套管钻井中套管与钻杆的连接方式及工具的研究.doc

大庆石油学院工程硕士专业学位论文分类号： 单位代码：10220UDC： 密 级： 东北石油大学工程硕士专业学位论文 论文题目： 套管钻井中套管与钻杆的连接方式及工具的研究 硕 士 生： 金志富 指导教师： 闫 铁 教授（校内） 王洪潮 高工（校外） 工程领域： 石油与天然气工程 2010年 6 月 2 日1Thesis for the Graduate Candidate TestThe Research Of The Connecting Types And Tools Of Casing And Drill Pipe In Casing DrillingCandidate: Jin ZhiFuTutor: Yan Tie and Wang HongChaoField: Petroleum and Natural Gas EngineeringDate of oral examination: 5th June.2010University: Northeast Petroleum University东北石油大学工程硕士专业学位论文学位论文独创性声明本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 导师签名： 日期： 日期：套管钻井中套管与钻杆的连接方式及工具的研究摘 要套管钻井技术是世界范围内钻井领域的一项革命性新技术，改变了常规钻井的作业方式，与常规钻井相比可节约钻井成本10%左右，具有良好的发展和应用前景，而配套设备的研制，特别是套管与钻杆的连接方式及工具是这项技术成熟和推广应用的关键技术之一，本论文针对表层套管钻井、油层套管钻井和尾管钻井中套管与钻杆的连接方式及工具进行了研制和应用。在分析和研究了套管与方钻杆连接方式及工具的基础上，133/8表层套管钻井套管与方钻杆连接采用铰接式转换接头。铰接式转换接头由上接头和下接头组成，上接头和下接头通过钻杆扣联接，接单根时通过球铰接头联接，确保了套管钻井接单根的实现，缩短了接单根时间。103/4表层套管钻井套管与方钻杆连接采用套管夹持器、铰接式转换接头或铰链式转换接头。套管夹持器通过限位凸轮卡瓦夹持套管接箍表面传递扭矩、通过悬挂机构悬挂套管接箍下端面防止钻具脱落；铰接式/铰链式转换接头由上接头和下接头组成，上接头和下接头通过钻杆扣联接，接单根时通过球铰机构/起重链联接，确保了套管钻井接单根的实现，并且缩短了接单根时间。7油层套管钻井套管与方钻杆连接采用转换接头。转换接头由上接头和下接头组成，上部是钻杆扣，下部是和套管连接的偏梯扣。现场实验表明，103/4表层套管钻井和7油层套管钻井中接单根速度与常规钻井基本相同。尾管钻井中套管与钻杆连接采用尾管悬挂器，尾管悬挂器集钻井和固井功能于一体，具有钻井可靠、操作安全等优点，主要由送入工具、悬挂器和固井附件等组成，已经完成地面试验并在大港油田钻采工艺研究院实验中心成功地进行了性能检测。套管螺纹为偏梯扣，锥度1：9，接近常规钻杆扣，便于现场认扣。套管接箍上有止扭台肩止扭并建立主密封，在西安管材研究所进行了检测，能够满足现场试验要求。试验表明：铰链式转换接头、转换接头、尾管悬挂器和专用套管螺纹均达到设计指标、满足使用要求。关键词：套管钻井，套管夹持器，转换接头，专用套管螺纹，尾管悬挂器The Research Of The Connecting Types And Tools Of Casing And Drill Pipe In Casing DrillingABSTRACTCasing drilling is a revolutionary new technology in the field of drilling around the world, it changes conventional drilling way .Compared with conventional drilling, casing drilling could effictively reduce about 10% of drilling costs and has good future. However the development and improvement of supporting