田永吉， 蘇 琬， 王寶寶

（寶雞鋼管西安石油專用管公司， 陜西 寶雞721008）

在石油鉆采行業(yè)中， 套管是一種大量使用的管材， 對(duì)保證石油鉆采順利進(jìn)行起著關(guān)鍵作用，在使用中套管的主要連接方式為螺紋連接。 隨著各大油田鉆井向深井、 超深井、 水平井、 大位移井方向發(fā)展， 油田開采工況愈加苛刻， 在油田施工作業(yè)中套管螺紋連接部位脫扣產(chǎn)生的失效增多， 因此螺紋連接質(zhì)量的好壞將直接影響油田鉆采作業(yè)。本研究從SEW J55 LC 套管使用工況、 螺紋加工參數(shù)、 擰接扭矩控制等幾個(gè)方面進(jìn)行了試驗(yàn)， 通過試驗(yàn)分析驗(yàn)證SEW J55 LC 套管螺紋連接質(zhì)量的影響因素， 提出進(jìn)一步改進(jìn)螺紋連接質(zhì)量的方向。

1 研究方向

為了進(jìn)一步分析SEW J55 LC 套管螺紋連接質(zhì)量的影響因素， 找出導(dǎo)致套管下井過程中發(fā)生異常脫扣失效時(shí)套管自身存在的問題， 將重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)及分析。

（1） 由于油田近年來大量采用SEW J55 LC套管進(jìn)行大斜度井的下井作業(yè)， 而套管的連接強(qiáng)度是在正常狀態(tài)下通過實(shí)物檢測(cè)的， 因此需對(duì)彎曲狀態(tài)下的套管螺紋連接強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行分析。

（2） 工廠在螺紋加工中通常執(zhí)行企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)， 因此需對(duì)管體外螺紋和接箍?jī)?nèi)螺紋在螺紋參數(shù)極限公差下進(jìn)行匹配， 研究在此狀況下是否對(duì)螺紋連接強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

（3） 套管產(chǎn)品經(jīng)常在工廠、 油田現(xiàn)場(chǎng)存放較長(zhǎng)時(shí)間， 因此需對(duì)套管放置時(shí)間是否對(duì)螺紋參數(shù)產(chǎn)生影響進(jìn)行分析。

（4） SEW J55 LC 套管在加工過程中采用與無縫套管相同的控制工藝， 需對(duì)相同螺紋參數(shù)的SEW 套管和無縫套管采用同一擰接參數(shù)的擰接效果進(jìn)行分析。

（5） 開展SEW J55 LC 套管擰接扭矩對(duì)螺紋連接質(zhì)量的影響因素分析。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

2.1 彎曲狀態(tài)對(duì)螺紋連接強(qiáng)度的影響

2.1.1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)?zāi)M油田大斜度井工況， 采用API SPEC 5CT—2001、 API SPEC 5B—2017及內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)加工的 Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管， 在復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)上按照四點(diǎn)彎曲、 狗腿度5°/30 m 工況進(jìn)行拉伸至失效試驗(yàn)。 試驗(yàn)方案見表1， 試驗(yàn)采用的套管及接箍螺紋參數(shù)見表2 和表3。 試樣結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

表1 彎曲狀態(tài)下拉伸至失效試驗(yàn)方案

表2 試驗(yàn)用Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管螺紋參數(shù)

表3 試驗(yàn)用接箍螺紋參數(shù)

續(xù)表

圖1 試樣結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管拉伸至失效試驗(yàn)結(jié)果見表4， 試驗(yàn)載荷曲線如圖2 所示， 套管拉脫后外觀形貌如圖3 所示。

表4 Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管彎曲狀態(tài)下拉脫試驗(yàn)結(jié)果

圖2 Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管拉脫試驗(yàn)載荷曲線

圖3 SEW J55 LC 套管外螺紋A1-內(nèi)螺紋G12 拉脫后外觀形貌

從圖3 可以看出， 套管A1 端外螺紋發(fā)生塑性變形和拉長(zhǎng)， 在第16～18 扣出現(xiàn)螺紋損傷、 毛刺和翻邊 （見圖3 （a））； B1 端外螺紋未發(fā)生變形，螺紋完好。 同時(shí)， 與A1 端連接的接箍?jī)?nèi)螺紋（G12 端） 在第一扣出現(xiàn)磨損痕跡 （見圖3 （b）），螺紋無其他變形和損傷。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)?zāi)M油田大斜度井工況在四點(diǎn)彎曲、 狗腿度5°/30 m 狀態(tài)下進(jìn)行拉伸至失效試驗(yàn)，Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管的拉脫載荷高于API TR 5C3 要求。 此結(jié)果表明， 按照內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)加工的套管在狗腿度5°/30 m 彎曲狀態(tài)下螺紋連接質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求； 彎曲工況不是異常脫扣失效的原因。 另外， 拉脫試驗(yàn)時(shí)失效端為擰接扭矩較小的一端， 因此為保證套管在油田使用中不在工廠端異常脫扣， 在生產(chǎn)中應(yīng)控制擰接扭矩不小于油田施工現(xiàn)場(chǎng)擰接扭矩。

