TP-CQ特殊螺紋套管結構設計及其下套管技術

劉 鵬

（中國石化 華東鉆井新疆指揮所裝備部，新疆 輪臺841600）

隨著石油工業的發展，尤其是深井、超深井、高壓氣井、定向井的開發以及高含硫（CO2等腐蝕氣體）氣井的開采，對石油套管的使用性能提出了更高的要求。具有API標準螺紋連接（如短、長圓螺紋和偏梯形螺紋）的油、套管在許多情況下難以滿足生產需求［1－2］。因此，國內外相繼開發出 VAM-TOP、MUST、TP-CQ等特殊螺紋連接，這些特殊螺紋連接具有較好的抗粘扣性能、可靠的氣密封性能及較高的連接強度。本文就TP-CQ特殊螺紋套管結構及其下套管技術進行重點分析。

1 技術分析

TP-CQ螺紋套管是天津鋼管有限責任公司與長慶油田、西安石油管材研究所等單位合作開發出的具有自主知識產權的金屬氣密封套管［3］。

1.1 結構設計

TP-CQ螺紋套管接頭由螺紋和錐形密封面組成，螺紋齒形是API偏梯形螺紋的改進型，過盈的密封面提供氣密封性能，其結構如圖1所示。

圖1 TP-CQ螺紋結構

1） 螺紋設計 API偏梯形螺紋接頭具有高的連接強度，特殊螺紋接頭的牙型大多仍采用API偏梯形螺紋。為了消除接頭擰緊后堆積在接頭內的螺紋密封脂，對母螺紋作了改進，確定了合理的螺紋過盈量，保證接頭在腐蝕環境中安全可靠。

2） 密封面設計 當密封面有間隙時，無論密封面接觸壓力多高，氣體都會通過間隙泄漏出去。特殊螺紋連接主要設計為高氣密性的接頭，要求密封面接觸壓力要高、接觸面要寬，采用寬接觸面積的錐形密封面，并選擇了合理的密封過盈量。合理的密封過盈量保證了接頭反復上卸時，密封面不發生粘扣；同時設計成負角度的轉矩臺肩，由于楔形作用，增加了接頭的密封能力。

1.2 主要技術參數

規格范圍 ?114.3～?244.5mm

材料 碳鋼及低合金鋼

鋼級 API系列鋼級＋TP系列鋼級

每英寸牙數 5

導入面角度 10°

承載面角度 3°

螺紋錐度 1∶16

抗粘扣處理 接箍磷化或鍍銅

1.3 性能特點［4－5］

1） 密封性能 滿足高壓（高含硫）氣井的使用要求，在軸向拉伸、內壓和溫度熱循環的載荷條件下，不發生泄漏。

2） 抗H2S應力腐蝕能力 接頭設計為低應力型式的，保證接頭在腐蝕環境下不發生失效。

3） 連接強度 具有不低于管體屈服強度的接頭連接強度，適用于深井和超深井。

4） 其他性能 接頭具有良好的抗粘扣性能。

2 下套管前

2.1 套管在井場的存放

所有的套管其螺紋部分應一直戴上護絲。任何時候套管都應放在無石頭、沙子或污泥（正常鉆井泥漿除外）的臺架上。若不慎把套管拖入泥土中應重新清洗螺紋。

2.2 準備工作和設備

首先檢查轉換短節、安全短節、浮鞋、浮箍、懸掛器等所有的附件。由于這些附件來自不同的制造廠家，應仔細檢查附件上加工的螺紋是否符合管柱設計要求。

2.2.1 卡瓦及吊卡

對于長管柱，推薦使用卡瓦式吊卡，卡盤和卡瓦應保持清潔，沒有損傷，并配合適當。對重套管柱，應使用超長卡瓦，卡盤平面必須保持水平。

2.2.2 對扣器

對扣器在公端下放進入母端時提供導向，應堅持使用對扣器，并在下套管前檢查對扣器與套管外徑是否相配及橡膠塊的狀態。

2.2.3 鼠洞

如需要在鼠洞內存放套管，應清理鼠洞或更換另一干凈的鼠洞，其內應無泥漿和沙子。鼠洞內泥漿、沙子及其他污物或雜物一旦污染螺紋且清洗不干凈，將對螺紋、密封面、轉矩等造成影響。

2.3 液壓動力鉗的安裝及轉矩修正

推薦使用帶背鉗的液壓大鉗，其狀態應完好，卡爪應與套管的外徑相配。液壓大鉗應可控制轉速，并應能夠以最小5r／min的轉速操作。上扣轉矩必須能夠準確地檢測和控制，轉矩測量裝置應經過校驗并在檢定的周期內。拉力傳感器的拉繩應與大鉗的力臂成90°，如果拉繩不能安裝成與大鉗力臂成90°，上扣轉矩的示值相應地進行修正。大鉗及拉力傳感器的安裝如圖2所示，拉繩角度及轉矩修正系數如表2。

圖2 大鉗及拉力傳感器的安裝

表2 拉繩角度及轉矩修正系數

3 現場套管準備

3.1 通徑

下套管前每支套管應進行全長通徑，通徑頭的外徑應符合API標準的要求或用戶的特殊要求。通徑前應保證套管的內表面干凈、無異物，向管內放入及從管子里拉出通徑頭時應小心。通徑時應將通徑頭放入母端，由母端向公端進行通徑，以避免損傷螺紋、密封面及臺肩。標準通徑頭最小尺寸如表3，如下部鉆進需特殊鉆頭尺寸，可按“特殊通徑”要求進行通徑。