equipment, especially the technology of connections of casing and drill pipe is the key of casing drilling . In this paper, three kinds of connecting tools were developed and applied in casing drilling technology.In this paper, the connections of casing and drill pipe were analysed and studied.，articulated crossover joints was used in 133/8casing drilling in the surface for connection of casing and drill pipe, which comprised above joint and underlying joint, above joint and underlying joint were connected by drill pipe thread or articulated connecting rod to ensure connected effectively. Casing holder、articulated crossover joint and articulated link chain crossover joint were used in 103/4casing drilling in the surface for connection of casing and drill pipe. casing holder could effectively transmit driving force of the table to casing by limit cam slip clipping casing collar surface, hang casing under the collar end to avoid the dropout of drill tools. Articulated crossover joint and articulated link chain crossover joint comprisd above joint and underlying joint, above joint and underlying joint were connected by drill pipe thread 、articulated connecting rod or t articulated link chain to ensure connected effectively. Crossover joint was used in 7production casing drilling for connection of casing and drill pipe,which comprisd above joint and underlying joint, above joint and underlying joint were connected by drill pipe thread. Liner hanger with the functions of drilling and completion. was developed in liner drilling for connection of casing and drill pipe, which had very high reliability. The surface stmiulation test and industrial per-formance detection have been completed successfully.The special pipe thread of casing drilling was studied. Through the thread was appximated with