套管和油管特殊接头全尺寸评价试验.doc

石油工程学会：涤井钻井试油及装备技术研讨会论文选集14l套管和油管特殊接头全尺寸评价试验“赵充枫一 韩 勇吕拴录 宋治(中国石油天然气总公司石油管材研究所)摘要表文结合特殊接头的推广应用，根据中国的实际情况参考API RP 5C5制定了TGRC1评价方法，选择五家6种0177 8(7英寸)P110套管和088 9(3M英寸)PIlO油管接箍式金属对o金属密封特殊接头(共168根试样)进行了全足寸评价试验，以确定其粘扣趋势、密封性及结构完整性，为深井、超深井、高压气井及热采井等用接头类型选择和管柱设计提供可靠依据。特殊接头进行了全尺寸评价，取得了可喜的成果。前言从1984年左右开始，在四川、中原、辽河、塔里API标准圆螺纹和偏梯形螺纹接头一直得到广 木、长庆、大港等十几个陆L油气H使用了VAM、 泛使用，特别是对于无腐蚀问题的浅滩及陆上油井， 3SB、NSCC(CT)、FOX、2SC、TM、SE(等接箍式金 但随着深井、超深井、高压气井及含I七S、c()，介质 属对金辑密封接头及FI，一4S、VAM、FII，等整体直 外的勘探开发以及定向井与水平井、注汽热采井 连式接头累计约200口井次，满足丁一批深掉、超深 (单井吞吐)等钻井和采油技术的推广应用API标 井、高压气井、注汽热采井及小问隙固井的特殊要 准螺纹接头在密封性、连接强度、SCC杭力及结构 求、保iitii固井和采油采气工程质量。但是，也遇到 尺寸方面已不能满足上述条件的使用要求。这样， 诸如接头类型选择、现场检验以及上扣控制等许多 就需要开发和采用特殊接头(Premium Connection)。 问冠：自Atlas Bradford和Hydrill两公司6()年代最本文结合特殊接头的推广应用，对五家6种油、 早申清了专利接头产品后特殊接头的开发研究和 套管特殊螺纹接头进行了评价选择四种常用套管 现场使用已有很大进展 ，世界石油1991年油管表 和油管接箍式金属对金属密封特殊接头通过全尺 公*i r 37个制造厂和加工厂近百种接头产品。特 寸评f，r试验方法来解决以下问题： 殊接头通常由螺纹连接、密封及扭矩台肩三部分组(1)评价特殊接头在不同井况(使用条件)下的 成，从整体结构上分为整体式加厚接头、接箍式接 适用性； 头、整体直连式接头和模锻式接头。从密封结构上 (2)i平价特殊接头在接近管体1j小王强腰应力水 分为弹性密封环结构、金属对金属密封结构或复台 平下的密封可常胜；I*多重密封结构二 (3)确定特殊接头的强度极限和失效模式； 日前全尺寸评价试验方法不仅被制造厂用于(4)评f特琳接头对加工公差和现场Ii11因素螺纹接头的开发研究和操作性能额定值的制订q， 的敏感性：而i也破用户怍为验证管硅设汁的重要段，以评试验程序fr拟1：螺纹接头的适嘲性千u可舷性：许多用户和制造j制订了自己的全尺寸砰价试验方法程 试验程序是按TGRC ig-f疗法(住APl RP 5C5 序o，199(1年发珀API RP 5C5套管千u油管接头 U绒试验要求的基础：，减少重复的试验敬b，补 评fr程序推荐怍法”1。根据中国的实际晴况参考 充T在弯曲、热采井模拟及外压条件下的TGR(、试 API RP 5C5，我们于1992年开始制定了油管套管 验要求)试验项目编号和试样数址见表I，试佯分 特殊接头TGR(、评价方法。对五家6种油管套管 组和试验顺序见表2。磬肌二定试翰If1：的迁fj-乍r食、也交j=i=、帏新f1J、你强、晒田等*赵克枫f：I j。|Jl：编：7101 p65、J也Jll：肤州蟹Ib r踏21 0fi ah：il HfJf究所，f也t：(029)一821421I一4fl【91142 石油工程学会：漂井钻井试油及装备技术研讨会论文选集试样加工制造的质量控制程序应全面记录，要 管上都加工一种接头型式。试样的加工制造质量要 与现场使用的接头制造程序一致，接头制造厂应保 求与实际产品一致，只是接头螺纹和密封部分的关 证评价试验用接头的设计、尺寸及公差与实际产品键尺寸公差必须有API RP 5C5要求的最大值和最 相同。 小值匹配。