塔里木油田特殊螺纹接头油套管评价试验及应用研究

塔里木油田井况复杂,高温、高压、超深气井占很大比例,对油、套管使用性能有特殊要求,API螺纹接头油、套管难以满足使用条件,必须使用密封性能好、连接强度高的特殊螺纹接头油、套管。依据APIRP5C5-2003(ISO13679-2002)油、套管实物试验标准,油田应当依据自己的实际工况条件选择特殊螺纹接头油、套管应用等级,并提出补充试验条件;工厂应当依据油田要求的接头应用等级推荐自己的特殊螺纹接头油、套管;实验室应当依据用户和工厂商定的接头应用等级和附加试验要求对油、套管接头进行试验。油田应当依据评价试验结果和实际使用效果选择特殊螺纹接头油、套管品种,并制定严格的特殊螺纹接头油、套管订货和验收技术标准。     

177.8mm×12.65mm V140特殊螺纹接头套管试验研究

对177.8mm×12.65mm V140型特殊螺纹接头套管材质和螺纹接头参数进行检测,对套管螺纹接头进行上卸扣试验、弯曲条件下气体内压+拉伸试验、拉伸至失效试验。试验结果表明:该种套管接箍内螺纹接头为薄弱环节,在进行实物试验过程中应当按照接箍危险截面尺寸计算试验载荷,在进行套管设计时应当按照接箍强度计算套管连接强度。建议将该种套管用于具有蠕变地层的井段,对于其他井段应采用接箍内螺纹接头与管体外螺纹接头等强度的套管。     

HSM-2型特殊螺纹套管接头设计分析

在综合考虑油田使用要求和现有机床加工能力的基础上,以计算机仿真技术为手段,分析并模拟套管接头在多种工况下的使用性能,优化特殊螺纹套管接头的结构,设计开发出一种具有自主知识产权的HSM-2特殊螺纹套管接头新结构。目前,HSM-2特殊螺纹接头已经通过了严格的评价试验,并获得了下井应用。新产品HSM-2特殊螺纹套管接头的设计开发,成功实现CAD（计算机辅助设计）—CAE（计算机辅助分析）—CAM（计算机辅助加工）的无缝衔接,降低了新产品开发成本和开发周期,可以为开发更多类似产品提供参考。     

新疆玛湖地区致密油水平井套管螺纹扣型优选

为了解决新疆玛湖地区致密油水平井下套管作业过程中的套管螺纹接头断裂失效问题，采用有限元数值模拟方法和全尺寸套管实物试验方法，对比分析了下套管作业上提–下放过程中API-LC长圆扣型和TP-G2特殊扣型套管螺纹接头的连接强度和疲劳寿命。数值模拟和试验结果表明，在相同上提拉力或下放压力作用下，TP-G2特殊扣型套管螺纹接头的应力水平明显低于API-LC长圆扣型套管螺纹接头；在相同拉伸–压缩循环交变载荷作用下，TP-G2特殊扣型套管螺纹接头的疲劳寿命约为API-LC长圆扣型套管螺纹接头的6.9倍。研究表明，新疆玛湖地区致密油水平井下套管作业时采用TP-G2特殊扣型套管螺纹接头代替API-LC长圆扣型套管螺纹接头，能够更好地满足现场下套管作业技术需求，提高作业效率。      

三种套管接头抗压缩性能研究

针对套管接头抗压缩强度问题，使用全尺寸实物试验的方法对几种不同钢级、不同螺纹形式的套管接头的抗压缩强度进行了对比试验，并借助材料力学和有限元方法对试验结果进行了分析。实物试验中出现了管体失稳和接箍跳扣两种套管接头压缩失效形式。试验结果和分析结果表明，N80、P110钢级材料的压缩屈服强度高于拉伸屈服强度；偏梯形螺纹套管接头的压缩屈服强度比同钢级、同壁厚特殊扣螺纹套管接头低6.7%～7.7%；上扣是否到位，直接影响套管接头部分的抗压缩能力，上扣不到位的特殊螺纹套管接头的抗压缩性能甚至低于偏梯形螺纹接头。同时指出，为了保证上扣质量，不应使用浮动上扣方法，管柱设计中应进行抗压缩强度设计。     