the tooth angle and angle of taper, it could be achieved the same connections and disassembly with conventional drill pipe. Through the face of cylinder was sealed with external thread and the sphere was metal sealed with internal thread, it could be secured the relative displacement in seal adaptation and meet the need in the seal. Through the outside end face of external thread and the inside shoulder of internal thread were sticked together with the special angl e, it could be avoided the buckle of casing continue process due to discontinuity load. Field tests showed that: Articulated crossover joint, crossover joint,liner hanger and special casing thread met the design specifications and the application requirements Keywords: casing drilling, casing holder, crossover joint, special casing thread, liner hanger创新点摘要本文主要研究的是套管钻井中套管与钻杆的连接方式及工具，其创新点如下：1.研制了铰接式和铰链式转换接头，确保了套管钻井接单根的实现，缩短了接单根时间，满足不同螺纹之间拆装的快捷性要求。2.专用套管螺纹通过采用接近于常规钻杆扣的牙型角和锥度，实现快速联接和拆卸。套管接箍上有止扭台肩止扭并建立主密封，完全能够满足现场使用要求。3.集钻井和完井功能于一体的尾管悬挂器与技术套管间设计了“橡胶”和“金属”双级密封机构，实现了“先坐挂、再解脱，最后旋转固井”的工艺技术，能满足现场使用要求。目 录学位论文独创性声明I学位论文使用授权声明I摘 要IIABSTRACTIII创新点摘要V前 言1第一章 套管与钻杆连接方式及工具的研究31.1套管夹持器31.2转换接头51.3尾管悬挂器8第二章 特殊扣型加止扭台肩的套管的研究152.1结构152.2工作原理152.3技术特性172.4特殊套管设计计算17第三章 地面性能检测213.1转换接头213.2尾管悬挂器22第四章 表层套管钻井现场试验304.1基础数据304.2配套工具/仪器的选配和研制304.3试验过程314.4试验结果及分析324.5结论33第五章 油层套管钻井现场试验345.1基础数据345.2钻井工艺345.3现场试验过程345.4试验结果及分析355.5结论与认识35结 论36参考文献37发表文章目录39致 谢42东北石油大学硕士研究生学位论文前 言套管钻井是指在钻进过程中，直接用套管取代传统的钻杆向井下传递扭矩和钻压，边钻进边下套管，完钻后做钻柱用的套管留在井内用来完井。套管钻井改变了常规钻井的作业方式，具有钻井与完井一体化的技术特征，具有降低工程费用和减少井下复杂事故等优点。与常规钻井比较，套管钻井有比较明显的优势： 1.缩短钻井周期。2.减少意外事故的发生。3.节省与钻杆和钻铤有关的费用。4.井控状况得到改善。5.改善水力参数和清洗井筒的状况。6.可以减小钻机尺寸、易于搬迁和操作，人工劳动量及费用都将减少。7.降低了钻井成本。根据国外的统计，采用套管钻井技术，整个钻井工程总费用可以节约30%50%。目前国外存在以美国Weatherford公司、墨西哥Pemex公司和加拿大Tesco公司(有两种方式)为代表的四种不同套管钻井方法，套管钻井技术在国外经历了十几年的发展完善，得到了成功的应用。