制造厂提供接头设计图纸、内控尺寸公 试佯组合方式依据API RP 5C5 Fig 4，按螺纹差、材料性能、现场检验与下井操作推荐作法等资 部分和密封部分公差高低、扭矩大小及螺纹脂重量 料以保证试验结果有效性和验证制造厂公布的操多少分组匹配。 作性能额定值。在试验载荷与压力设定及失效极限的VonMises等效应力(VME)计算中，是按实际材料屈服表3主要参数强度和实际管体尺寸取值的，以便统一比较。项目编号 温度 介尉压力 载荷VMEVMEy备 注jf、J3 2】RTShell Tyf#纹脂表1 试验项目编号和试样数量3 2 2RT扣速度3一IOrpm3 3 3RTN2 0 60P1编呼 试验项目套管(根舳管(根)177N2 0 60PI试样3 11试样材料选择 24 18 3 3 4 RTN2 Py准备 3 l2 试洋加工 24 18 t77E N2 Pyt上卸扣3 21初始上扣与卸扣试验 2418 TGRCIRT N2 o 60PlO 85 最大弯103flmTGR(2350 0 8STy 拉伸与压缩话环5次 试验 3 2 2 最终上扣与卸扣试验 6RTN2 17M岛 0 95 拉仲与压缩循环2次3 3 3 韧始封端内压与热循环试验63 4 2RT水密封 3 3 4 最终封端内压与热循环试验6 63 4 3RT试验1GRCl 拉仲和弯曲条件下的密封试验6 63 3 4 RT水 )60 P、TGRc2 热采井模拟试验33 4 5R r 水Py3 4 2 封端内压至失效试验 6 6 TGRC3RT 水3 4 3 拉伸至失效试验 3 3 TGRc4RT 爿(0 80Ty失效3 4 4氐内压加拉伸至失效试验3 3 镕：RT=室m温度试验34 5 商内压旬u拉忡至失效试验 33Py=室内龃鹰下的最大内届服压力Pn=甩户温度F的最犬内屈服压办T(；RC3 外压至失效试验 3Ty=接头屈眼的轴向载荷TGRC4 外IE加拉仲至失效试验 3VMEy=Von M1sesB服应自表2试样分组和试验顺序选择这6种接头的想法是：舞管油管(1)接头E在我国油田下井使用过，制造厂同意舒i进行全尺寸评价试验(认可)。Z y X US Z yX W U教量(讯)63 3 3 33 6 3 333 (2)属于接箍式金属对金属密封特殊接头，接头的载荷额定值与管体完全一佯。 一1试验舰序11II1l3 l3 l3 11l1 I 3 1i l1+ l： 1 113 I3 l3 1lIl 2 3 l1 2 (3)结构设计分忻和有限元计算表明，接头性能0j 2 j 1 1；2 I2 3 2 3 23 1 1 2 I：l 3 1j 2 I优良，适合用于深井、超深井及高压气井使用条件。；3 4 3 I 4 4 4 f(；Rt r(；R【r(：R【3 4；4 4 3 41(，n3 2 (4)考察接头在热采井模拟条件下的可靠性。j 4 30t；刚本文中介绍的4种接头的类型分别为A、B、c04和D套管规格(8177 8(7英寸)10 4ram，油管规恪为088 9(3英寸)645mm，钢级均为Pll0或110KSl。接头选择 评价试验选择的6种接箍式金属对金属密封特殊接头， 全部的评价试验是在石油管材研究所全尺寸试 在每种Q1778(7英寸)套管和088 9(32英寸)油验设备上实施的，设备在试验前按API RP 5C5规石油工程学会：深井钻井试油及装备技术研讨会i文选集143定标定了精度，载荷误差1 0，压力传感器 对于套管接头，所有24根试样经过3 2 1试验05。试验操作符合API RP 5C5要求。在试验 项目的3次上扣与2次卸扣，未出现粘扣和过扭矩 过程中，制造厂的观察员进行了现场监督。 问题试验结果见表4。1上扣与卸扣试验表4套管接头上扣与卸扣试验数据推荐扭矩 实际上扣扭矩台肩扭矩 总圈数 卸扣扭矩、接头类型 MlnAveMaxAVe MinAVe MaxAve MinMax(n) MinMaxAveAve1A0 9 110 900 99 10l1 250 110550 362 760 86l 92B0 84l16 0 840 92105l26 0 150 720 503 290 902 02C0 871 130 87O 96l10122 0 180 8l036l860 80160D0 9l 1()9 0 92110101l 130 10071 0 72318 0 94l44符号：Min=艟小值；Max=城大值；Ave=推荐扭矩平均值不同接头有不同的数值。