8in超高强度直连型石油套管的开发

7-5/8in超高强度直连型石油套管的开发李恒政，卢小庆，扈立，王正，张旭（天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津300301）[摘要]根据超深复杂井身结构设计的需要，开发了7-5/8in超高强度直连型石油套管。通过合理钢种设计及工艺控制，使得套管在超高强度下具有良好的韧性；良好的材料性能及螺纹密封面的设计，解决了直连型套管连接强度和密封性能的问题。试验结果表明，7-5/8in超高强度直连型石油套管不仅具有超高的抗挤毁能力，还具有良好的连接强度及密封性能，适用于特殊井身结构的盐层段。[关键词]石油套管；直连型；连接强度；密封性能；抗挤毁性能Developmentof7-5/8inchSuperHighStrengthFlushJointOilCasingLIHeng-zheng,LUXiao-qing,HULi,WANGZhengandZHANGXu(TechnologyCenterofTianjinPipe[Group]Corporation,Tianjin300301,China)AbstractAccordingtothedesignrequirementbysuperdeepwellstructure,7-5/8inchsuperhighstrengthflushjointoilcasingwasdeveloped.Throughreasonablesteelgradedesignandprocesscon原trol,thesaidcasingpossessedexcellenttoughnessundersuperhighstrength.Goodmaterialpropertiesandthreadsealingsurfacedesignsolvedtheprobleminthejointstrengthandsealingperformanceofdirect-connectedoilcasing.Testresultsshowedthat7-5/8inultrahighstrengthflushjointoilcasing,withsuperhighanti-collapsestrengthandexcellentjointstrengthandsealingperformance,wassuit原ableforapplicationatthesaltbedofspecialwellstructure.Keywordsoilcasing;flushjoint;jointstrength;sealingperformance;anti-collapseperformance收稿日期：2013-09-15修回日期：2013-10-12作者简介：李恒政（1980—），男，硕士，工程师，主要从事油井管开发方面的研究工作。1引言我国西部油田地质条件复杂，油气埋藏深，地层压力高，压力系统多，勘探开发的难度大。许多井在钻达目的层前要钻穿多套压力及岩性不同的地层，经常遇到井漏、井喷、缩颈等情况的发生，此时往往需要下入套管封固，增加套管层次，增加套管层次会导致下部井眼过小，给后期施工带来困难，有可能钻不到目的层造成井眼报废。因此在复杂地质环境下，常规的井身结构设计方法已经不能满足勘探开发的需要，随着技术的发展，非常规井身结构设计方法逐渐得到推广应用。非常规井身结构设计需要特殊的套管与其配套，7-5/8in超高强度直连型石油套管是根据西部油田超深井非常规井身结构专门设计一种特殊套管，该套管螺纹连接采用了内外齐平的无接箍设计，在非常规井身结构设计中有较好的应用。2石油套管设计思路我国西部深井、超深井常规井身结构一般为20in伊13.375in伊9.625in伊7in伊5in,使用的套管基本上是带接箍的套管,当深部有高压盐层需要封堵时,即可以采用7-5/8in超高强度直连型石油套管取代第四层的7in套管，以达到井身结构优化的目的。7-5/8in超高强度直连型石油套管在管体上直接加工公、母螺纹，套管连接处内外齐平，管体可以采用大厚壁高强度材质设计，使其具有超高的抗外挤毁能力，达到封堵盐层的效果；没有接箍的端面，大大减少套管与井壁的阻力，便于下套管[1]。但直连型石油套管由于是在管体上直接加工公、母螺纹，实际设计中需要解决的主要问题是螺纹的密封性和连接效率，7-5/8in超高强度直连型石油套管采用大壁厚高强度的材质，螺纹设计采用不容易造成滑脱的梯形扣设计，同时增加金属密封面，很好的解决了螺纹的密封性及连接强度问题。〈产品开发〉7-5/8in超高强度直连型石油套管的开发doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.0025--图1直连型石油套管整管拉伸试验图2整管拉伸断口形貌根据超高强度石油套管的开发经验，合理设计钢种；通过高真空纯净钢冶炼，有效控制钢的化学成分、夹杂物形态及有害元素的含量；高精度轧制后进行调质工艺处理，使其形成细小均匀的回火索氏体组织。通过合理的设计及有效的工艺控制使套管的强韧性得到良好的匹配。4套管的使用性能4.1套管的连接强度套管连接强度计算需考虑管体屈服强度、螺纹连接强度及公、母端危险截面处的连接强度，其最小值确定套管最终的连接强度。公、母端危险截面处的连接强度由公、母端危险截面积决定，通常是螺纹根本的退刀槽处。7-5/8in超高强度直连型石油套管是在管体上直接加工公、母螺纹，螺纹参数是特殊设计的梯形扣，正常情况下螺纹连接强度大于管体屈服强度，而管体屈服强度远大于公、母端危险截面处的连接强度。根据屈服强度公式[5-6]可以计算出7-5/8in超高强度直连型石油套管管体屈服强度；按套管名义尺寸计算出套管管体截面积Ap，按照75/8in超高强度直连型石油套管螺纹设计图纸计算出母端危险截面积Ac-box及公端危险截面积Ac-pin，可以得出母端危险截面积Ac-box最小，因此母端危险截面处的连接强度是最小连接强度，最小连接强度理论计算值为6133kN。