国内套管钻井技术研究起步较晚，大港油田、吉林油田、石油勘探开发研究院和大庆油田等相继开展了套管钻井技术研究。国外公司和大港油田的套管钻井套管与方钻杆连接采用套管夹持器，吉林油田和石油勘探开发研究院联合完成的套管钻井套管与方钻杆连接采用套管夹持器（7以上套管使用内卡式套管夹持头和51/2套管使用外卡式套管夹持头）。本课题主要研究套管钻井中套管与钻杆的连接方式及工具。首先针对转盘钻井条件下套管钻井配套工具存在的问题，进行分析研究，提出了适合现场使用要求的工具的设计，并通过了现场试验的验证。本课题具体的研究内容如下： 1.表层套管钻井中套管与方钻杆连接方式及工具的研究在充分调研和分析套管钻井中套管与方钻杆连接方式及工具的基础上，结合大庆油田钻井设备现状，在表层套管钻井中，133/8表层套管钻井套管与方钻杆连接采用铰接式转换接头，103/4表层套管钻井套管与方钻杆连接采用套管夹持器、铰接式转换接头或铰链式转换接头，完成了工具的设计、加工和现场试验，并通过验证。2.油层套管钻井中套管与钻杆连接方式及工具的研究在充分调研和分析套管钻井中套管与方钻杆连接方式及工具的基础上，结合大庆油田钻井设备现状，在油层套管钻井中套管与方钻杆连接采用转换接头，完成了工具的设计、加工和现场试验，并通过验证。3.尾管钻井中套管与钻杆连接方式及工具的研究在充分调研和分析的基础上，结合大庆油田钻井设备现状，制定技术方案，开展集钻井和固井功能于一体的尾管悬挂器的设计、计算、加工、地面模拟试验和行业性能检测。4.套管螺纹及套管接箍的选配和研究在充分调研和分析国内外套管钻井中套管螺纹及套管接箍的基础上，结合大庆油田钻井设备现状，进行了特殊的螺纹结构设计、加工、地面模拟试验和现场试验，并通过验证。第一章 套管与钻杆连接方式及工具的研究在充分调研和分析各种套管钻井的套管与方钻杆连接方式及工具的基础上，结合大庆油田钻井设备现状，进行结构设计、加工和现场试验，并通过现场试验验证。 1.1套管夹持器套管夹持器通过采用自锁式外卡瓦，保证钻井参数对卡瓦夹持套管的要求和拆卸套管方便快捷，避免对套管主体内表面的损坏。套管夹持器主要用于103/4以下表层套管钻井中套管与方钻杆连接。1.1.1结构固定式套管夹持器由传扭机构和悬挂机构两大部分构成。传扭机构由件1、3、5、6和7组成；悬挂机构由件1、4、8、9和10组成。具体结构见图1.1所示。1-主体 2-反扣螺母 3-轴 4-反扣螺母5-卡瓦衬6-凸轮7-挡环 8-半环 9-球10-悬挂体图1.1 固定式套管夹持器结构示意图铰接式套管夹持器由传扭机构和悬挂机构两大部分构成。传扭机构由件1、3、5、6、7和11组成；悬挂机构由件1、4、8、9、10和11组成。具体结构见图1.2所示。1-主体 2-反扣螺母 3-轴 4-反扣螺母5-卡瓦衬6-凸轮7-挡环 8-半环 9-球10-悬挂体11-铰接方保接头图1.2 铰接式套管夹持器结构示意图1.1.2工作原理一、固定式套管夹持器转盘带动方钻杆，通过主体和卡瓦衬带动凸轮转动,将扭矩传递给套管和钻头，钻进。悬挂机构由件1、4、8、9和10组成。接单根时,将套管接箍插入到主体和凸轮之间空腔内,插入悬挂体,将球放到主体中,安装半环,上紧反扣螺母，通过球悬挂下部钻具。二、铰接式套管夹持器在固定式套管夹持器的基础上增加了一个球铰机构。球铰机构扩大了接单跟时套管扣允许的工作偏角，从理论上提高了在主井眼中连接套管扣的快捷性。既满足了钻井设备的要求，又保证了不同螺纹之间拆装的快捷性。主井眼里的套管扣连接完后，铰接方保接头再与主体的钻杆扣联接，钻进。1.1.3技术特点具有夹持力足够大，解卡方便，快捷，不损伤套管本体等优点。传扭机构和悬挂机构相对独立，能够将转盘转动动力有效的传递至套管,并且避免了悬挂失效时的钻具脱落,具有很高的可靠性。1.1.4技术参数主要技术参数见表1-1和1-2。表1-1 固定式套管夹持器的主要技术参数规格长度（mm）最大外径（mm）最小内径（mm）最大工作扭矩（kNm）最大工作拉力（kN）51/26402087045.4295.6764028012052.6323.4103/464037021560350表1-2 铰接式套管夹持器的主要技术参数规格长度（mm）最大外径（mm）最小内径（mm）最大工作扭矩（kNm）最大工作拉力（kN）103/4640370215603501.2转换接头转换接头通过螺纹联接并传递扭矩，适用于各种尺寸的套管钻井中套管与方钻杆的连接。