基于API RP 5C5:2017标准的特殊螺纹接头密封性能评价研究

为了更好评价油套管特殊螺纹接头的性能，分析了API RP 5C5:2017和ISO 13679:2002标准的差异，并基于API 5C5:2017标准，对某特殊螺纹接头进行了密封性能评价。结果表明:试样经过上卸扣试验均未发生粘扣现象，极限样台肩扭矩与上扣扭矩的比值为0.24~0.78；在整个复合加载试验过程中，1#~4#极限样未出现结构失效及泄漏现象，1#~5#极限样在试验过程中的保载点或失效点均超过标准要求的极限载荷，满足API RP 5C5:2017 CAL IV标准的要求。     

特殊螺纹接头油套管验收关键项目及影响因素

通过对特殊螺纹接头油、套管评价试样尺寸测量结果及试验结果进行对比分析,认为特殊螺纹接头油、套管验收的关键项目有接头密封面尺寸精度、螺纹紧密距、表面处理方式及质量等。各种表面处理层引起的接头密封直径和螺纹紧密距变化量不同,表面处理层对螺纹紧密距的影响还与螺纹本身的结构有关,表面处理方式对油、套管接头性能影响很大。     

非API标准BigOmega特殊螺纹接头连接性能数值分析

以德国非API标准的BigOmega特殊螺纹接头作为研究对象,应用有限元软件ANSYS建立计算力学模型,模拟套管柱接头行为,通过改变螺纹参数（高度、锥度等）,计算得出各扣牙相应的最大法向接触应力与最大接头Mises应力。分析螺纹参数变化对扣牙所受应力的影响规律,从而得到BigOmega接头螺纹参数的改变对套管接头连接性能的影响规律,进而为套管柱接头特殊螺纹扣型的选择提供依据,为套管柱设计提供更为有效的参考。     

新型气密封特殊螺纹接头抗旋转弯曲疲劳试验研究

套管接头在水平井下入过程中承受大量旋转-弯曲疲劳循环载荷,这种循环载荷会导致套管接头螺纹根部产生高应力,导致疲劳损伤和潜在的结构失效,从而对后续油井作业中的管柱接头密封和结构能力产生影响,因此需开展套管特殊螺纹抗旋转弯曲疲劳试验研究。基于API 5C5:2017及API TR 5SF标准,通过对某型特殊螺纹套管进行共振弯曲疲劳试验,评价该特殊螺纹接头在疲劳振动载荷下的密封性。结果显示,试验中加载频率越接近试样固有频率,振动越激烈,弯曲应力幅值越大;1#试样在内压60 MPa、弯曲度＞20°/30 m的加载条件下,累计加载循环次数54 192次后,试样完好,螺纹接头及管体未出现渗漏及破坏;2#试样在内压0.5 MPa、弯曲度＞20°/30 m的加载条件下,累计加载循环次数107 535次后,试样完好,螺纹接头及管体未出现渗漏及破坏。研究表明,该规格特殊螺纹接头在疲劳振动载荷下仍具有良好的密封性。该试验为共振弯曲疲劳试验方法和相应试验设备在特殊螺纹套管疲劳振动试验领域的深入应用提供了参考。     

地下储气库特殊螺纹套管接头密封性分析

以目前国内枯竭油气藏型地下储气库使用的特殊螺纹套管接头为研究对象,利用弹塑性有限元方法,首次建立了地下储气库运行工况下特殊螺纹接头连接的有限元数值模型,分析了不同注采工况下套管接头连接的VonMises等效应力和接触压力分布特点,并对特殊螺纹接头密封面、台肩面及螺纹面的密封性能等进行了评价分析。研究结果表明,地下储气库注气工况下套管接头的泄漏概率要大于采气工况,目前使用的特殊螺纹接头连接基本可以满足储气库安全运行需要;而对于特殊螺纹接头本身,主密封面和台肩面局部出现塑性变形,且接触压力大,是易发生泄漏的部位。     

