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7-5/8 in 超高强度直连型石油套管的开发 李恒政， 卢小庆， 扈立， 王正， 张旭 （天津钢管集团股份有限公司技术中心， 天津 300301） [摘要]根据超深复杂井身结构设计的需要， 开发了 7-5/8 in 超高强度直连型石油套管。通过合理钢种设计及工 艺控制， 使得套管在超高强度下具有良好的韧性； 良好的材料性能及螺纹密封面的设计， 解决了直连型套管连接强 度和密封性能的问题。 试验结果表明， 7-5/8 in 超高强度直连型石油套管不仅具有超高的抗挤毁能力， 还具有良好的 连接强度及密封性能， 适用于特殊井身结构的盐层段。 [关键词]石油套管； 直连型； 连接强度； 密封性能； 抗挤毁性能 Development of 7-5/8 inch Super High Strength Joint Oil Casing LI Heng-zheng, LU Xiao-qing, HU Li, WANG Zheng and ZHANG Xu Technology Center of Tianjin Pipe [Group] Corporation, Tianjin 300301, China AbstractAccording to the design requirement by super deep well structure, 7-5/8 inch super high strength joint oil casing was developed. Through reasonable steel grade design and process con原 trol, the said casing possessed excellent toughness under super high strength. Good material properties and thread sealing surface design solved the problem in the joint strength and sealing perance of direct-connected oil casing. Test results showed that 7-5/8 in ultra high strength joint oil casing, with super high anti-collapse strength and excellent joint strength and sealing perance, was suit原 able for application at the salt bed of special well structure. Key wordsoil casing; joint; joint strength; sealing perance; anti-collapse perance 收稿日期 2013-09-15修回日期 2013-10-12 作者简介 李恒政 （1980） ， 男， 硕士， 工程师， 主要从事油井管开发 方面的研究工作。 1引言 我国西部油田地质条件复杂，油气埋藏深， 地 层压力高， 压力系统多， 勘探开发的难度大。 许多井 在钻达目的层前要钻穿多套压力及岩性不同的地 层， 经常遇到井漏、 井喷、 缩颈等情况的发生， 此时 往往需要下入套管封固， 增加套管层次， 增加套管 层次会导致下部井眼过小，给后期施工带来困难， 有可能钻不到目的层造成井眼报废。 因此在复杂地 质环境下， 常规的井身结构设计方法已经不能满足 勘探开发的需要， 随着技术的发展， 非常规井身结 构设计方法逐渐得到推广应用。 非常规井身结构设计需要特殊的套管与其配 套， 7-5/8in 超高强度直连型石油套管是根据西部 油田超深井非常规井身结构专门设计一种特殊套 管，该套管螺纹连接采用了内外齐平的无接箍设 计， 在非常规井身结构设计中有较好的应用。 2石油套管设计思路 我国西部深井、超深井常规井身结构一般为 20 in伊13.375 in伊9.625 in伊7 in伊5 in, 使用的套管基 本上是带接箍的套管,当深部有高压盐层需要封堵 时,即可以采用 7-5/8 in 超高强度直连型石油套管 取代第四层的 7 in 套管， 以达到井身结构优化的目 的。7-5/8 in 超高强度直连型石油套管在管体上直 接加工公、 母螺纹， 套管连接处内外齐平， 管体可以 采用大厚壁高强度材质设计， 使其具有超高的抗外 挤毁能力， 达到封堵盐层的效果； 没有接箍的端面， 大大减少套管与井壁的阻力， 便于下套管[1]。 但直连 型石油套管由于是在管体上直接加工公、母螺纹， 实际设计中需要解决的主要问题是螺纹的密封性 和连接效率， 7-5/8 in 超高强度直连型石油套管采 用大壁厚高强度的材质， 螺纹设计采用不容易造成 滑脱的梯形扣设计， 同时增加金属密封面， 很好的 解决了螺纹的密封性及连接强度问题。 〈 产 品 开 发 〉 7-5/8 in 超高强度直连型石油套管的开发 doi 10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.002 5-- 图 1直连型石油套管整管拉伸试验 图 2整管拉伸断口形貌 根据超高强度石油套管的开发经验， 合理设计 钢种； 通过高真空纯净钢冶炼， 有效控制钢的化学 成分、 夹杂物形态及有害元素的含量； 高精度轧制 后进行调质工艺处理， 使其形成细小均匀的回火索 氏体组织。 通过合理的设计及有效的工艺控制使套 管的强韧性得到良好的匹配。 4套管的使用性能 4.1套管的连接强度 套管连接强度计算需考虑管体屈服强度、 螺纹 连接强度及公、 母端危险截面处的连接强度， 其最 小值确定套管最终的连接强度。