177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑優(yōu)化設計試驗研究

耿海龍，呂拴錄，2，李東風，韓 軍，楊 鵬

(1.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油大學材料科學與工程學院 北京 102249；3.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

·試驗研究·

177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑優(yōu)化設計試驗研究

耿海龍1，呂拴錄1，2，李東風3，韓 軍3，楊 鵬3

(1.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油大學材料科學與工程學院 北京 102249；3.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

對177.80 mm套管采用不同接箍外徑對油田使用方面的影響進行了調查研究，按照API Spec 5CT—2005第8版和API Spec 5CT—2011第9版規(guī)定的套管接箍外徑，對177.80 mm 110 BC套管強度分別進行了計算分析，認為API Spec 5CT—2011第9版增大177.80 mm套管接箍外徑的原因是為了保證油田常用的幾種厚壁套管的接頭連接強度和抗內壓強度。通過實物驗證試驗證實：如果采用API Spec 5CT—2005第8版規(guī)定的接箍外徑，油田常用的幾種177.80 mm特殊螺紋接頭厚壁套管薄弱環(huán)節(jié)仍然在接箍部位。建議177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑按照API Spec 5CT—2011第9版標準執(zhí)行。

套管；特殊螺紋接頭；連接強度；抗內壓強度

0 引 言

接箍式套管強度設計原則是既要保證套管連接強度和密封性能，又要保證井眼有足夠的間隙。177.80 mm套管一般下入215.9 mm井眼，井眼與套管管體之間的雙邊間隙為38.1 mm。接箍與井眼之間的間隙取決于接箍外徑，接箍外徑越小，接箍與井眼之間的間隙越大，有利于保證固井質量，但無法保證接箍與套管管體等強度；接箍外徑越大，接箍與井眼之間的間隙越小，不利于保證固井質量，但可以保證接箍與套管管體等強度。

API Spec 5CT—2005第8版規(guī)定，177.80 mm套管接箍外徑為194.46 mm，API Spec 5CT—2011第9版將177.80 mm套管接箍外徑改為200.03 mm。

特殊螺紋接頭套管是在API套管基礎上研發(fā)的，177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑是否應依據API Spec 5CT最新標準執(zhí)行，這是油田用戶和生產廠爭論多年的問題。生產廠認為特殊螺紋接頭套管為自己的專利產品，接箍外徑由工廠自己決定，不應執(zhí)行API Spec 5CT最新標準。用戶認為現(xiàn)有177.80 mm特殊螺紋接頭套管是按照API Spec 5CT—2005標準確定的，接箍外徑偏小，接箍為薄弱環(huán)節(jié)。

因此，解析API Spec 5CT標準中177.80 mm套管接箍外徑變化的原因，研究177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑設計，對于保證套管強度很有必要，也十分迫切。

1 API 177.80 mm套管接箍外徑變化解析

按照API Spec 5CT—2005第8版規(guī)定的177.80 mm套管接箍外徑(194.46 mm)和API Spec 5CT—2011第9版規(guī)定的177.80 mm套管接箍外徑(200.03 mm)，對177.80 mm 110 BC套管強度計算結果見表1。

表1 各種壁厚不同接箍外徑177.80 mm P110 BC套管強度計算結果

從表1計算結果可得出如下結論：

1)按照API Spec 5CT—2005第8版規(guī)定(接箍外徑為194.46 mm)計算，177.80 mm P110 BC套管，壁厚為5.87～11.51 mm時套管接頭抗拉強度高于管體，壁厚為12.65～22.22 mm時套管接頭抗拉強度低于管體；壁厚為5.87～11.51 mm時套管內屈服壓力隨著壁厚增加而增大，壁厚為12.65～22.22 mm時套管內屈服壓力保持不變。這說明套管壁厚≥12.65 mm時接箍為薄弱環(huán)節(jié)。