1.2.1结构转换接头由上接头和下接头两部分组成，两者通过大尺寸钻杆扣联接，上部是钻杆扣，下部是和套管连接的偏梯扣。具体结构见图1.3所示。1-上接头 2-下接头图1.3 转换接头结构示意图铰接式转换接头由上接头和下接头两部分组成，两者通过球铰机构联接，上部是钻杆扣，下部是和套管连接的偏梯扣。具体结构见图1.4所示。1-铰接方保接头2-上接头 3-下接头图1.4 铰接式转换接头结构示意图铰链式转换接头由上接头和下接头两部分组成，两者通过起重链联接，上部是钻杆扣，下部是和套管连接的偏梯扣。具体结构见图1.5所示。1-上接头 2-下接头图1.5 铰链式转换接头结构示意图起重链具体结构见图1.6所示。图1.6 起重链结构示意图1.2.2工作原理一、转换接头方钻杆与转换接头的上接头连接。将转换接头的下接头和井眼中的套管接好。将转换接头的上接头和下接头连接，取出吊卡,钻进。接单根时，反转，卸开转换接头的上接头和下接头。将转换接头的上接头下放，与另一个与鼠洞中套管连接好的转换接头的下接头连接。套管螺纹上均匀涂抹螺纹密封脂。提起鼠洞中的套管与井眼中的套管连接。下放管柱，钻进。二、铰接式转换接头在转换接头的基础上增加了一个球铰机构。球铰机构扩大了接单跟时套管扣允许的工作偏角，从理论上提高了在主井眼中连接套管扣的快捷性。当主井眼里的套管扣连接完后，铰接方保接头再与主体的钻杆扣快捷联接，进行钻井作业。三、铰链式转换接头在铰接式转换接头的基础上对球铰机构进行了改进，该用起重链联接上接头和下接头，减少了1道扣的拆卸，从理论上提高了在主井眼中连接套管扣的快捷性。当主井眼里的套管扣连接完后，上接头再与下接头的钻杆扣快捷联接，进行钻井作业。1.2.3技术特点在鼠洞倾斜的条件下，转换接头将非常规的、不易于实现的套管扣的连接，转变为常规的、易于实现的钻杆扣的连接，但是大尺寸套管在主井眼中套管扣之间的连接相对较困难。铰接式转换接头将钻杆扣的连接，转变为球铰结构的连接，提高了主井眼中套管扣之间的连接速度，但增加了1道扣的拆卸。铰链式转换接头将球铰结构的连接，转变为起重接的连接，提高了主井眼中套管扣之间的连接速度，并且缩短了接单根时间。1.2.4技术参数主要技术参数见表1-3。表1-3 三种转换接头的主要技术参数规格长度（mm）最大外径（mm）最小内径（mm）最大工作扭矩（kNm）最大工作拉力（kN）51/26402087045.4295.6764028012052.6323.4103/468033021560350133/870037021565.4372.31.3尾管悬挂器尾管悬挂器是尾管钻井中的核心技术之一，尾管悬挂器及附件必须具有钻井功能，要承受钻井过程中的拉、压、扭及振动各种交变载荷的强度。1.3.1结构尾管悬挂器主要由送入工具（具体结构如图1.7所示，主要包括中心管和膨胀头等）、悬挂器（具体结构如图1.8所示，主要包括主体、坐挂滑套、卡瓦、密封机构、扶正环、下接头）和固井附件（具体结构如图1.9所示，主要包括实心塞、空心塞、胶塞座）等组成。342511上接头 2扶正套 3膨胀头 4中心管 5空心塞外筒 图1.7 送入工具示意图3425161密封机构 2主体 3-卡瓦 4-坐挂滑套 5扶正环 6下接头图1.8 悬挂器示意图1231-实心塞2-空心塞3-胶塞座图1.9 固井附件示意图1.3.2工作原理完钻后，投球憋压，通过液力使旋转尾管悬挂器滑套剪断销钉，移动并推动卡瓦坐挂到技术套管上，继续升压，通过液力使送入工具与悬挂器解脱并保持密封。将旋转机构、常规水泥头先后与方钻杆连接，注水泥浆，压实心塞，替钻井液，实心塞与空心塞复合并保持密封，一同下行，与胶塞座复合并保持密封。上提送入工具一定高度，下压钻柱，使密封机构坐封到技术套管上，上提送入工具与悬挂器主体脱开，最后钻杆与送入工具同时起出。1.3.3技术特点一、设计了“先坐挂、再解脱，最后固井”的工艺技术。二、设计了“解脱-悬挂联动”的解脱机构。有机地将钻进传扭、外坐挂、内解脱、固井和外坐封统一起来，互不干涉，具有很高的可靠性。三、设计了“橡胶”和“金属”双级密封机构。确保尾管与技术套管之间的可靠密封，解决了尾管与技术套管的密封失效问题。1.3.4技术参数主要技术参数见表1-4。