公、 母端危险截面 处的连接强度由公、 母端危险截面积决定， 通常是 螺纹根本的退刀槽处。7-5/8 in 超高强度直连型石 油套管是在管体上直接加工公、 母螺纹， 螺纹参数 是特殊设计的梯形扣， 正常情况下螺纹连接强度大 于管体屈服强度， 而管体屈服强度远大于公、 母端 危险截面处的连接强度。 根据屈服强度公式[5-6]可以 计算出 7-5/8 in 超高强度直连型石油套管管体屈 服强度；按套管名义尺寸计算出套管管体截面积 Ap， 按照 7 5/8 in 超高强度直连型石油套管螺纹设 计图纸计算出母端危险截面积 Ac-box 及公端危险 截面积 Ac-pin，可以得出母端危险截面积 Ac-box 最小， 因此母端危险截面处的连接强度是最小连接 强度， 最小连接强度理论计算值为 6 133 kN。 随机抽取一对带公母螺纹的 7-5/8in 超高强度 直连型石油套管，按设计的标准扭矩上扣后在整管 拉伸试验设备上， 进行整管拉伸试验， 当拉力达到 1 800 kips， 约 8 001 kN 时， 套管从母端螺纹根部的 退刀槽处断裂， 如图 1、 图 2 所示。 整管拉伸试验结果进一步说明 7-5/8 in 超高 强度直连型石油套管连接强度的薄弱点在母端螺 纹的危险截面处， 此处的连接强度即整根套管的连 接强度， 试验结果与设计一致； 且套管的实际连接 强度超过理论计算值 30.46，完全满足管柱设计 对套管连接强度的需要。 整管拉伸断口成 45毅， 断口 处有明显的缩颈， 这进一步说明套管的材质具有良 好的韧性。 4.2 套管的密封性能 API 螺纹由于结构上的缺陷， 不论是 API 圆螺 纹， 还是 API 偏梯形螺纹都存在泄露通道， 螺纹密 封性能差， 国内外厂家设计了大量具有密封功能的 特殊螺纹， 对螺纹的密封设计进行多方面研究[7-10]。 7-5/8 in 超高强度直连型石油套管螺纹采用金属- 金属的密封面设计， 通过控制密封面的密封直径使 得螺纹连接后有合适的过盈量， 使其具有良好的密 封性能。按照设计， 7-5/8 in 超高强度直连型石油 3套管的材料性能 国内外油田高强度套管发生失效的案例较多， 资料研究表明[2-4]， 高强度套管主要的失效形式是套 管的冲击韧性偏低造成的脆性开裂。因此,高强度 套管材质设计要充分考虑材料的强韧性匹配， 保证 套管高强度的同时具有良好的韧性， 7-5/8 in 超高 强度直连型石油套管材料性能设计指标如表 1 所 示。 表 17-5/8 in 直连型石油套管材料性能设计指标 外径壁厚扣型拉伸性能冲击性能 （夏比 V 型缺口， 0℃） D/mm t/mm 屈服强度 Rt0.7/MPa抗拉强度 Rm/MPa 延伸率 /横向 10 mm10 mm纵向 10 mm10 mm 193.6819.05TP-FJ1 068～1 172≥1 138166080 〈 产 品 开 发 〉 6-- 套管螺纹密封效率为管体内屈服压力的 60， 由内 屈服公式[5-6]， 可以计算出 7-5/8 in 超高强度直连型 石油套管内屈服压力为 183.8 MPa，因此理论设计 螺纹密封压力为 110.3 MPa。 随机取样， 按标准扭矩经过两次卸扣三次上扣 后进行密封试验， 试验结果如表 2 所示。 试验步骤 内压力 试验温度 /℃保持时间 /min结果评定 MPapsi （1psi6.895 kPa） 1110.315 990室温30 试验过程螺纹 连接处无泄漏 200室温0 3128.618 647室温30 400室温0 5137.819 980室温30 600室温0 表 27-5/8in 直连型石油套管密封试验 试验结果表明 7-5/8 in 超高强度直连型石油 套管当压力达到内屈服压力 75时螺纹连接处无 泄漏， 其密封性能达到了设计的要求。 4.3套管的抗挤毁性能 7-5/8 in 超高强度直连型石油套管属于屈服 强度挤毁， 影响其抗挤毁性能的主要因素是材料的 屈服强度、 外径与壁厚的比值； 套管设计时充分考 虑了这两方面对挤毁性能的影响， 从理论设计方面 该套管就应具有超高的抗挤毁能力， 根据挤毁强度 公式[5-6]计算， 理论值为 189.4 MPa。 随机取样， 进行抗挤毁性能试验， 当压力达到 218.2 MPa 时试样挤毁，实际试验值高出理论计算 值 15， 说明该套管具有超高的抗挤毁能力， 具有 封堵高压盐层的能力。 5应用情况 西部油田地质条件复杂， 许多油气井中深部都 存在多处蠕动盐层，需要特殊石油套管封堵盐层。 常规的井身结构设计无法满足油田勘探开采的需 要， 随着技术的进步出现越来越多的非常规井身结 构设计， 7-5/8 in 超高强度直连型石油套管的开发 为井身结构设计提供一种选择。套管开发成功后， 陆续在中石油西南油气田分公司、塔里木油田、 中 石化西北等油田的部分非常规井身结构设计中得 到应用。 6结论 （1） 套管螺纹连接采用内外齐平的直连型设计， 增大了环空间隙， 有利于提高固井质量； 同时便于 套管下井。 （2） 套管采用超高钢级的材质， 通过合理设计 及工艺控制， 在高强度的情况下， 保证套管的韧性； 使强度与韧性得到良好的匹配。 （3） 通过提高强度与壁厚， 使套管具有超高的 抗挤毁能力， 达到封堵高压盐层的目的。 （4） 通过设计解决了直连型螺纹连接强度及密 封性能的问题，套管具备优良的连接强度和密封性 能， 可以满足管柱设计对连接强度和密封性能要求。 参考文献 [1]史交齐， 高连新， 赵克枫， 等.论无接箍式套管的性能， 评价及应 用[J].石油钻采工艺， 1998， 20 （5） 30-37. 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