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钻井用石油套管接头形态的斟酌开拓

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  钻井用石油套管接头形式的研究开发_专业资料。钻井用石油套管接头形式的研究开发

  维普资讯 盘 溺泻 鼢 2 3 钻 井用石油套 管接 头形式的研 究开发 张居 勤,穆 增 利 2 ,刘 玉 民 。 (1 无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司 ,江苏 无锡 2 4 2 ;2 沧州华北石油专用管材有限公 司 , . 10 8 . 河北 沧州 0 10 ;3 大庆油 田钻井工程技术研究院 .黑 龙江 大庆 1 3 1 60 0 . 6 4 3) 摘 要 :介绍 了为油 田研制 的用 于钻井 的石油套管的设计 、制造 、试验和使用情况 。实验结果表 明 ,钻井用 石油套管接头形式采用偏梯形螺纹 。再加抗扭 矩台肩的设计方案 ,既能使接头部分具有足够 的强度 ,以传递钻井 时非常大的转矩 ,又能使台肩抵抗远远超 过螺 纹部 分的巨大扭矩 ;并具有较好的密封性 ;满足油 田对钻井用表层 套管 的技术要求。 关键词 :钻井 ;石油套 管;接头 ;设计 中 图分 类 号 :T 3 文 献 标 识 码 :B 文 章 编 号 :1 0 — 3 12 0 )2 0 2 — 5 G3 0 12 1 ( 0 7 0 — 0 3 0 R & D fOiCa i g Con e t y or e l ln er ie o l sn n c i T pe f ldr l g S vc on W — ii Z a gJ q n , MuZ n l , L uYu n h n u i e gi i mi (1 Wu i e m esP t lu p caieMa ua tr o,Ld,Wu i 1 0 8 hn ; . x S a ls er e m S e il p n fcueC . t. o P x 2 4 2 ,C ia 2 Ca g h u Hu b i e r l u S e i l b a o u tCo , L d , C n z o 61 0 . n z o a e t o e m p c a P Tu ulrPr d c . t . a g h u 0 0 0, Ch n i a; 3 R sacn tueo ldi igE gn eigT c n lg ,D qn i Fed . e erhIsi t f t Wel r l n ie r e h oo y a igO l il ,Da ig1 3 1 ,C ia) — ln n qn 6 4 3 hn Absr c : De c i e r h & D o i c sn o l— rli g s r i e c v r n u h a p c s a e i n, ta t s rb d a e t e R fo l a i g f rwe ld iln e v c , o e i g s c s e t s d s g ma u a t r , e p r me ta d o e a i n h x e i n a e u ts o s t a t h a i g c n e to y e f a n f cu e x e i n n p r to .T e e p r me t lr s l h w h twih t e c s n o n c i n t p e ? t rn u te s t r a n n i t r u h u d rt e c n e to ss r n n u h t r n mi t e te n o s t r u u i g b tr s h e d a d a t o q e s o l e h o n c i n i to g e o g o ta s t h r me d u o q e — a c u sd rn l— rli g p o e s a d t e s o d ri c p b e o e itn g i sh e e e t r u i