表1-4 尾管悬挂的主要技术参数规格长度（mm）最大外径（mm）最小内径（mm）最大悬挂力（kN）最大井下温度（）95/874540215554502001.3.5工艺流程尾管钻井工艺流程见图1.10。室内工具整体组装运输现场吊钻台按照设计连接管柱下钻钻进 投球继续 升压试提坐井口上提 心轴上提心轴完钻后转换成钻井液悬挂器滑套剪销卡瓦坐挂到技术套管送入工具与主体解脱保持送入工具和悬挂器之间密封连接水泥头和方钻杆注水泥压实心塞替钻井液实心塞和空心塞复合后下行坐封到胶塞座下压钻柱密封机构坐封钻杆与送入工具起出图1.10 尾管钻井工艺流程图1.3.6计算一、卡瓦自锁分析及锥体设计1.设锥体锥角为2，锥体悬重为P，卡瓦均匀分布，卡瓦与套管内壁摩擦系数f1，卡瓦与锥体表面的摩擦系数为f2，如图1.11所示。图1.11 卡瓦、锥体受力分析图2.分析锥体的的悬重P和卡瓦的反力T的作用关系首先这二力平衡,由Py=0得: T=P/3cos() (1-1)因为正压力N和摩擦力f2N是T在锥面上两个分力，所以也可写成: 3Nsin+ 3f2NcosP=0 (1-2)且tg=N/f2N=1/f2 (1-3)3.分析卡瓦受力情况 卡瓦内锥面上受到锥体对卡瓦的正应力N和摩擦力f2N，合力为T,卡瓦牙处受到外层套管法向压力N1和摩擦力f1N,在这些力的作用下，卡瓦处于平衡。由Px=0得N1Tsin()=0，则：N1= T sin () (1-4)由于N,，f2N是T的分力,所以可写成:N1=Ncosf2Nsin (1-5)由Py=0 得:f1N1=Tcos () (1-6)要防止卡瓦打滑(自锁)，摩擦力f1N1应大于T的轴向分力，即: f1N1Tcos() (1-7)将式（1-4）代入式（1-7）得:arctg(1/ f1) (1-8)将式（1-3）代入式（1-8）得:arctg(1/f2)arctg(1/ f1) (1-9)二、悬挂器悬挂负荷计算为了便于计算，假设：(1)卡瓦在受力时和套管紧贴。卡瓦外圆面上受力均匀分布，力的作用线通过圆心；(2)卡瓦作用区以外的套管不影响卡瓦作用区的应力；(3)卡瓦和锥体受力时不变形；(4)套管受力后直径不变；(5)套管为薄壁筒；(6)卡瓦均匀分布（见图1-12）。未受力 受力后 受力计算图图1.12 套管、卡瓦受力分析图据图1.12图所示，可列出下列方程式： = qr(cos1cos2) / (1-10)式中：q卡瓦外圆面上平均压力，N/mm2； r套管内径，mm； 套管壁厚，mm； 圆心角()，1=15，2=45； 套管屈服应力，MPa；根据式（1-2），得：N=P/3(sin+f2cos) (1-11)将式（1-11）代入式（1-5）得：N1=N(cosf2 sin) =P(cosf2 sin)/3(sin+f2cos) =P(1f2tg)/3(f2+tg) (1-12)卡瓦外圆面平均压力为：q卡=N1/S = N1/3F卡 = P(1 f2tg)/9(f2+tg) F卡 (1-13)式中:S 三片卡瓦的外圆面积，mm2；F卡单片卡瓦的外圆面积，mm2；F卡=(2-1) 2rL/360 =(2-1)rL/180将式（1-13）代入式（1-10）得：=P(1f2tg)r(cos1cos2)/9(f2+tg) F卡 =180P(1f2tg) (cos1cos2)/9L(2-1)(f2+tg) =P/(L)(1f2tg)/(f2+tg)20(cos1cos2)/ (2-1)令20(cos1cos2)/ (2-1)=A，则A=0.1952，则=AP/(L)(1f2tg)/(f2+tg) (1-14)于是得出额定负荷公式：P额=sL/(nA)(f2+tg)/ (1f2tg) (1-15)式中:s套管材料最小屈服极限，MPa； 套管壁厚，mm； n安全系数，取1.3； L卡瓦作用面长，mm； 锥体半锥角，6。若244.5mm套管为N80钢级，则s=551.58MPa，=10.033mm；L有效长度110mm；还可知A=1/3,=6,则：P额=551.5810.033110/(1.3A)(0.1+tg6)/(10.1tg6) =497.24kN三、卡瓦的尺寸和材料套管的卡紧在卡瓦内会产生复杂应力，这种复杂应力是由两种载荷的作用引起的，即拉伸载荷和压缩载荷。