淺談無(wú)牙痕夾持技術(shù)在深井、超深井油、套管柱中的應(yīng)用

吳立中，張建萍，肖立虎

(1.庫(kù)爾勒凱泰石油技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.江蘇省建湖縣高級(jí)技工學(xué)校 江蘇 鹽城 224700；3.建湖凱泰石油機(jī)械有限公司 江蘇 鹽城 224700)

·失效分析與預(yù)防·

淺談無(wú)牙痕夾持技術(shù)在深井、超深井油、套管柱中的應(yīng)用

吳立中1，張建萍2，肖立虎3

(1.庫(kù)爾勒凱泰石油技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.江蘇省建湖縣高級(jí)技工學(xué)校 江蘇 鹽城 224700；3.建湖凱泰石油機(jī)械有限公司 江蘇 鹽城 224700)

針對(duì)近年來(lái)油、套管失效事故頻繁發(fā)生的情況，通過(guò)對(duì)失效事故的統(tǒng)計(jì)、勘查，研究了現(xiàn)有無(wú)牙痕夾持技術(shù)對(duì)防止油、套管失效的重要作用，得出無(wú)牙痕夾持技術(shù)主要通過(guò)防止油、套管接箍夾持部位變形、咬傷及對(duì)油、套管上扣扭矩進(jìn)行精準(zhǔn)控制以提高油、套管可靠性的結(jié)論。

無(wú)牙痕夾持；油套管；咬傷；變形

1 深井、超深井管材應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)不斷深入，油氣井工況越來(lái)越復(fù)雜，深井、超深井帶來(lái)的管柱技術(shù)問(wèn)題日益凸顯。目前，塔里木油田井深基本在4 000～7 000 m，在克深區(qū)塊，井深超過(guò)7 000 m的井也并不罕見(jiàn)，且?guī)缀跞繛楦邏簹饩?。超深井的出現(xiàn)，不僅僅要求管柱材質(zhì)具有優(yōu)越的機(jī)械性能、耐腐蝕性能及螺紋接頭密封性能，同時(shí)，對(duì)油、套管柱的下井作業(yè)工藝也提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)塔里木油田世界級(jí)管柱安全可靠性問(wèn)題，在油、套管選材方面，塔里木油田均選用了來(lái)自世界著名油、套管生產(chǎn)廠家的最高級(jí)別油、套管。油管鋼級(jí)以P110為主，套管鋼級(jí)依不同井深位置采用了多級(jí)別套管，最高采用了V140、155，套管使用情況如圖1所示。盡管采用了高級(jí)別的油、套管，但在深井、超深井油、套管柱失效時(shí)有發(fā)生。自2012年至2014年，塔里木油田臺(tái)盆區(qū)僅200.3 mm套管就發(fā)生失效事故15起，損壞位置大多集中在井深5 000 m～6 000 m井段，主要失效形式為變形(包括擠毀)、斷裂(包括應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂)、泄漏、破裂(包括應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂)，給油田正常生產(chǎn)帶來(lái)了巨大損失,使用情況如圖2所示。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)失效套管勘查，套管本體局部區(qū)域存在大鉗咬傷痕跡。

圖1 近年塔里木油田使用套管情況

圖2 2012-2014年某區(qū)塊200.3 mm套管失效類型

此外，對(duì)中石化西北油田分公司塔河區(qū)塊某些井所用套管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分套管管體出現(xiàn)了大鉗咬傷痕跡，深度最大約2 mm，如圖3所示。