h i so c r u i g we ld il r c s , n h h ul e s a a l fr s si g a a n t e s v r o q e wh c s n t mu h b g e h n t t sb r e b h h e d s c i n M o e v r wi o d tg t e s t e d v l p d c n e t n i c i g rt a ha o n y t e t r a e to . a roe , t g o i h n s h e e o e o n c i s h o s t f c o y th e h i a e u r me t o e we ls ra e c sn . a i a t ro t e t c n c l q ie n r h l u c a i g s r f t f Ke r : W e ld il g Oi c s n ; C n e to y wo ds l rl n ; i l aig o n c i n; De i n sg 0前 言 用石油套管代替钻杆是 由美国德士古石油公司 应用 。国内某石油专用管材公司积极配合大庆油 田 钻 井 工 程 技 术 研 究 院 ,设 计 制 造 了 3 97mmx 3. .5mm I 7 . n 88 5 , 5 开创的 ,是当前 国际石油工业正在逐渐完善并迅速 96 和 c2 31mix .9mm J 5与 K 5钢 级 0 4年底 在 大 庆 油 田 推广 的一项套管钻井新技术 。它是在钻 井作业 中, 钻井 用 石 油套 管 接头 ,并 于 2 0 将钻井与下套管两个不同的工序合二为一 ,因而可 完成 了 4口井的现场下井试验 ,取得圆满成功 。本 以节省钻杆的购置费用 。简化钻机结构 ,减少安全 文主要对钻井石油套管的接头设计以及有关试验 隋 事故 ,降低钻井成本 ,缩短建井周期 ,受到各油 田 况 作 相应介 绍 。 钻井和开发部门的欢迎 ,并被迅速推广应用[ 。 我国石油行业在套管钻井新技术出现之初 ,就 十分关 注这 项技 术 的发展 动态 ,并 积极在 国 内推 广 1 接 头的使 用性能及要求 钻井作业用的 3 9 m(3 ) 3 . m 13i 表层套管使 7 n 用 性 能如下 : 张居勤( 9 0 ) 1 5 一 ,男 ,高级工程 师 ,总工程师 ,长期 从事制管工艺和管加工工艺的研究 。 STEELPI Ap. 0 7,Vo. 6,No 2 PE r2 0 13 . 螺纹类型 套 管钢 级 A I C加止扭台肩 P B J5或 K 5 5 5 钢 管 20 0 7年 4月 第 3 6卷 第 2期 维普资讯 2 4 - 矾鹅 鼢 96 .5mm 40 44 N 4 .6k 37 45N 9 .6k 77 a .9MP 套 管壁厚 接头 连接 强度 管体屈 服 强度 抗挤强 度 最小 内屈 服强度 ( 爆破 性能 )1.2MP 88 a 抗粘扣性能 在标准轴向拉伸条件 ( 或者 6 0 k 下 .扭 矩 加 载 至 0 N) 2 0 m.反 复 上 卸 6 10 0N? 次不粘 扣 上 扣 扭 矩 最佳值 69 8N? 5 m;最小 值 5 14 N? 9 m:最 大 值 8 72 m 2 N? ≤ 2 0 N? 7 00 m ≤3 00 m 图 1钻井套管螺纹接头形式的设计示意 设计 了 1 个螺纹退刀槽。退刀槽 的长度为标准偏梯 形螺 纹 螺 距 的 1 — . 。 台肩 抗扭 矩 能力 计 算公 . 2 5 0倍 抗扭 矩破 坏极 限 设计使用井深 式为 : N=2 /D1+1][/( d) P[ d /74O 2 ] 2 2 " c - 式 中 Ⅳ —— 台肩处所 受 的压应 力 。MP ; a P— — 管 柱所受 的最 大扭 矩 ,N? m; 2 接头的设计和制造方 案 一 般 固井用 石 油套管 ,在 下井作 业和 服役 过程 中。主要承受的载荷为拉伸 、压缩 、弯曲 、扭转 、 剪切 、腐蚀 、膨胀等 , 属于静载荷 。但钻井用套 管 ,除需承受上述载荷外 ,还要承受类似钻杆钻进 时的巨大压缩载荷和弯曲载荷 .同时还要传递很大 的转矩 .承受的载荷主要是动载荷和交变载荷。因 此. 