拉伸载荷由管柱自重引起，其作用方向为轴向，而卡瓦工作时产生的压缩载荷是径向的。前面已经分析过，这两种载荷取决于锥体半锥角以及摩擦系数的大小。据有关经验数据，卡瓦的长度应根据作用载荷，卡瓦片数及工作面积而定，通常每平方厘米工作面积的允许垂直载荷为2kN。卡瓦是悬挂器的主要部件，卡瓦的材料和硬度对于卡瓦的工作质量有重要影响。目前大多采用20CrMo、12CrTi之类的低碳合金钢制成,本设计材料为20CrMo，经渗碳淬火后使表面硬度达到HRC5565，内部热处理后硬度应低于HRC25。分析及结论:式1-9为卡瓦自锁公式，仅与f1（卡瓦与套管内壁的摩擦系数）和f2（卡瓦与锥体表面摩擦系数）有关。因为锥体和卡瓦内表面可加工成光滑表面，所以f2取0.1。由于卡瓦牙和外层套管之间卡瓦的切入，摩擦系数较大，f1取0.2，这样可以算得卡瓦不打滑的最小半锥角为5.6。角越小，悬挂可靠性越高，但又受悬挂负荷的影响, 角又不能过小。本设计中取6。分析式（1-14）可知：当我们选定以后，如果f2减小或f1增大，这时卡瓦有更大的可靠性。所以，设计要求内锥面光滑，而卡瓦牙要渗碳淬硬。经分析发现：卡瓦如果没有主动力楔紧，则f1f2是卡瓦不打滑的必要条件。在现场施工中，悬挂负荷最好不超过公式（1-15）计算值。四、悬挂器的剪销设计计算1.打开剪销设计 液缸剪销数为2个,则有: /4(D22-D12)P打开=2(/4) d2打开所以: d打开=(D22-D12) P打开/21/2 (1-16)其中:D1活塞内径，mm；D1=0；D2活塞外径，mm；D2=100mm； d打开剪销直径，mm； 剪切应力，MPa；=0.8b选用材料H62，b=380420MPa，取b=400MPa=0.8b=0.8400=320MPa P打开剪销设计压力值，MPa；设P打开=5MPa代入式（1-16）中得：d打开=(D22-D12)P/21/2 =(1002-02)5/(2320)1/2 =8.83mm2.坐挂剪销设计P坐挂坐挂剪销设计压力值，MPa；P坐挂=7.5MPa同上计算得：D坐挂=7.64mm3.脱开剪销设计P脱开脱开剪销设计压力值，MPa；P脱开=10.0MPa同上计算得：D脱开=12.5mm35第二章 特殊扣型加止扭台肩的套管的研究通过对国内外套管钻井套管所用螺纹及套管接箍的调研和分析，结合大庆油田实际，进行了理论分析、螺纹结构设计、校核计算、加工、性能检测和现场试验，最后通过验证。2.1结构主要由接箍和平端管组成。具体结构见图2.1所示。1-接箍 2-平端管图2.1 特殊扣型加止扭台肩的套管结构示意图2.2工作原理如图2.2、图2.3和图2.4所示。螺纹牙型为偏梯形，牙型角为43，锥度1：9，接近常规钻杆扣，便于现场认扣。为防止造扣，通过母扣上止扭台肩止扭。密封主要有三部分组成。一是通过公扣密封圆柱面和母扣密封球面金属密封；二是通过公扣密封圆柱面的外端部和母扣止扭台肩的台肩面密封；三是通过螺纹脂密封。图2.2 特殊扣型加止扭台肩的套管接箍结构示意图图2.3 特殊扣型加止扭台肩的套管平端管结构示意图图2.4 特殊扣型示意图2.3技术特性通过采用接近于常规钻杆扣的牙型角和锥度，实现快速联接和拆卸。通过采用公扣密封圆柱面和母扣密封球面金属密封和两个辅助密封，确保密封效果能够满足现场要求。通过采用内置止扭台肩止扭,避免了因为突变载荷而产生的套管扣继续旋进，进而胀坏套管接箍。2.4特殊套管设计计算关于要传递扭矩所需的预紧力套管和接箍之间扭矩的传递主要是靠它们之间的压力所产生的磨擦力。则 (2-1)式中：T扭距，kN.m ；kN.m产生扭距所需要的压力，kN 磨擦系数，D直径，m，m代入公式（2-1）可得： kN关于上端最大拉力 (2-2)式中：F拉力，套管的密度，kN/m3泥浆的密度，kN/m3 L井深，下部100m D外径，D=0.2731m T厚度，取t=0.00889m代入公式（2-2）可得F=15.5kN关于下端压力 取钻压F=-50kN。关于所产生的应力 (2-3)对于端面上的力按下式计算 (2-4)对于丝扣处的力取端面上的力和套管重力之和。 (2-5) F=(60.3210010)1000=60.32kN端面的面积取mm2丝扣的面积取mm2则经计算可得各点处的受力值如表2-1所示。