随机抽取一对带公母螺纹的7-5/8in超高强度直连型石油套管，按设计的标准扭矩上扣后在整管拉伸试验设备上，进行整管拉伸试验，当拉力达到1800kips，约8001kN时，套管从母端螺纹根部的退刀槽处断裂，如图1、图2所示。整管拉伸试验结果进一步说明7-5/8in超高强度直连型石油套管连接强度的薄弱点在母端螺纹的危险截面处，此处的连接强度即整根套管的连接强度，试验结果与设计一致；且套管的实际连接强度超过理论计算值30.46%，完全满足管柱设计对套管连接强度的需要。整管拉伸断口成45毅，断口处有明显的缩颈，这进一步说明套管的材质具有良好的韧性。4.2套管的密封性能API螺纹由于结构上的缺陷，不论是API圆螺纹，还是API偏梯形螺纹都存在泄露通道，螺纹密封性能差，国内外厂家设计了大量具有密封功能的特殊螺纹，对螺纹的密封设计进行多方面研究[7-10]。7-5/8in超高强度直连型石油套管螺纹采用金属-金属的密封面设计，通过控制密封面的密封直径使得螺纹连接后有合适的过盈量，使其具有良好的密封性能。按照设计，7-5/8in超高强度直连型石油3套管的材料性能国内外油田高强度套管发生失效的案例较多，资料研究表明[2-4]，高强度套管主要的失效形式是套管的冲击韧性偏低造成的脆性开裂。因此,高强度套管材质设计要充分考虑材料的强韧性匹配，保证套管高强度的同时具有良好的韧性，7-5/8in超高强度直连型石油套管材料性能设计指标如表1所示。表17-5/8in直连型石油套管材料性能设计指标外径壁厚扣型拉伸性能冲击性能（夏比V型缺口，0℃）D/mmt/mm屈服强度Rt0.7/MPa抗拉强度Rm/MPa延伸率/%横向10mm×10mm纵向10mm×10mm193.6819.05TP-FJ1068～1172≥1138166080〈产品开发〉6--套管螺纹密封效率为管体内屈服压力的60%，由内屈服公式[5-6]，可以计算出7-5/8in超高强度直连型石油套管内屈服压力为183.8MPa，因此理论设计螺纹密封压力为：110.3MPa。随机取样，按标准扭矩经过两次卸扣三次上扣后进行密封试验，试验结果如表2所示。试验步骤内压力试验温度/℃保持时间/min结果评定MPapsi（1psi=6.895kPa）1110.315990室温30试验过程螺纹连接处无泄漏200室温03128.618647室温30400室温05137.819980室温30600室温0表27-5/8in直连型石油套管密封试验试验结果表明7-5/8in超高强度直连型石油套管当压力达到内屈服压力75%时螺纹连接处无泄漏，其密封性能达到了设计的要求。4.3套管的抗挤毁性能7-5/8in超高强度直连型石油套管属于屈服强度挤毁，影响其抗挤毁性能的主要因素是材料的屈服强度、外径与壁厚的比值；套管设计时充分考虑了这两方面对挤毁性能的影响，从理论设计方面该套管就应具有超高的抗挤毁能力，根据挤毁强度公式[5-6]计算，理论值为189.4MPa。随机取样，进行抗挤毁性能试验，当压力达到218.2MPa时试样挤毁，实际试验值高出理论计算值15%，说明该套管具有超高的抗挤毁能力，具有封堵高压盐层的能力。5应用情况西部油田地质条件复杂，许多油气井中深部都存在多处蠕动盐层，需要特殊石油套管封堵盐层。常规的井身结构设计无法满足油田勘探开采的需要，随着技术的进步出现越来越多的非常规井身结构设计，7-5/8in超高强度直连型石油套管的开发为井身结构设计提供一种选择。套管开发成功后，陆续在中石油西南油气田分公司、塔里木油田、中石化西北等油田的部分非常规井身结构设计中得到应用。6结论（1）套管螺纹连接采用内外齐平的直连型设计，增大了环空间隙，有利于提高固井质量；同时便于套管下井。（2）套管采用超高钢级的材质，通过合理设计及工艺控制，在高强度的情况下，保证套管的韧性；使强度与韧性得到良好的匹配。（3）通过提高强度与壁厚，使套管具有超高的抗挤毁能力，达到封堵高压盐层的目的。（4）通过设计解决了直连型螺纹连接强度及密封性能的问题，套管具备优良的连接强度和密封性能，可以满足管柱设计对连接强度和密封性能要求。参考文献[1]史交齐，高连新，赵克枫，等.论无接箍式套管的性能，评价及应用[J].石油钻采工艺，1998，20（5）：30-37.[2]张国正.V150套管破裂原因及超深井套管选材探讨[J].石油专用管，1999（3）：21-24援[3]苏克玲，李平全.177援80mmV150套管接箍纵裂分析[C]//石油管工程应用基础研究（2006）论文集.北京:石油工业出版社，2006：294-297援[4]卢小庆，钟守明，李建.超深复杂井用超高强度石油套管TP140V的设计开发及应用[J].钢管，2011，40（5）：26-30.[5]APITR5C3援Petroleumandnaturalgasindustries-Formulaeandcalculationforcasing，tubing，drillpipeandlinepipeproperties[S]援[6]ISOTC67,ISO/DIS10400,PetroleumandNaturalGasIndustries-FormulasandCalculationsforCasing,Tubing,DrillPipeandLinePipeProperties[S].[7]高连新，史交齐.油套管特殊螺纹接头连接技术的研究现状及展望[J].石油矿场机械，2008，37（2）:15-19.[8]王峰.油套管特殊螺纹接头的研制与应用[J].石油矿场机械，2004，33（2）：85-87.[9]高连新，金烨，张居勤.石油套管特殊螺纹接头的密封设计[J].机械工程学报，2005，41（3）：216-219.[10]康晓雷.石油套管螺纹连接的密封结构[J].钻采工艺，1997，20（1）：47-51.7-5/8in超高强度直连型石油套管的开发〈产品开发〉7--