钻井套管的接头形式 .不能仅有带锥度的圆螺 纹或偏梯形螺纹 ,而且还应设计有专门的抗扭矩 台 D —— 管端处外径 ,m m; d—— 钢管 内径 。mm。 经 计算 ,当扭 矩 达 到 30 m时 ,套 管端 00 0N? 面所受 到 的压应 力 约为 2 0MP ,远 远小 于 J钢级 4 a 钢管的屈服强度 ,能够满足用户对钻井用套管的使 用要 求 。 在管料的选择上 ,选用 了当时包头钢铁 ( 集团) 有 限 责任 公 司 生 产 的 K 5钢 级 3 Mn 5 4 6或 3 Mn 7 5 的 3 97 mmx .5 mm 和 2 31mmx .9 mm 3. 96 7. 88 肩 。因为没有抗扭矩 台肩的螺纹接头在旋合以后 , 随着 扭矩 的增 大 ,螺纹会 越拧 越 紧 ,螺纹 部分 不仅 要承受很大的扭矩 .而且其外螺纹端会钻进内螺纹 端 .甚至使两个外螺纹端在接箍内有可能碰头。如 果旋合超过规定扭矩或规定机紧位置太多 ,会将螺 纹拧坏、拧烂扣 。导致螺纹部分失效 。所以,套管 方 法来 制造 接箍 。并 委托 国内拥 有 大型滚 锻设 备 的 厂家 加工 。 接头部 分一 定要 设计 有抗扭 矩 台肩 。 钢管 。 在接箍料的选择上 。由于国内当时没有壁厚超 过 2 的接 箍管 坯 ,所 以选择 滚 锻 ( 4mm 或称 环 锻 ) 根据大庆油 田用户的使用要求 。某石油专用管 材 有 限公 司经认 真分 析研究 .设计 出如图 1 所示 的 3 接 头加工过 程的工 艺质量控 制 首先对到货 的 39 m 9 5m 3 . m x . m接头用钢 7 6 钻井 套 管螺 纹接 头形式 。对 于 台肩 的设 计 ,经反 复 比较 ,发现认为反 向扭 矩 台肩虽然密封效果 比较 管进行了严格的质量检验。其质量检验数据见表 1 。 接箍 使用 3 M 5 7 n 材料 ,因锻后采 用 了正火 , 好 .且能减少接头的应力集 中现象 ,但是其抗扭矩 能力不如直角 台肩 :同时 ,反 向台肩还会产生较 所 以其 力学性 能都 处 于 K5 级 的中 限。 5钢 在套 管 和 接 箍加 工 过 程 中 ,钢管 的几 何 尺寸 , 大 的径 向( 或称周 向) 分力 ,降低接头传递扭矩 和 抵抗 过扭 矩 的能力 ;另外 ,由于钻井 用石 油套 管在 完 全 按 APC I5 T标 准 公 差 的上 限或 缩 小 公 差 带 宽 密封性能方面的要求不是很高 。所以设计直角扭矩 台肩即可适应钻井用套管实际使用的受力状态 ,满 足服役 条件 。 度范围来 控制 ,尽 可能选择外径大 、管壁厚 、管 直 、长度 齐 的管坯上 线进 行加 工 。 在 螺纹 加工 中 .对 各项 螺 纹参数 只进 行 了很 小 为保证台肩的完整和便于螺纹加工 ,在台肩前 STEEL PIEAp. 0 7 P r 2 0 ,Vo. 6,No 2 13 . 的控制 ,对紧密距参数则进行 了比较严格的限制 , 维普资讯 鼢 0 表 1 3 97r 9 5ml钢管检验数据 3. a m ̄ . i 6 l 2 5 缩小其公差范围.较小的紧密距公差可有效地控制 和分配总扭矩。按照设计要求 ,设定螺纹部分承受 总扭 矩 的 13 /.即控 制在 70 0 10 I;台肩 0 — 00 0N?I T 部 分 承 受 23 即达 到 钻 井 时 的 最 大 扭 矩 2 0 /. 70 0 石油管理局和套管制造厂三方讨论与协商 ,最终制 订的试验方案如下 : ()上卸扣试验 的上扣控制扭矩为 10 m; 1 75 0N? ()拉伸 至失 效试 验 ; 2 ( )拉伸 一 缩 循 环试 验 的 拉 伸 载荷 为 13 0 3 压 5 k N,压缩 载荷 为 5 0k 0 N,拉 、压各 3 ; 次 ()内压 条件下 拉 伸及 压缩循 环试 验 的 内压 力 4 NI ?I T 。当套管机紧端在拧 接机上进行接箍拧紧时 , 也按 照这一 规定 进行 控制 。 4 钻井套管实物评价试验方案的制定 实物评价试验方案是在充分听取油 田用户意见 的基础上 , 考虑 到钻井套 管的实 际使用条 件和 中 充分 国石油天然气集 团公司石油管材研究所试验设备的 性能 指标来 确 定 的。 