2)按照API Spec 5CT—2011第9版規(guī)定(接箍外徑為200.03 mm)計算，177.80 mm P110 BC套管，壁厚為5.87～15.88 mm時套管接頭抗拉強度高于管體，壁厚為17.45～22.22 mm時套管接頭抗拉強度低于管體；壁厚為5.87～13.72 mm時套管內屈服壓力隨著壁厚增加而增加，壁厚為15.88～22.22 mm時套管內屈服壓力保持不變。這說明套管壁厚為17.45～22.22 mm時在拉伸載荷作用下接箍為薄弱環(huán)節(jié)，壁厚為15.88～22.22 mm時在內壓作用下接箍為薄弱環(huán)節(jié)。

3)API Spec 5CT—2011第9版將接箍外徑改為200.03 mm后可以保證油田常用的壁厚為12.65～15.88 mm的177.80 mm套管接頭連接強度和抗內壓強度。

4)套管抗擠強度不隨接箍外徑變化而變化。

2 177.80 mm×12.65 mm 140 特殊螺紋接頭套管實物試驗

2.1 試樣

試樣為177.80 mm×12.65 mm 140 特殊螺紋接頭套管，接箍名義外徑194.46 mm。

2.2 試驗項目及流程

試驗項目及流程見圖1。

圖1 特殊螺紋接頭套管試驗項目及流程

2.3 試驗結果

2.3.1 材料性能檢測結果

1)化學成分

化學成分分析結果見表1。

2)拉伸試驗

拉伸試驗結果見表2。

表1 化學成分分析結果(質量分數) %

表2 拉伸試驗結果

3)沖擊試驗

沖擊性能試驗結果見表3。

4)硬度試驗

硬度試驗結果見表4。

5)金相分析

家里一個吊扇正哐當哐當地轉著，葉之容在吊扇下的躺椅上打盹。她輕手輕腳順著梯子爬到了閣樓上，可吱吱呀呀的閣樓樓板的響聲還是驚醒了葉之容，他在下面喊了聲：“開空調！別舍不得電！”

金相分析結果見表5。

2.3.2 實物試驗結果

1)螺紋參數及幾何尺寸檢測

外螺紋接頭參數檢測結果見表6，內螺紋接頭參數檢測結果見表7。

表3 沖擊性能試驗結果

2)上、卸扣試驗

上、卸扣試驗結果表明，套管螺紋接頭沒有發(fā)生粘扣。

3)內壓及拉伸試驗

內壓及拉伸試驗結果見表8。

表4 硬度試驗結果(HRC)

表5 金相分析結果

表6 外螺紋接頭參數檢測結果

表7 內螺紋接頭參數檢測結果

表8 內壓及拉伸試驗結果

3 分析討論

套管在使用過程中發(fā)生失效的位置反映了在一定工況條件下套管的薄弱環(huán)節(jié)[1-3]。套管在實驗室試驗至失效后破壞位置反映了試驗條件下套管的薄弱環(huán)節(jié)[4-7]。通過失效分析和試驗研究找到套管薄弱環(huán)節(jié)進行改進可以提高套管質量。

1)177.80 mm×12.65 mm 140 BC套管工廠連接端套管抗內壓(水)強度為138 MPa。

2)177.80 mm×12.65 mm 140 BC套管在水壓試驗過程中，從工廠連接端滑脫的主要原因是螺紋密封失效，高壓水進入內外螺紋配合間隙處，在接箍內表面形成徑向載荷。由于接箍承載能力低于管體，接箍首先脹大變形，最后發(fā)生了接頭滑脫。

3)177.80 mm×12.65 mm 140套管屬厚壁套管，薄弱環(huán)節(jié)在接箍上，適用于要求抗擠強度高的井底蠕變地層。在深井、超深井選用該種套管時，應以接箍強度為設計依據。

文獻[9]通過實物試驗得出如下結論：

1)177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管接箍(外徑193.68 mm)為薄弱環(huán)節(jié)，應當按照接箍危險截面尺寸計算試驗載荷，按照接箍強度進行套管柱設計。