热采井中偏梯形套管螺纹有限元分析

采用有限元方法分析了热采井中的偏梯形套管螺纹接头在不同载荷工况下的力学特性。结果认为,套管在承受轴向拉伸载荷的工况下,最大等效应力的发生区域集中在套管螺纹和接箍螺纹的两端;在套管温度升至300℃的工况下,螺纹接头已发生塑性屈服,并且塑性区域有从接头两端向接头中部发展的趋势;套管温度降至地层原始温度30℃的工况下,塑性屈服区域减小,仅局限在接头两端。在轴向拉伸载荷的工况下,最大接触压力发生在套管螺纹的第1圈,并且每圈上的接触压力分布并不是均匀的;高温载荷下,螺纹间的接触压力值和接触位置发生了改变;恢复至初始温度时,套管螺纹接触面上的接触压力增大。     

振动波在套管中衰减室内模拟试验研究

在采用钻头振动波信号进行丛式井井眼防碰监测时,通过采集经由风险邻井套管传输到地面的井底钻头振动波信号,使用相关软件分析和处理,进而预测出在钻井钻头是否趋近于风险邻井套管.为了进一步确定振动波在套管中的衰减规律,在室内试验条件下,分析了不同管径和不同接头数目对振动波在模拟井筒中衰减的影响.通过试验发现：井筒的接头数目越多,振动波的衰减越大;管径对振动波衰减的影响与力锤激发的信号的特征、井筒本身的结构尺寸以及固有频率有关.     

高钢级套管全尺寸试样堵头焊接工艺研究

为了确保高钢级套管全尺寸试样制备时套管与堵头的可靠连接,分析了高钢级套管、堵头材料的焊接性能及焊接结构,探讨并制定出高钢级套管全尺寸试样堵头焊接工艺,即采用2种焊条进行多层多道焊接,并进行焊前预热、焊后热处理的焊接工艺方法,能有效提高焊缝强度及韧性。实际应用表明,该焊接工艺能够保证焊接接头的连接强度,同时节约试验成本,可满足高钢级套管全尺寸实物评价要求。     

水泥环对套管强度影响的理论和试验研究

针对有关水泥封固质量是否对套管柱强度有帮助作用的讨论 ,采用弹性力学分析方法推导了平面应力和平面应变状态下水泥环与套管接触处的接触压力表达式 ,对水泥环分担内、外压的能力进行了计算。采用全尺寸实物试验方法对套管有无水泥环情况下的抗挤毁能力做了对比试验。分析和试验指出 ,水泥环对提高套管柱整体抗挤毁能力较之提高抗破裂能力作用更大一些 ,但封固良好的水泥环对提高套管抗挤毁能力的作用有限。如果水泥封固质量不高 ,高压介质经过短时间渗透直接作用在套管外表面 ,水泥环的卸载作用被短路 ,对提高套管抗挤强度无任何帮助 ,所以在管柱设计时不应考虑水泥环对套管强度的增强作用。     

P110钢级LC套管螺纹接头内压失效分析

为了研究LC套管螺纹接头密封性的影响因素,对某套管制造企业生产的P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管进行了了内压至失效试验。试验结果显示,当试验压力升到69 MPa保压10 min时套管无泄漏,继续升压至83.5 MPa时现场端螺纹接头出现泄漏失效,未达到API TR5C3标准对P110钢级内屈服压力要求(≥93.6 MPa)。对螺纹接头母材理化性能、螺纹接头质量控制、内外螺纹参数匹配、螺纹脂等影响因素的分析表明,上扣扭矩值过小及内外螺纹参数不匹配是本次螺纹接头泄漏的主要原因,最后提出了防止螺纹接头泄漏失效的措施。     