2 無(wú)牙痕夾持與常規(guī)夾持技術(shù)現(xiàn)狀

通常情況下，油、套管上卸扣作業(yè)采用常規(guī)液壓鉗；常規(guī)液壓鉗為了能夠達(dá)到可靠地卡緊油、套管，均采用鉗牙切入管柱的方案[2]。一般采用2塊或4塊鉗牙，每個(gè)鉗牙都有較高的硬度、較少的齒數(shù)和較短的長(zhǎng)度，這樣在每次卡緊后，都會(huì)在管柱的外表面咬出較深的牙痕，損傷管柱表面。當(dāng)鉗牙易損后極易產(chǎn)生打滑。此外，由于普通鉗牙與被夾持管柱接觸面小，在夾持力的作用下，會(huì)造成油、套管及其接箍產(chǎn)生變形，從而影響上扣扭矩。

無(wú)牙痕液壓鉗鉗頭由上蓋、主體、顎板架、坡板、滾輪、滾輪軸、卡瓦片、卡瓦座、卡瓦壓片和復(fù)位彈簧等組成。顎板架內(nèi)設(shè)有卡瓦座，卡瓦座上裝有滾輪、滾輪軸、卡瓦片、卡瓦壓片和復(fù)位彈簧；滾輪軸兩頭軸端為四方形，兩頭軸端裝在顎板架上設(shè)置的上下方槽孔內(nèi)移動(dòng)；卡瓦片裝在卡瓦座的插槽中，由單片或多片組成，卡瓦片與所卡緊管柱外徑包容，卡瓦片材料為耐磨材料；復(fù)位彈簧一端用螺釘固定在卡瓦座上，一端用螺釘固定在背鉗上蓋上。通過(guò)采用耐磨材料制成的卡瓦片，并加大管柱的接觸面積，起到既卡緊管柱且不損傷管柱的作用。

圖3 某油田井場(chǎng)取出套管管體打滑及大鉗咬傷形貌

3 無(wú)牙痕夾持對(duì)油、套管扭距控制的作用

在油氣井油套管下井過(guò)程中，采用常規(guī)夾持技術(shù)，有時(shí)會(huì)在油套管表面發(fā)生打滑現(xiàn)象，根據(jù)此種現(xiàn)象，我們對(duì)其上扣扭距曲線進(jìn)行了分析，如圖4、圖5所示。在到達(dá)臺(tái)階扭距時(shí)，扭矩曲線會(huì)因?yàn)榇蚧蝗话l(fā)生扭矩降低，隨后又急劇上升的過(guò)程。根據(jù)上扣扭矩對(duì)油、套管內(nèi)外螺紋影響可知，這種扭矩的波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響內(nèi)外螺紋嚙合效果，同時(shí)，也會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷油、套管螺紋，導(dǎo)致粘扣等。對(duì)比采用無(wú)牙痕夾持技術(shù)的扭距曲線可以看出，扭距達(dá)到最大值之前，扭矩曲線平穩(wěn)上升，在臺(tái)階碰撞時(shí)急劇上升達(dá)到最佳值，扭距加載十分平緩，有利于油、套管螺紋充分嚙合，能較好保護(hù)好螺紋絲扣。

圖4 管柱表面發(fā)生打滑扭矩曲線

圖5 管柱表面無(wú)打滑扭矩曲線

4 無(wú)牙痕夾持有利于保護(hù)油、套管內(nèi)外螺紋

根據(jù)無(wú)牙痕夾持技術(shù)特點(diǎn)可以看出，無(wú)牙痕對(duì)管柱進(jìn)行全包裹式夾持，且牙板與管柱的接觸點(diǎn)細(xì)而多，使得無(wú)牙痕對(duì)管柱進(jìn)行夾持時(shí)，呈現(xiàn)“面接觸”，而非“點(diǎn)”接觸，因而其施加給管柱夾持部位圓周方向的應(yīng)力十分均衡，不會(huì)產(chǎn)生由于夾持應(yīng)力不均而使管柱在夾持部位發(fā)生變形。應(yīng)用有限元分析可知，對(duì)于規(guī)格為139.7×7.72 mm，P110套管，當(dāng)夾持力使管柱發(fā)生0.47%橢圓度時(shí)，其圓周方向上最大可產(chǎn)生280 MPa拉應(yīng)力(外表面)和34 MPa壓應(yīng)力(內(nèi)表面)，如圖6所示。