2)對于存在蠕變地層的井段采用177.80 mm×12.65 mm 140套管(接箍外徑193.68 mm)，對于其他井段采用接箍內螺紋接頭與管體等強度的套管。

API Spec 5CT—2011第九版將177.80 mm套管接箍外徑改為200.03 mm之后，保證了油田常用的177.80 mm套管(壁厚為12.65～15.88 mm)接頭連接強度和抗內壓強度。API Spec 5CT—2011第九版標準自發(fā)布日期使用至今，油田在固井過程中沒有發(fā)生問題，已經取得了很好的使用效果。

按照API Spec 5CT—2011第九版規(guī)定，對于壁厚為17.45～22.22 mm的177.80 mm API套管，在拉伸載荷作用下接箍仍然為薄弱環(huán)節(jié)；對于壁厚為15.88～22.22 mm的177.80 mm套管，在內壓作用下接箍仍然為薄弱環(huán)節(jié)。如果要選用這些套管，應當以接箍拉伸強度和抗內壓強度進行套管設計。

本次試驗結果表明，177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管(接箍名義外徑194.46 mm)，在實物試驗過程中接頭首先發(fā)生失效，接箍為薄弱環(huán)節(jié)。特殊螺紋接頭雖然為各廠家的專利產品，但是按照API Spec 5CT—2011第九版將177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑改為200.03 mm之后可以增加接箍壁厚，保證油田常用的177.80 mm特殊螺紋套管(壁厚為12.65～15.88 mm)接頭連接強度和抗內壓強度。

按照API Spec 5CT—2011第九版規(guī)定，對于壁厚為17.45～22.22 mm的177.80 mm特殊螺紋接頭套管，在拉伸載荷作用下接箍仍然為薄弱環(huán)節(jié)；對于壁厚為15.88～22.22 mm的177.80 mm特殊螺紋接頭套管，在內壓作用下接箍仍然為薄弱環(huán)節(jié)。在井眼尺寸一定的情況下，如果要選用這些套管，應當以接箍拉伸強度和抗內壓強度進行套管設計；如果井眼尺寸允許，若要求保證這些套管拉伸強度和抗內壓強度與管體匹配，可以適當增加接箍外徑。

4 結 論

1)對于177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管，如果采用API Spec 5CT—2005第八版規(guī)定的接箍外徑，接箍為薄弱環(huán)節(jié)。

2)按照API Spec 5CT—2011第九版將177.80 mm特殊螺紋接頭套管接箍外徑改為200.03 mm之后可以增加接箍壁厚，保證油田常用的177.80 mm特殊螺紋接頭套管(壁厚為12.65～15.88 mm)接頭連接強度和抗內壓強度。

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《石油管材與儀器》編輯部

Test Study on Optimal Design of Coupling Outer Diameter for177.80 mm Casing with Premium Connection

GENG Hailong1, LYU Shuanlu1,2, LI Dongfeng3, HAN Jun3, YANG Peng3

(1.TarimOilField,Korla,Xingjiang841000,China；2.MaterialScienceandEngineeringDepartment,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；3.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077，China)

This paper gives an investigation on application of 177.80 mm casing with different coupling outer diameter in the oil field. It was considered that the reason why the coupling diameter of 177.80 mm casing was increased in API Spec 5CT-2011 9this to guarantee tension joint strength and internal yield pressure for several 177.80 mm casing with thick wall per calculating tension joint strength and internal yield pressure in accordance with API Spec 5CT-2005 8thand API Spec 5CT-2011 9threspectively. It is verified through the full-size test: the weak linking point is still at coupling for several kinds of 177.80 mm premium connection casing with thick wall frequently-used in oil field in accordance with API Spec 5CT-2005 8th. It was suggested that the coupling diameter of 177.80 mm casing with premium connection should be in accordance with API Spec 5CT-2011 9th.

casing； premium connection; tension joint strength; internal yield pressure

耿海龍，男，1982年生，工程師，2006年畢業(yè)于西安石油大學石油工程工作，獲學士學位，現(xiàn)主要從事石油工程專業(yè)。E-mail：genghailong-tlm@petrochina.com.cn

TE931.2

A

2096-0077(2017)02-0038-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.009

2016-09-07 編輯：屈憶欣)