表3 API SPEC 5CT標準通徑頭最小尺寸

3.2 套管長度的測量

下套管前應測量每根套管的長度，應從接箍端面測量到公端密封面鼻端。常用套管損失長度測量如圖3所示。

圖3 常用套管損失長度測量示意

則由圖3可得

每根套管有效長度（LE）＝

全長（LT）－進扣長度（ML）

金屬密封套管的進扣長度如表4所示。

表4 TP-CQ螺紋金屬密封套管進扣長度

3.3 清洗

1） 必須保證上扣時螺紋及密封面上無堅硬的異物。

2） 應在使用前清洗螺紋。卸下公、母螺紋的護絲，用適當的方法（例如：非金屬的刷子和蒸汽或不含氯快干溶劑）清洗螺紋油或儲存脂。應確保清洗不造成環境污染。

3） 檢查并清理管子內部，防止異物在套管對扣下放時落入接箍。如有壓縮空氣，應從母端向公端吹掃管子內部。

4） 清洗并擦干護絲。

3.4 外觀檢查及吊運

1） 在鉆臺上扣前，應在管架上對所有的螺紋進行目視外觀檢查，如有損傷應剔除。

2） 管子吊運至鉆臺時，應始終戴上護絲。

3） 每根套管在管架應小心地下放或滾動到走臺上，不得拋擲。要避免套管碰撞井架或其他設備的任何部位，在井架大門處應備有緩沖（擋）繩。

3.5 耐腐蝕管使用要求

1） 使用尼龍吊帶吊送套管。

2） 盡可能將管子保持在包裝架內，直到最后下井前才應放到準備作業架上，在任何有可能與金屬接觸的地方使用墊料，包括運輸和處置的全過程。

3） 使用無金屬通徑規 （高合金管）。

4） 在移動管子時，確認護絲干凈并妥善安裝在管子上。

5） 確保所有起出／剩余的管子是被安放在原始包裝架上。

4 下套管

4.1 鉆臺上的操作

將套管提升到垂直的位置，卸下護絲，擦干凈并檢查螺紋，保證螺紋及密封端面無損傷并已清洗干凈。

4.2 涂套管密封脂

套管公、母螺紋清洗干凈后，將母扣螺紋擦干，在場地上把套管密封脂均勻涂抹在母螺紋上，涂上螺紋脂后應可見螺紋的輪廓。用于涂抹螺紋脂的刷子或用具不得有異物；同時螺紋脂不能稀釋，推薦使用API Bul 5A3《螺紋脂通報》最新版本中規定的經過改進的高壓螺紋脂，或使用用戶指定的具有固化密封功能的特殊螺紋脂（如Cast101）。

4.3 對扣與上緊

套管上扣時按“對扣→引扣→進扣→緊扣”工序進行，高速進扣、低速緊扣，嚴格控制上扣轉速，高速時小于15r／min，低速時小于5r／min，套管上扣質量以轉矩和進扣長度兩者控制，轉矩值達到最佳值。

1） 在對扣時使用對扣器幫助對扣，應小心下放套管，以免損傷螺紋和密封面。

2） 應垂直對扣，條件允許情況下最好有人站在套管扶正臺上幫助進行。

3） 若對扣后套管向一側傾斜，則應提起來檢查。如發現螺紋損傷，應清洗，用銼刀和油石修理，然后仔細清除任何挫屑，重新涂上螺紋脂。

4） 在對好扣后，應首先用帶鉗或緩慢地轉動套管，以保證螺紋正常嚙合，不發生錯扣。

5） 上扣轉矩應符合廠家推薦的轉矩范圍，TP-CQ特殊螺紋套管在公端打印有三角形標記，當未見明顯對頂時，可通過三角形標記來判斷上扣是否到位。金屬密封螺紋套管典型的上扣轉矩曲線如圖4。

圖4 金屬密封螺紋套管典型上扣轉矩曲線

4.4 套管的下放

以適當的速度下放或提升套管，避免沖擊壓力和抽吸，套管下放接近轉盤時應減速。在直井段下放速度控制在20～30s／根，斜井段下放速度控制在30～60s／根，水平段下放速度控制在90～120s／根。

4.5 灌泥漿和循環泥漿及連接

1） 根據下套管前的實際鉆井液密度灌漿，管內外壓差取5MPa。

2） 下套管期間若要循環泥漿，需要使用泥漿循環接頭（建議將循環接頭的密封端面去掉，以免損壞接箍螺紋和密封面）。將泥漿循環接頭與套管接箍適當連接，然后再將方鉆桿與泥漿循環接頭連接。

3） 應指定專人觀察泥漿出口，隨時報告出口返漿情況，及時發現井漏、井涌及其他異常情況。

5 結語

傳統API螺紋存在密封性和抗拉強度等問題，其氣密封性能很差，對于含有H2S、CO2和CI－等的井不適應。TP-CQ特殊螺紋套管能有效克服這些缺點，因其具有較好的抗粘扣性能、可靠的氣密封性能及較高的連接強度等特點，主要應用于傳統API螺紋不適應的井位，在油田市場具有廣泛的應用推廣價值，其經濟和社會效益顯著，對滿足油氣田需求、降低油田開發成本具有重要的意義。

［1］ 付 彧，齊國權，衛遵義，等.特殊螺紋油套管設計及國內產品現狀［J］.石油礦場機械，2012，42（10）：72-76.

［2］ 衛 棟，易曉明，豐振軍.非API螺紋特點及檢測相關性探討［J］.石油礦場機械，2012，42（3）：13-18.

［3］ 天津鋼管集團股份有限公司.TP-CO套管現場安全使用服務手冊［K］.2006.

［4］ 雷齊松，李 振，劉 洋，等.特殊螺紋套管的結構及特點［J］.化學工程與裝備，2009（11）：90-92.

［5］ 雷齊松，李 振，任正軍，等.TP-FJ特殊螺紋套管在塔深1井的應用［J］.裝備制造，2009（11）：21-26.