表2-1 103/4套管螺纹各点处的受力值端面丝扣力kN应力MPa安全系数力kN应力MPa安全系数上端200.697.55863.89260.92153.3022.47中性点208.35101.32773.74208.35122.41483.10下端233.35113.4863.34233.35137.10342.77J55的屈服极限为MPa，通过计算可知，套管丝扣强度满足钻井要求。下面，对133/8套管螺纹(井深按260m计算)进行计算，计算过程同上，结果见表2-2和2-3。表2-2 133/8套管螺纹各点处的受力值（高扭矩）端面丝扣力（kN）应力（MPa）安全系数力（kN）应力（MPa）安全系数上端151.6978.75944.81323.42128.56572.95中性点237.55123.33923.07237.5594.43084.02下端262.55136.31952.78262.55104.36873.63通过计算可知，套管丝扣强度满足钻井要求。当T=2 kN.m时，结果如表2-3所示。表2-3 133/8套管螺纹各点处的受力值（低扭矩）端面丝扣力kN应力MPa安全系数力kN应力MPa安全系数上端-66.2434.392711.03105.4941.93439.04中性点19.62510.189637.2219.62517.801348.61下端44.62523.169916.3744.62517.739321.38J55的屈服极限为Mpa，通过计算可知，套管丝扣强度满足钻井要求。下面，对7“套管螺纹进行计算，计算过程同上，结果见表2-4。表2-4 7套管螺纹各点处的受力值端面丝扣力（kN）应力(MPa)安全系数力（kN）应力(MPa)安全系数上端336.75124.494.43461.15351.181.57中性点398.95147.493.74398.95303.821.82下端423.95156.732.7423.95322.861.71N80的屈服极限为MPa通过计算可知，套管丝扣强度满足钻井要求。在西安管材所对特殊套管扣加止扭台肩套管（339.79.65mmJ55）进行了性能评价，试验条件较现场使用工况更为严格。检验结论为：1.上扣和卸扣试验结果：按套管生产厂家推荐的扭矩17.5kNm控制上扣，经过4次上扣，3次卸扣，未粘扣；在第2次上扣和第3次上扣后进行拉-压循环试验后，进行第4次上扣，整个过程未粘扣。2.拉伸至失效试验结果：拉伸载荷为5502.0kN时螺纹滑脱，满足API要求。3.拉伸-压缩循环试验结果：试样在第2 次上扣和第3次上扣后，进行拉伸/压缩各3次的拉-压循环试验，其中，拉伸载荷：1350kN，压缩载荷：500kN，卸扣后检查未见异常。4.内压条件下拉压循环结果：在规定试验条件下未发生泄漏。5.过扭矩试验结果：上扣扭矩达27.6kNm，经3次上扣和3次卸扣，未见粘扣。6.试样静水压试验结果满足API SPEC 5CT标准对同规格偏梯形螺纹套管的要求。经过全面性能检测，各项技术指标的检测结果能够满足现场使用要求。第三章 地面性能检测3.1转换接头在大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院科研中试中心对转换接头的各项技术指标进行了检测,具体数据见表3-1。表3-1 转换接头地面检测数据规格试验内容试验要求试验结果检测能力133/8(f339.7)上卸扣在设定控制扭矩下,上卸扣自如。组次接头类别上扣扭矩（kNm）经过检测，可以进行方钻杆与套管之间的连接，密封性好，满足钻井需要。第1组上接头7.38下接头7.38第2组上接头7.56下接头7.56第3组上接头7.46下接头7.46密封试验连接好后，试压20MPa,稳压30min不降不渗。第1组20MPa,稳压30min不降不渗。第2组20MPa,稳压30min不降不渗。第3组20MPa,稳压30min不降不渗。103/4(f273.1)上卸扣在设定控制扭矩下,上卸扣自如。组次接头类别上扣扭矩（kNm）第1组上接头6.68下接头6.68第2组上接头6.34下接头6.34第3组上接头6.40下接头6.40密封试验连接好后，试压20MPa,稳压30min不降不渗。第1组20MPa,稳压30min不降不渗第2组20MPa,稳压30min不降不渗第3组20MPa,稳压30min不降不渗7