经 中 国石 油天 然气集 团公 司 管材研 究 所 、大庆 为 1 a 5MP ,拉伸载荷为 1 5N 0k ,压缩载荷为 5 3 O k N,拉 、压各 3 ; 次 ()过扭 矩试验 ; 5 ()封堵 管端静 水 压及 内压爆 破试 验 ; 6 ()外 压 挤毁试 验 。 7 实物评 价试 验 流程 见 图 2 。 试样(件 ) 卜—— 7 _ 备用试样(件 ) 7 2 次上扣试验 I l次上/ 4 卸扣试验l I4 次上/ 卸扣试验 l I 纯外压挤毁试验 拉一 压循环试验 l l 拉伸至失效试验 I l 内压条件下拉压循环 第3 次上扣 试验 上卸 扣3 次 拉一 压循 环试 验 过扭 矩试 验 静 水压 爆破 试验 图 2 实物评价试验 方案 流程 5 钻井 套管实物评价 试验 结果 钻井套管在试验模拟现场的使用条件 ,基本按 张居勤等 :钻井用石 油套管接头形式的研究开发 照用户的 技术要求执行。 试样组合见表 2 。 钢 管 20 0 7年 4月 第 3 6卷第 2期 维普资讯 2 6 赫蛸 麟 表 2 试样组合 ( )上卸 扣试 验 1 试样 1 Y和 1 按 10 m 的扭 矩控 制 上 w 75 0N- 扣 。经 过 4次上 扣 、3次卸 扣 ,均 无粘 扣 现象 ;试 样 1 别 于第 2次 上 扣 和第 3次 上 扣后 进 行 拉 一 z分 压循环试验 ( 中拉伸载荷为 1 5N 其 0k ,压缩载荷 3 为 5 0k .再 继续 进 行上 卸扣 试验 。总共 4次上 0N) 扣 和 3次 卸 扣 .整 个 过 程 中均 无 粘 扣 现 象 ;试 样 。 1 经过 内压条件下 的拉一 w 压循环试验 。并经 6 次 上 卸扣 。均 未粘 扣 ,见表 3 表 3 上 卸 扣 及 过 扭 矩 试 验数 据 ( )拉 伸试 验 2 试样 1 Y在 拉 伸 载 荷 为 55 20k ( 3 . 0 . N 12 69 ( )过扭矩 试验 5 试 样 1 在 高 扭 矩 20 m 的情 况 下 。经 W 76 0N? 过 3次卸扣 和 3次上 扣 。均未 发生 粘扣 。 kp) .现场端螺纹滑脱失效 ,比 A I ul C 规 is时 P l5 2 B 定 的该规格偏 梯形螺 纹接头 的最 低连接强 度 40 45 4 . k ( 0 . kp ) 3 .%。 N 9 90 is高 61 ( )静水压及内压至失效试验 6 经 过 4次 上扣 和 3次 卸 扣 .试样 1 z在 l. 10 5 MP 压 力 下保 压 3mi.在 1 . a 力 下 保压 a n 90 MP 压 0 2 n 5mi.在 2 .0MP 50 a压力 下保 压 3 n 0mi。均 未发 生 泄漏 ;直 至加 压至 4 .6MP 21 a时 ,焊接堵 头 连接 处 泄 漏 :试样 1 则 持续 加 压 直 至 5 . a时 , w 31 MP 2 ( )拉 一 3 压循 环 试验 试 样 1 复合 加 载 试 验 系统 上 。分别 在第 2 z在 次 和第 3次上 扣 后 。在 室温 及拉 伸 载荷 1 5 N、 0k 3 压缩载荷 5 0k 0 N条件下 ,反复进行 了 3 次拉一 压 循 环试验 .从 载荷 一 位移 曲线及 随后 的卸扣情 况 看 , 均无异常现象发生。 () 内压 条件 下的拉 一 循环 试验 4 压 试样 1 在复 合加 载试 验系 统上 ,在 恒定 压力 W 为 1 a(7 . pi,拉伸载荷 1 5N 5MP 215 s 6 ) 0k 、压 3 缩 载 荷 为 5 0k 的条 件 下 进 行 拉 一 循 环 试 验 3 0 N 压 次. 均未发生泄漏。 S TEEL PI Ap . 0 7,Vo. 6,No 2 PE r 20 13 . 现场端管体才发生爆裂 。其压力是 A I P5 5 P C 标 R 准规定的该规格套管最低 内压屈服压力 1 . a 8 2MP 8 的2 2 。 . 倍 8 ()外压挤 毁试 验 7 试样 1 T在 加 压 介 质 为 水 、已 设 定 加 压 速 率 为 <3 a n的 外压 挤 毁 试验 系 统 上 进 行 。 当 4MP/ mi 外 压 达 到 93 a时 。