2.2 螺紋參數(shù)對(duì)螺紋連接強(qiáng)度的影響

2.2.1 試驗(yàn)方案

由于采用的數(shù)控車床加工精度較高， 加工的接箍和套管實(shí)測(cè)螺紋參數(shù)中齒高、 錐度、 螺距、齒頂高、 平均頂徑、 橢圓度等均接近公差中值，且跳動(dòng)小， 螺紋緊密距在內(nèi)控指標(biāo)范圍內(nèi)波動(dòng)，因此本次試驗(yàn)將研究公母螺紋緊密距極限匹配對(duì)螺紋連接強(qiáng)度的影響。

采用齒高、 錐度、 螺距、 齒頂高、 平均頂徑、 橢圓度等參數(shù)按照內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)中值控制， 緊密距按照內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)上、 下限控制工藝加工的接箍、管螺紋匹配的Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC套管進(jìn)行實(shí)物拉脫試驗(yàn)。 試驗(yàn)方案見表5， 試驗(yàn)用套管及接箍螺紋參數(shù)見表2 和表3， 試驗(yàn)仍采用圖1 結(jié)構(gòu)的試樣。

表5 Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管緊密距極限匹配拉脫試驗(yàn)方案

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述方案進(jìn)行的Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管拉伸至失效試驗(yàn)結(jié)果見表6，拉脫后套管外觀形貌如圖4 和圖5 所示。

表6 緊密距極限匹配拉伸至失效試驗(yàn)結(jié)果

圖4 SEW J55 LC 套管外螺紋B2-內(nèi)螺紋G21 拉脫后外觀形貌

圖5 SEW J55 LC 套管外螺紋A3-內(nèi)螺紋G32 拉脫后外觀形貌

從圖4 可以看出， 套管B2 端拉脫， 外螺紋發(fā)生塑性變形、 拉長(zhǎng)， 在第16～18 扣出現(xiàn)螺紋損傷、 毛刺和翻邊 （見圖4 （a））； B2 端外螺紋未發(fā)生變形， 螺紋完好。 同時(shí)， 與B2 端連接的接箍?jī)?nèi)螺紋 （G22 端） 僅在第1 扣出現(xiàn)損傷， 螺紋無變形 （見圖4 （b））。

從圖5 可以看出， A3 端拉脫， 外螺紋發(fā)生塑性變形、 拉長(zhǎng)， 在第16～18 扣出現(xiàn)螺紋損傷、毛刺、 翻邊； B3 端外螺紋未發(fā)生變形， 螺紋完好。 同時(shí)， 與A3 端連接的接箍?jī)?nèi)螺紋 （G32端） 僅在第1 扣出現(xiàn)磨損痕跡， 螺紋無變形及其他損傷。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

所采用的齒高、 錐度、 螺距、 齒頂高、 平均頂徑、 橢圓度等參數(shù)按照內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)中值控制， 緊密距按照內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)上、 下限控制加工的接 箍 、 管 螺 紋 匹 配 的 Φ139.7 mm ×7.72 mm SEW J55 LC 套管進(jìn)行拉脫試驗(yàn)， 拉脫力均大于標(biāo)準(zhǔn)要求 （≥1 098 kN）， 表明按照內(nèi)控螺紋加工參數(shù)生產(chǎn)的套管螺紋連接強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，所以說加工控制工藝不是套管異常脫扣失效的原因。 另外， A3-G3-B3 試樣拉脫試驗(yàn)時(shí)的失效端為擰接扭矩較小的一端， 因此為確保套管在油田使用中不在工廠端異常脫扣， 在生產(chǎn)中應(yīng)控制擰接扭矩不小于油田施工現(xiàn)場(chǎng)擰接扭矩值。

2.3 套管存放時(shí)間對(duì)螺紋參數(shù)的影響

2.3.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證套管存放時(shí)間對(duì)螺紋參數(shù)的影響， 對(duì)庫(kù)存5 年的 Φ177.8 mm×10.36 mm SEW N80-1 LC套管和庫(kù)存1 年的Φ139.7 mm×9.17 mm SEW N80Q LC 套管螺紋參數(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)并與原始記錄對(duì)比。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

Φ177.8 mm×10.36 mm SEW N80-1 LC 套管螺紋參數(shù)復(fù)測(cè)及對(duì)比數(shù)據(jù)見表7， Φ139.7 mm×9.17 mm SEW N80Q LC 套管螺紋參數(shù)復(fù)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)見表8。

表7 Φ177.8 mm×10.36 mm SEW N80-1 LC 套管螺紋參數(shù)復(fù)測(cè)對(duì)比結(jié)果

表8 Φ139.7 mm×9.17 mm SEW N80Q LC 套管螺紋參數(shù)復(fù)測(cè)對(duì)比結(jié)果

續(xù)表

從表7 和表8 的對(duì)比結(jié)果可以看出， SEW套管放置1 年以及5 年螺紋參數(shù)變化很小， 因此可以忽略存放時(shí)間對(duì)螺紋參數(shù)的影響， 存放時(shí)間不是套管異常脫扣失效的原因。