磨损对套管接头拉伸与内压强度的影响

采用弹塑性有限元方法 ,建立了套管接头磨损拉伸与抗内压的有限元力学模型。对套管接头处内壁不同磨损量时的抗内压强度和抗拉强度进行了计算分析 ,得出了磨损量与套管接头抗内压系数的定量数据和磨损量与套管接头抗拉系数的定量数据。同时 ,在不同磨损量下 ,分析了套管接头内VonMises应力和套管接头内的变形 ,所得出的抗内压强度系数kp和抗拉强度系数kt为磨损套管柱的强度设计和校核提供了定量的理论数据。     

热采水平井套管补贴加固工具研制与应用

由于热采水平井的井身结构所限和高温注气生产要求,传统的应用于常温的套损修复技术已经不能适用于热采水平井套管补贴加固的技术要求。针对上述问题,研制了一种适用于热采水平井的套管补贴加固工具,该工具利用液压提供动力,采用金属密封胀头配合加固管进行套管破损位置的修复,具有成本低、实施简单可靠、悬挂力大、密封耐压和耐温高等优点。该工具有效解决了热采水平井生产中后期所产生的套损问题,并在现场应用中取得了很好的效果。     

注气欠平衡钻水平井的新技术

通过对注气欠平衡钻水平井的新技术研究,我国基本形成了一套实用有效的注气欠平衡钻水平井的成套技术,可用于解决注气欠平衡钻水平井技术的特殊难题。新技术关键有3方面：①新型双层注气套管头,能够实现临时套管的悬挂、固定与回收和连通注气通道。②借鉴国外钻井的成功经验,结合国内套管、钻头及钻井设备的实际情况,研究出2种3个方案的合理井身结构。③设计了气液旋流混合短节、防挂坡口套管鞋、耐磨套管短节、防倒扣旋转装置等临时套管柱下部固定结构。为全面满足注气欠平衡钻水平井新技术的要求,初步拟定了配套的钻井工艺。图2表2参4     

全尺寸外压挤毁试验“异常”结果分析

根据弹性失稳理论,套管实际外压挤毁强度不应超过理论上的计算弹性失稳外压,但在试验中发现,有些套管试样的全尺寸外压挤毁试验结果大于平均外径与壁厚计算的弹性失稳外压。分析了其中一个批次套管的材料力学性能和几何尺寸,并利用有限元方法进行了模拟研究,找出了外压挤毁试验"异常"结果的主要原因是套管最大外径位置附近的壁厚是同一横截面上的最大或较大值。研究结果为生产中提高套管的抗挤毁强度提供了指导。     

超声波套损检测室内试验研究

油田套损井数量居高不下,井筒质量问题突出,严重影响了油气井的高质量开发。鉴于此,通过对存储式电池仓、数据存储与控制短节、电子仪短节、声系短节和扶正器短节的综合研发,研制了超声波套损检测仪器;结合超声波测量原理和超声波柱面成像,开发了超声成像解释技术。在此基础上,利用超声波套损检测仪器对射孔孔眼套管和变形套管进行了室内模拟试验,研究了超声波套损检测仪器成像效果。研究结果表明:研制的超声波套损检测仪器可以对射孔孔眼和变形套管进行检测,仪器声波幅度、声波到时图像和三维柱状图像稳定可靠,提升了套损形态精准检测能力;该仪器可对射孔孔眼的大小、位置和角度等信息进行精准解释,针对外径139.7 mm、内径114.3 mm套管的检测精度可以达到1.14 mm;该仪器可对变形套管的变形程度和方位信息进行精准解释,通过4种解释结果得到套管最小内径为90.0 mm,挤压变形的方位为105°。研究成果验证了仪器的可靠性和测量精度,对仪器的现场实际应用具有重要意义。