试 样 管 体 中 部 挤 毁 失 效 , .4MP 维普资讯 盍 与麟 潍 高于 A I ul C P l5 2规定 的该规格偏梯形套管最低 B 抗挤 强度 77 a 1.%。 . MP 约 98 9 2 7 的钻井工艺新技术 ,它的经济性 、安全性和实用性 正在被 越来 越 多 的钻井公 司所 认可 。 套管 接头使 用连接强度较高 的 A I P 偏梯形螺 纹 ,再 加 上直 角型抗 扭矩 台肩 的形 式 ,具有 很强 的 6 钻井套管现场 下井试验 这种新型钻井用石油套管分别在大庆油 田的两 抗过扭矩能力和较好的密封性能 .能够满足油田对 个 区块 先 后 进 行 了 4E井 的下 井 试 验 .均 获得 成 钻井用石油套管使用性能的要求 ,这种接头形式相 l 对简单可靠 、切实可行 。但是 ,使用套管代替钻杆 功。具体情况如下: 第 1E表层石油套管钻井 ,使用 3 9 m 进行钻井作业 ,实现套管钻井的 目的,不仅只是套 l 3 .m x 7 96 5 .5mm K 5钢 级 套 管 .于 2 0 0 4年 5月 2 日 1 管接 头 的设计 改进 ,而是涉 及 到钻井 的整个 工 艺装 0 5 点在大庆油 田杜 2 井开钻 ,当天用钻井套管钻至 备及 工具 的革新 或改进 的 问题 ,如钻 机结 构 、钻头 8 目的层 ,并完成 固井作业 ,全井进尺 2 8 8i 1. 。 7 n 形式 、吊具和 卡具 的规格 尺 寸与夹 紧方 式 、套 管 的 3 】 。套管接头形式的设计改进和不断 后 3口井 下 井 试 验 ,使 用 2 31m x . 附件连接件等[ 7. m 8 9 8 mm J5钢 级 钻井 套 管 ,其 开 钻 时 间 、井 号 和进 尺 完善 ,对于套管钻井技术 的推广及实施具有特别重 5 要 的意义。 见表 4 表 4 2 31mm 88 7. X .9mm表层套管钻井情况[ 8 参考文献 [ ]趁维荣 ,黄 1 [ ]丛 2 涛. 国外套 管钻井技 术的发展 和现状 [] J. 石油钻探技术 ,2 0 0 2。3 ( ) 6 1. 0 1 :1 — 8 微. 套管钻井技术优势和不足I ] 中国石油报 , N. 2 004— 03—23 . []张云普 ,夏江洲. 3 大庆 油田表层套 管钻井技术 首次试验 7结 语 圆满成功[ . N] 中国石 油报 ,2 0 — 6 0 ( ) 0 4 0 — 1 1. ( 修定 日期 :2 0 — 2 2 ) 0 6 1 — 8 使用套管钻井是一项正在迅速发展和不断完善 ●信 息 俄 罗斯钢管冶金公 司控 股俄罗斯钢 管工业科研所 2 0 年 3 6日俄 罗斯钢 管冶金公 司宣布已成功控股俄罗斯钢管工业科研所 。该公 司将在俄 罗斯钢 管工业科研所 的基 07 月 础上 ,整合钢管冶金公 司的科研资源 ,并将其 作为公司研究 钢管新产 品和钢 管生产 新工艺 的基地 。俄罗斯钢管工业科研所 的前身是 1 6 年成立的乌拉尔钢管工业科研所 ,位于俄罗斯钢管生产重镇车里雅宾斯 克市 。由于前 苏联 解体后 。原全苏管 91 材科研所划归乌克兰所有 ,因此俄罗斯钢管工业科 研所成为 目前俄 罗斯仅有 的一所 钢管专业科研所 ,在现今 俄罗斯欲重振 钢管工业雄 风和俄罗斯正形成三大钢管 生产集 团竞争 的局面之时 ,该研究所 的作用和地位 日益重要。 俄 罗斯钢 管冶金公 司辛那尔钢 管厂管端 加厚 机完成工业性试验 俄罗斯钢管冶金公 司辛那 尔钢 管厂从德 国 S e 公 司引进的石油用管管端加厚机 ,在 2 0 MSMet 0 6年 l 1 0 l 月进行了工业 性试验 ,共生产 管端加 厚管 35 0多 t 0 。试验结果 表明 ,该管端加厚 机的工作性能稳定 .产品质量满足 A I D和 AP C P 5 I T 5 标准要求 。新设备 的投产不仅提 高了钢 管管端加厚 的质量 ,缩减 了钢管加厚端 机加工的时 间,而且使辛那尔钢管厂管端加 厚石油油管和钻 杆的年产量提高到 36 。 ,万t ( 攀钢 集团成都钢铁 有限责任公 司 杜厚益 ) 张居勤等 :钻井用石油套 管接 头形式的研究开发 钢 管 20 0 7年 4月 第 3 卷第 2期 6

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