牛文錄，劉金榮，郭慶平，金 博，葛 松

油井管在靜水壓試驗過程中的失穩(wěn)控制

牛文錄1，劉金榮1，郭慶平2，金 博3，葛 松1

（1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2.渤海鉆探井下分公司，河北任丘062552；3.長慶油田分公司第五采油廠，西安710201）①

分析了油井管在靜水壓試驗過程中失穩(wěn)的原因。闡述了失穩(wěn)的危害，提出了控制失穩(wěn)的措施，設計了控制失穩(wěn)的關鍵裝置。從理論及實踐上驗證了油井管在靜水壓試驗過程中失穩(wěn)可以控制。

油井管；靜水壓試驗；失穩(wěn)；控制

甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司自1997年成功研制第1套全自動油井管靜水壓試驗機以來，已經(jīng)為全國各大油田及鋼管生產(chǎn)企業(yè)提供了幾十套設備，現(xiàn)已形成系列產(chǎn)品［1－4］：管徑?60.3～?1 300mm，管長6～14m，試驗壓力0～110MPa，設定保壓時間0～30s；有單機單管試驗和單機雙管試驗，操作方式有全自動和手動。由于井深的增加，高鋼級、特殊螺紋油井管大量應用，對油井管的性能提出了更高的要求，對管體強度和螺紋連接密封性能檢驗更加嚴格，試驗壓力＞50MPa。在試壓過程中出現(xiàn)油井管彎曲現(xiàn)象，這是由于油井管受壓失穩(wěn)而產(chǎn)生的，將產(chǎn)生各種危害，本文就此提出了控制措施。

1 失穩(wěn)原因分析

油井管的試壓是通過靜水壓試驗裝置來完成的。試壓時，由進出料機構將油井管放入試壓主機的中心，通過移動密封裝置，將油井管的兩端推入固定密封裝置和移動密封裝置之中。通過水壓作用，高回彈的密封圈強制抱住油井管，從而使密封裝置與油井管形成一個密閉的容腔。通過灌注閥將容腔內(nèi)注滿水，再通過高壓缸給密閉容腔注入高壓水，直到油井管所試的壓力。然后停止注入高壓水，使整個密閉容腔處于保壓狀態(tài)，保壓到規(guī)定的時間后，由缷壓閥卸去壓力，移動密封裝置退回原位，退管裝置將油井管拉出固定密封裝置，由進出料機構將其起出試壓主機，試壓結(jié)束。

從整個試壓過程看，油井管的軸向受力是從注入高壓水的加壓過程開始，壓力從小到大逐步升高，經(jīng)過保壓、瞬間卸壓后結(jié)束。在整個過程中，不但油井管的兩端面受到了高壓水的正壓力，一端的接箍同時也受到了高壓水的正壓力，這時油井管充當?shù)氖菈簵U的角色，所受的軸向壓力應是管體端面和接箍端面的壓力之和，其受力分析如圖1。

圖1 油井管受力分析

從圖1可以看出，試驗壓力越高，軸向壓力就越大。油井管是在加壓過程某一時間內(nèi)，由于所受的軸向壓力大于其臨界壓力，使其不能保持原有直線平衡狀態(tài)并突然彎曲而失穩(wěn)的。

2 油井管失穩(wěn)的危害

失穩(wěn)是強度和剛度問題之外的另外一種破壞形式。盡管導致油井管失穩(wěn)的壓力遠小于油井管發(fā)生強度破壞時的壓力，但由于油井管失穩(wěn)的情況突然發(fā)生，不但導致試壓設備各部件遭到嚴重的損壞，生產(chǎn)無法繼續(xù)，同時也會給設備用戶的產(chǎn)品帶來一定的經(jīng)濟損失。因此，設計試壓設備時，必須考慮采取一定的措施，設法消除或消弱油井管所受的軸向壓力，防止和控制可能發(fā)生的失穩(wěn)破壞［5－6］。