对于油管接头，12根试样经过3 21试验项目 了3 2 2试验项目的lO次上扣和9次卸扣，均未出 的3次上扣与2次卸扣，另有6根试样(Z组)经过 现粘扣和扭矩问题。试验结果见表5。表5油管接头上扣与卸扣试验数据推荐扭矩 实际上扣扭矩台肩扭矩 总圈数 卸扣扭矩接头类型 MInAveMaxAveMinAveMaxAVeMInMax (n) MnMaxAveAveA0 771 230 740 76 1 231361)180 670 272 71l04l 9IB0 8120 831ll 106I 27(1290 97 09427911l2 96C 0 89111 0 870 96l05I14 0(180 56|0 692 47 0 84l78D09l lP,90 qll(l091330 06ll550 543 60 (1 90l5【l符号：Min=最小值；Max=最火值；Ave，=推荐扭矩f均值不同接头有不同的数值。接头推荐扭矩范围的宽窄反映了现场上扣控制说明C油管接头密封可靠性较低。其余3种接头 的难易程度。套管接头的推荐扭矩普遍较窄，只有试样在3 3，3和3 3 4试验项目中未发生泄漏。 B接头稍宽，达到了16。对于油管接头，A和B (2)拉伸和弯曲条件下的密封试验 接头推荐扭矩范围较宽分别为23、1 20。同 对于套管接头，A接头有3根试样分别在3。鲰r时特殊接头的卸扣扭矩普遍要比上扣扭矩高，一般30m、6。30m、和10。30m弯曲度和设定压力达到1 52O倍B油管接头达到3倍。这些情况(656MPa)下发生了泄漏，VMEVMEy分别为应在现场上卸扣操作中注意。850、839和82 9。说明A套管接头在弯曲2密封性试验 复合载荷条件下的密封性较差。其余3种接头试佯 (1)封端内压与热循环试验 在试验中未发生泄漏。 对于套管接头B接头有1根试样在33 3试 对于油管接头c接头有l根试样在设定压力验项目第23步用户温度(177)下的最大压力(72 16MPa)下刚弯曲3。30m时发生丁泄漏， (870MPa)时发生泄漏，VMEVMEy为87 2。 VMEvMEy为74 7，但当弯曲度增加到6。30m 用备用试样重新试验时，未发生泄漏。说明B套管 和l(I。30m时，泄漏又停止。说明c油管接头在弯 接头密封性较低。其余3种接头试样未发生泄漏。 曲复合载荷条件下密封可靠性较低。其余3种接头对于油管接头c接头有l根试样在33 4试 试洋在试验中未发生泄漏。验项目第16步用户温度(177)下的最大压力 (3)热采井模拟试验(100 5MPa)时发生泄漏，VMEVMEy为89 6， 4种套管接头进行了此项试验。A接头和c接144 石油工程学会：深井姑井试油及装备技术研讨会论文选集头通过了350C与室温条件下的考核评价，未发生 其他部分发生在管体及夹持部分，但断裂时的 泄漏和明显的变形。B接头有2根试样在17MPa VMEVMEy()很相近。除D油管接头l根试样 压力下发生泄漏，VMEVMEy分别为891和管体有钳牙损伤而降低了承载能力以至VME89 f)。并且在350温度下，当载荷接近管体屈 VMEy为981外，其它试样失效时VMEVMEy 服载荷时，接头变形量迅速增加。可见B接头不满均大干1()o，见表8。另外，所有接头在断裂前未 足热采井使用要求。D接头有1根试样发生泄漏， 发生水泄漏，说明这4种接头在此复合载荷条件下 VMEVMEy为93 4，说明D接头适用性较差。 具有良好的失效抗力。3失效试验(1)封端内压至失效试验表R低内压加拉伸失效数据 、对于套管接头和油管接头，4种接头的全部试垂许nIi错 样均在管体上发生了爆破失效，在爆破前未发现接投又类剐 VMF、7MEyVMI-：VMEy 头水泄漏。所有试佯失效时的VMEVMEy大于1f，均f“ 、卜均filf(t碥)池4()范l饵100(见表6)。说明这4种接头达到了设计的内 A 102 2113 l ln2 8 114 211 9 6 116 2压有效系数，即Kpe=1。