2.4 相同螺紋參數(shù)SEW 套管和無縫套管擰接效果對(duì)比分析

2.4.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證相同螺紋參數(shù)SEW J55 LC 套管與無縫LC 套管在擰接效果的差異， 在同一生產(chǎn)線上同期加工生產(chǎn)Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC套管和無縫 Φ139.7 mm×7.72 mm J55 LC 套管，并進(jìn)行接箍擰接試驗(yàn)。

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

表9 為部分 Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管和無縫套管螺紋加工參數(shù)及接箍擰接參數(shù)。

表9 Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管和無縫套管螺紋加工參數(shù)及擰接參數(shù)

2.4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由上述數(shù)據(jù)可以看出， Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管螺紋參數(shù)與無縫套管基本一致，在加工時(shí)基本無差異， 在按照標(biāo)準(zhǔn)扭矩?cái)Q接時(shí)，SEW 套管與無縫管相比J 值偏大1 mm， 但仍在內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)， 滿足油田使用要求。

為保障SEW 套管的螺紋連接性能， 在螺紋加工參數(shù)基本一致的情況下， 建議擰接時(shí)扭矩應(yīng)比無縫管大， 確保J 值與無縫管控制一致且控制在標(biāo)準(zhǔn)中值以下， 無外露扣。

2.5 擰接扭矩對(duì)螺紋連接質(zhì)量的影響

標(biāo) 準(zhǔn)API RP 5C1—1999 及GB/T 17745—1999 關(guān)于擰接扭矩的相關(guān)要求為：

擰接最大扭矩（a）=標(biāo)準(zhǔn)推薦扭矩（b）×1.25；

擰接最小扭矩（c）=標(biāo)準(zhǔn)推薦扭矩（b）×0.75。

在生產(chǎn)中為了便于精確控制， 通常設(shè)置控制扭矩 （d）， 將實(shí)際擰接扭矩控制在d 和a 之間,d=b×1.25×0.9=a×0.9。

在油田下井作業(yè)中出現(xiàn)的套管脫扣失效，有可能為下井作業(yè)中工廠端卸扣導(dǎo)致， 在保證螺紋連接質(zhì)量的前提下提高擰接扭矩非常必要。因此， 本研究將對(duì)擰接扭矩增大對(duì)卸扣扭矩的影響及擰接扭矩增大對(duì)螺紋質(zhì)量的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.5.1 試驗(yàn)方案

使用 Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管分別以控制扭矩d 和1.1 d 進(jìn)行兩組上卸扣試驗(yàn)并 記 錄 卸 扣 扭 矩 ； 使 用 Φ139.7 mm ×7.72 mm SEW J55 LC 套管以1.1a 的扭矩值進(jìn)行一組上卸扣試驗(yàn)； 使用 Φ139.7 mm×7.72 mm P110 LC 無縫套管以1.1a 的扭矩值進(jìn)行一組上卸扣試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案見表10。

表10 上卸扣試驗(yàn)方案

2.5.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照表10 試驗(yàn)方案完成Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管的上卸扣試驗(yàn)， 分別以d 和1.1d 為擰接扭矩進(jìn)行第1 組和第2 組試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見表11。 按照表10 試驗(yàn)方案完成Φ139.7 mm×7.72 mm 規(guī)格SEW J55 LC 套管和P110 LC 無縫套管的上卸扣試驗(yàn)， 以1.1a 為擰接扭矩進(jìn)行第3組和第4 組試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表11 Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管上卸扣試驗(yàn)結(jié)果

表12 Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC 套管和P110 LC 無縫套管上卸扣試驗(yàn)結(jié)果

2.5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過表11 和表12 試驗(yàn)結(jié)果可以看出， 按照控制扭矩、 控制扭矩×1.1、 最大扭矩×1.1 的4 組擰接工藝上卸扣試驗(yàn)全部合格， 未出現(xiàn)粘扣， 螺紋完好， 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 由第1 組和第2 組試驗(yàn)可以看出， 采用扭矩增大10%擰接工藝的卸扣扭矩比正常卸扣扭矩增加約20%。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 增大擰接扭矩， 螺紋未發(fā)生粘扣， 螺紋質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 且卸扣扭矩同比增大。 因此為確保套管在油田使用中不出現(xiàn)異常反擰退扣， 可采用最大扭矩增大10%的擰接工藝。

3 結(jié) 論

（1） 按照內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的SEW J55 LC 套管滿足標(biāo)準(zhǔn)及油田現(xiàn)場(chǎng)使用要求， SEW J55 LC 套管異常脫扣失效與套管生產(chǎn)控制工藝無關(guān)。

（2） 為了提高SEW J55 LC 套管螺紋連接質(zhì)量， 防止套管在油田使用中出現(xiàn)異常反擰退扣，建議工廠端擰接最大扭矩在推薦標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上增大10% （最大扭矩=標(biāo)準(zhǔn)最佳扭矩×1.25×1.1）， 擰接控制扭矩按照最大扭矩×0.95 控制執(zhí)行， 在生產(chǎn)中控制J 值在標(biāo)準(zhǔn)中值及以下， 控制外露扣。