3 油井管失穩(wěn)的控制

由材料力學得知［6］，為了提高壓桿的穩(wěn)定性，可以采用4種方法：①減少壓桿長度或增加中間支座；②改善約束條件；③合理選擇截面；④合理選擇材料。對于試壓狀態(tài)的油井管，②、③、④三種方法是不能采用的，只有方法①可以采用。然而油井管是不能縮短的，只能采用增加中間支座來提高油井管的穩(wěn)定性。經(jīng)過計算，試驗壓力＜40MPa，中間支座的間距≤1.8m；試驗壓力40～70MPa，中間支座的間距≤1.1m，油井管試壓是安全的。但是由于受到試壓主機結(jié)構和空間位置的限制，中間支座數(shù)量不能布置太多。

在設計超高壓試驗設備時，不能僅僅依靠增加中間支座的數(shù)量來防止和控制油井管失穩(wěn)，還必須借助于其他措施來防止和控制。根據(jù)以上分析，油井管所受軸向壓力是管體端面和接箍端面的壓力之和，如果將接箍端面所受軸向壓力消除，就能控制油井管所受的軸向壓力，使其小于油井管的臨界壓力，就能保證油井管在試壓時不會失穩(wěn)而破壞設備以及油井管本身。為此，設計了一種接箍擋卡裝置，其作用是在油井管進行試壓時，用它頂住接箍外端面，將接箍所受軸向壓力傳給擋卡裝置，再由擋卡裝置傳給機架。接箍擋卡裝置的結(jié)構如圖2所示。

圖2 接箍擋卡裝置結(jié)構

接箍擋卡裝置工作過程為：試壓時，油井管被推入密封裝置，中間支座夾緊油井管后擋卡被2個液缸推入固定端密封裝置，緊緊頂住接箍，使其將所受的軸向壓力傳給擋卡，擋卡通過承載體、液缸、橫梁將軸向壓力傳給機架，從而減小了油井管兩端所受軸向力，使其小于油井管臨界壓力，保證了油井管的穩(wěn)定；卸壓后，移動密封裝置退回原位，擋卡裝置退回原位，同時將油井管拉出固定密封裝置。

4 應用情況

經(jīng)過改進的油井管靜水壓試驗設備分別在鄯善、延長、江陰等地安裝使用，?60.3mm（2英寸）或?73mm（2英寸）油管分別試壓到69MPa和66.5MPa，設備運轉(zhuǎn)正常，均沒有發(fā)生油管彎曲的現(xiàn)象，達到了設計目的?，F(xiàn)場使用證明，試壓設備增加了接箍擋卡裝置后，油井管的試壓是安全的，不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1） 通過受力和理論分析，表明油井管在靜水壓試驗過程中失穩(wěn)是可以控制的。

2） 設計油井管靜水壓試驗設備時，試驗壓力＜40MPa，中間支座的間距≤1.8m；試驗壓力在40～70MPa，中間支座的間距≤1.1m，油井管試壓是安全的。

3） 設計了接箍擋卡裝置，減小了油井管兩端所受軸向壓力，使其小于油井管的臨界壓力，保證了油井管的穩(wěn)定。

［1］ 李 偉，張 弘，邱真理，等.70MPa石油套管靜水壓試驗機的研制［J］.石油礦場機械，1999，28（5）：12-14.

［2］ 李秀全，張永紅，畢群泗，等.熱擴鋼管靜水壓試驗機的結(jié)構研究［J］.石油礦場機械，2009，38（8）：30-34.

［3］ 解 慶，馬永剛，何宏偉，等.油套管生產(chǎn)線設計［J］.石油礦場機械，2010，39（9）：45-48.

［4］ 趙國相，李秀全，胡三恩，等.高壓大直徑鋼管水壓試驗機研制［J］.石油礦場機械，2011，40（6）：91-93.

［5］ 趙國相.鋼管水壓試驗機主要結(jié)構型式［J］.石油礦場機械，2011，40（8）：85-87.

［6］ 范玉仙，王成立，王釤鑌.20MN拔伸水壓機技術改造［J］.重型機械，2011（5）：66-69.

［7］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2004.

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1001-3482（2012）05-0089-02

2011-10-16

牛文錄（1965-），男，甘肅天水人，高級工程師，主要從事石油裝備的設計開發(fā)工作。