Φ88.90 mm×6.45 mm BG140V BG-FJU接頭采用了冷磷化處理工藝。

試驗過程中按照產品推薦扭矩對接頭進行十上九卸的重復上扣試驗，上扣前檢查螺紋形貌和表面狀態（圖3），每次卸扣后對接頭進行清洗和檢查并記錄檢驗結果。9次卸扣后接頭完好，未發生螺紋破損或黏扣（圖4），表明該接頭具有較好的抗黏扣性能。上卸扣過程扭矩記錄見表3。

表3 上卸扣試驗扭矩 /（N·m）

圖3 上扣前接頭形貌

圖4 第9次卸扣后接頭形貌

第10次上扣采用較小扭矩上扣且不再卸扣，以備接頭擰接后的氣密封性能驗證。

2.3 密封性能驗證

上卸扣試驗結束后，對88.9 mmBG-FJU螺紋接頭試樣參照ISO13679:2002標準CAL IV等級試驗要求進行常溫A系密封試驗。該試驗中按照管體和接頭的性能參數，充分考慮了拉伸、壓縮、外壓、內壓等載荷要求。氣密封試驗過程如圖5所示，A系氣密封試驗載荷點見表4。試驗中內壓加載介質為氮氣，外壓加載介質為水[9]。

表4 A系氣密封試驗載荷點

圖5 BG140V BG-FJU接頭密封測試試驗

經過3次往復循環，Φ88.9 mm×6.45 mmBG140V BG-FJU接頭在整個氣密封試驗過程中未發生泄漏，表明接頭具有良好的氣密封能力。

3 應用情況

壓裂作業是油氣藏改造的重要手段之一，對于頁巖氣井等低滲透油氣井更需要借助壓裂作業才能達到穩產和增產的目的。相比于常規壓裂，頁巖氣井壓裂作業具有大液量、大排量、大規模、低砂比等特點，壓裂施工的規模和難度較大，對管柱的要求也更高。Φ88.9 mm×6.45 mm BG140V BG-FJU小套管開發成功以后在中石化某頁巖氣田成功下井并應用在壓裂作業中。下井過程中該外加厚小套管加厚段過渡自然，沿程阻力小，下入順利；接頭擰接效果好，密封能力強，同時結合重復壓裂施工作業，高效準確地改造了老縫，完成壓裂任務，助力該井再次獲得高產氣流。

4 結論

1）開發了Φ88.9 mm×6.45 mm BG140V BG-FJU小套管，采用外加厚直連型管柱增大了套管環空間隙，保證了套管內徑，同時具備較高的連接效率；外加厚結構接頭過渡自然，沿程阻力小，降低了下井作業難度。

2）通過有限元強度校核、上卸扣試驗、氣密封試驗等實物性能試驗驗證，產品在80%連接強度下能夠保持較好的結構完整性和密封完整性。

3）通過該管柱結構的應用，實現了152.4 mm套管內的“套中固套”工藝，對氣量衰竭的老井進行二次改造，在原有老縫之間增添了新縫，打造了地下密集的縫網，再次輸出了高產氣流，為氣田老區采收率提升提供了新的解決方案。