lI(I Iii2lliI 3 i【4 7l【64 ii5 8【：11)7 6lII 9lI()2 114l1l 5 I114 6表6封端内压失效数据1)lfJ8 5】157 】12】 98l112【1 l【17 3蜚箭fllj锻接头炎利、，ME(MEy VMECM卜”平均fl(，均ffl()范m()池 (4)高内压加拉伸至失效试验A115 2118 l 117 0 111 0ll 5 8 114 6 对于套管接头和油管接头，4神接头的全部试 H I【5 ll【7 5 Il 5 3 II 7 0119 6 118 5 样均发生断裂失效，一半的失效发生在管体上，其他 (： 1【19 9114 9 112 1 113 7115 8 115 Il 部分发生在接头螺纹及夹持部分，但断裂时的VMEvMEy()差别不犬。所有试样失效时I) J】4 6】18 4 116【1 lJl811 7 6 11 5vMEVMEy()均大于100，见表9。另外，所有接头在断裂前未发生水泄漏，说明这4种接头在此 (2)拉仲至失效试验复台载荷条件下具育良好的失效抗力。对于套管接头和油管接头，4种接头的全部试洋均发生断裂失效。大部分失效发生在管体上少部表q高内压加拉伸失效数据分发生在接头螺纹及夹持部分，恒断裂时的FTy()差别不大。所有试佯的试佯失效时TIy均大妊 讪骨接*炎，州VMEVMEy VMlJVMfiv于101，见表7。说明这4种接头达到了设计的拉I均帆li均f|lciI()范 (一)池伸有效系敬，剧】Kte=l。AIl 5 I、II 7 8II8 i238126 I1147表7拉伸失效数据IjI4、fI 5 ff4J 1 2 rHl 222 2 25建竹 l|l衍 (if9 j、120 89 8lI 9 5l 2”Q 122J圭，、懿111I)1125、121 1174 117612flK IIq4I1y()范r均fflf If y()池1卜均帆1117 7ll 2 9 lll 4ll 7 Il127 118 4(5)外压至失效试验l，110 2lI J【1 ll 26 ll 5 3Il1 2115 8J4种套管接头的试佯均在管体部分挤毁失效，(、ll 5 3、1172 n5 11 5 2lllll 5 7I)1124117 5 4112q127 77 q 所有接头在失效前未发生水泄漏。说明这4种接头在外；下具有良好的失效抗力? (3j低内压加牡仲至失效试验 (6)外压加扭仲至走效试验 对于套管接头和油管接头，4种接头的全部试4种套管接头的试洋均在管体部分挤毁失效，佯均发生断裂失敏，一半的失效发生在接头螺纹上，所有接头在失效前朱发生水泄漏。说明这4种接执石油工程学会：漂井钻井试油及装备技术研讨会论文选集145在外压加拉冲载荷下具有良好的失效抗力。刻的认识(见表10)(1)这4种特殊接头均具有较高的抗粘扣能力。结论但是在现场上扣操作中应注意制造厂推荐的扭矩调过全尺寸评价试验，对特殊接头性能有了深 范围宽窄和螺纹脂类型选择等问题。表l【l特殊螺纹接头全尺寸评价试验结果汶 i：州JXqa32-：7 e密rl：玳验火放酞啦 ：簟帅杀仆卜帆热乐仆 外破坏试舱 衡蚶性试验 幞拟试蠊3 3 3 3 3 4342 3 43 T(：RC3一I如l舶l姐，范，I(；RCI T(；RC2试g盒结掣(淡样数6个)3443 45 T(jRC4ft一s(酞样数6个)(泼样敬3个)oooo|3坯蜒寸 25【l345(IA7挺中1 I)【J1)1350(J oo0o3M挺r 264ll396()oooooB7挺-J9141l12601loO根泄if ooo3K此i307(1379(Io0一瞅桃IIi oopA“ttih；o|(：7蜒】6611Il961)no 0o oo 03坯艇、J390(I47(1()o oo o n7英-j 9851lII 85() o 0 o 0M H_赫0注：o一虎寿；0一良奸；差。*在补充进行的3个戚样的试验中均屯泄漏发生。(2)对密封性而言，不同类型的特殊接头在各种 达到了设计的内压和拉伸有效系数，即Kpe=l，Kte 试验条