圖6 外加應(yīng)力使管柱發(fā)生0.47%橢圓度時(shí)其內(nèi)應(yīng)力分析結(jié)果

常規(guī)夾持方法使得在油、套管夾持區(qū)域產(chǎn)生極大的受力不均，增加了夾持力最大區(qū)域的內(nèi)、外螺紋接觸力，產(chǎn)生較大摩擦力，造成螺紋粘扣、損傷時(shí)有發(fā)生。某油田套管因接箍夾持力不均使得套管內(nèi)外螺紋受損形貌如圖7所示。

圖7 某井套管內(nèi)外螺紋損傷形貌

5 無(wú)牙痕夾持可降低油、套管發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研取出管柱表面夾持處可以發(fā)現(xiàn)，部分管材出現(xiàn)了較深咬傷痕跡。根據(jù)材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂條件，在深井、超深井中，使用的管材均為高鋼級(jí)管材，對(duì)于普通鋼材，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性隨管材強(qiáng)度增高而增加，因此，深井、超深井所用的油、套管均具有較高的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。而夾持技術(shù)不適當(dāng)在管材表面出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力和咬傷痕跡等同于間接在管材表面制造了許多表面缺陷，這種表面缺陷，在深井、超深井中的高鋼級(jí)油、套管中，特別是在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境中變得十分敏感，因此，一旦在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境中服役，管材將大大增加發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。圖8為無(wú)牙痕夾持技術(shù)和普通夾持技術(shù)在同等夾持力下對(duì)管材表面損傷的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖9為某井P110油管發(fā)生的硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂失效圖片，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂起源于油、套管外表面牙板咬傷位置。

圖8 無(wú)牙痕液壓鉗和普通液壓鉗使用效果對(duì)比外表面損傷痕跡

圖9 某油田油管應(yīng)力腐蝕失效斷面宏觀和微觀形貌

6 結(jié) 論

(1)無(wú)牙痕夾持技術(shù)配備匹配的扭矩控制儀能較好地控制油田現(xiàn)場(chǎng)上扣扭矩，確保油、套管柱密封可靠；

(2)無(wú)牙痕夾持技術(shù)能夠防止油、套管表面損傷，降低在牙痕處發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 于艷艷.油管螺紋失效機(jī)理分析及液壓鉗的技術(shù)改造[D].中國(guó)石油大學(xué)北京，2007.

[2] 夏祖國(guó). 微牙痕下套管技術(shù)在川東北高含硫氣田的應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2008,36(7)：69-71.

Application of No-thread Marks Hydraulic Clamp Technique on Tubing and Casing in Deep and Ultra-deep Oil Wells

WU Lizhong1, ZHANG Jianping2, XIAO Lihu3

(1.KorlaketePetroleumTechnologyServiceCo.,Ltd.,Korla841000; 2.JianhuSeniorTechnicalSchool,Yancheng,Jiangsu224700,China;3.JianhuKetePetroleumMachineryCo.Ltd.,YanchengJiangsu224700,China)

Based on casing failure accident statistics and exploration in recent years, with no marks clamping technology by preventing skid and prevent oil casing collar clamping deformation of parts for precise control of oil casing on the make-up torque, at the same time no marks clamping technology to prevent the outer surface of tubing and casing damage, reduce the risk of stress corrosion cracking.

clamping with no marks;tubing and casing;bite;deformation

吳立中 男，1972年生，工程師，1995年畢業(yè)于鹽城工業(yè)?？茖W(xué)校。 從事油、套管現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)以及微牙痕液壓鉗、無(wú)牙痕液壓鉗、擰扣機(jī)等相關(guān)產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)制造工作。E-mail：13999011238@163.com

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2096-0077(2016)06-0049-03

2016-07-05 編輯：馬小芳)