7-5/8in超高強度直連型石油套管的開發

李恒政，盧小慶，扈 立，王 正，張 旭

（天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津300301）

7-5/8in超高強度直連型石油套管的開發

李恒政，盧小慶，扈 立，王 正，張 旭

（天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津300301）

根據超深復雜井身結構設計的需要，開發了7-5/8 in超高強度直連型石油套管。通過合理鋼種設計及工藝控制，使得套管在超高強度下具有良好的韌性；良好的材料性能及螺紋密封面的設計，解決了直連型套管連接強度和密封性能的問題。試驗結果表明，7-5/8 in超高強度直連型石油套管不僅具有超高的抗擠毀能力，還具有良好的連接強度及密封性能，適用于特殊井身結構的鹽層段。

石油套管；直連型；連接強度；密封性能；抗擠毀性能

1 引言

我國西部油田地質條件復雜，油氣埋藏深，地層壓力高，壓力系統多，勘探開發的難度大。許多井在鉆達目的層前要鉆穿多套壓力及巖性不同的地層，經常遇到井漏、井噴、縮頸等情況的發生，此時往往需要下入套管封固，增加套管層次，增加套管層次會導致下部井眼過小，給后期施工帶來困難，有可能鉆不到目的層造成井眼報廢。因此在復雜地質環境下，常規的井身結構設計方法已經不能滿足勘探開發的需要，隨著技術的發展，非常規井身結構設計方法逐漸得到推廣應用。

非常規井身結構設計需要特殊的套管與其配套，7-5/8in超高強度直連型石油套管是根據西部油田超深井非常規井身結構專門設計一種特殊套管，該套管螺紋連接采用了內外齊平的無接箍設計，在非常規井身結構設計中有較好的應用。

2 石油套管設計思路

我國西部深井、超深井常規井身結構一般為20 in×13．375 in×9．625 in×7 in×5 in,使用的套管基本上是帶接箍的套管,當深部有高壓鹽層需要封堵時,即可以采用7-5/8 in超高強度直連型石油套管取代第四層的7 in套管，以達到井身結構優化的目的。7-5/8 in超高強度直連型石油套管在管體上直接加工公、母螺紋，套管連接處內外齊平，管體可以采用大厚壁高強度材質設計，使其具有超高的抗外擠毀能力，達到封堵鹽層的效果；沒有接箍的端面，大大減少套管與井壁的阻力，便于下套管[1]。但直連型石油套管由于是在管體上直接加工公、母螺紋，實際設計中需要解決的主要問題是螺紋的密封性和連接效率，7-5/8 in超高強度直連型石油套管采用大壁厚高強度的材質，螺紋設計采用不容易造成滑脫的梯形扣設計，同時增加金屬密封面，很好的解決了螺紋的密封性及連接強度問題。

3 套管的材料性能

國內外油田高強度套管發生失效的案例較多，資料研究表明[2-4]，高強度套管主要的失效形式是套管的沖擊韌性偏低造成的脆性開裂。因此,高強度套管材質設計要充分考慮材料的強韌性匹配，保證套管高強度的同時具有良好的韌性，7-5/8 in超高強度直連型石油套管材料性能設計指標如表1所示。

表1 7-5/8 in直連型石油套管材料性能設計指標

根據超高強度石油套管的開發經驗，合理設計鋼種；通過高真空純凈鋼冶煉，有效控制鋼的化學成分、夾雜物形態及有害元素的含量；高精度軋制后進行調質工藝處理，使其形成細小均勻的回火索氏體組織。通過合理的設計及有效的工藝控制使套管的強韌性得到良好的匹配。

4 套管的使用性能

4．1 套管的連接強度

套管連接強度計算需考慮管體屈服強度、螺紋連接強度及公、母端危險截面處的連接強度，其最小值確定套管最終的連接強度。公、母端危險截面處的連接強度由公、母端危險截面積決定，通常是螺紋根本的退刀槽處。7-5/8 in超高強度直連型石油套管是在管體上直接加工公、母螺紋，螺紋參數是特殊設計的梯形扣，正常情況下螺紋連接強度大于管體屈服強度，而管體屈服強度遠大于公、母端危險截面處的連接強度。根據屈服強度公式[5-6]可以計算出7-5/8 in超高強度直連型石油套管管體屈服強度；按套管名義尺寸計算出套管管體截面積Ap，按照7 5/8 in超高強度直連型石油套管螺紋設計圖紙計算出母端危險截面積Ac-box及公端危險截面積Ac-pin，可以得出母端危險截面積Ac-box最小，因此母端危險截面處的連接強度是最小連接強度，最小連接強度理論計算值為6 133 kN。

隨機抽取一對帶公母螺紋的7-5/8in超高強度直連型石油套管，按設計的標準扭矩上扣后在整管拉伸試驗設備上，進行整管拉伸試驗，當拉力達到1 800 kips，約8 001 kN時，套管從母端螺紋根部的退刀槽處斷裂，如圖1、圖2所示。

整管拉伸試驗結果進一步說明7-5/8 in超高強度直連型石油套管連接強度的薄弱點在母端螺紋的危險截面處，此處的連接強度即整根套管的連接強度，試驗結果與設計一致；且套管的實際連接強度超過理論計算值30．46%，完全滿足管柱設計對套管連接強度的需要。整管拉伸斷口成45°，斷口處有明顯的縮頸，這進一步說明套管的材質具有良好的韌性。

4．2套管的密封性能

API螺紋由于結構上的缺陷，不論是API圓螺紋，還是API偏梯形螺紋都存在泄露通道，螺紋密封性能差，國內外廠家設計了大量具有密封功能的特殊螺紋，對螺紋的密封設計進行多方面研究[7-10]。7-5/8 in超高強度直連型石油套管螺紋采用金屬-金屬的密封面設計，通過控制密封面的密封直徑使得螺紋連接后有合適的過盈量，使其具有良好的密封性能。按照設計，7-5/8 in超高強度直連型石油套管螺紋密封效率為管體內屈服壓力的60%，由內屈服公式[5-6]，可以計算出7-5/8 in超高強度直連型石油套管內屈服壓力為183．8 MPa，因此理論設計螺紋密封壓力為：110．3 MPa。

圖1 直連型石油套管整管拉伸試驗

圖2 整管拉伸斷口形貌

隨機取樣，按標準扭矩經過兩次卸扣三次上扣后進行密封試驗，試驗結果如表2所示。

表2 7-5/8in直連型石油套管密封試驗

試驗結果表明7-5/8 in超高強度直連型石油套管當壓力達到內屈服壓力75%時螺紋連接處無泄漏，其密封性能達到了設計的要求。

4．3 套管的抗擠毀性能

7-5/8 in超高強度直連型石油套管屬于屈服強度擠毀，影響其抗擠毀性能的主要因素是材料的屈服強度、外徑與壁厚的比值；套管設計時充分考慮了這兩方面對擠毀性能的影響，從理論設計方面該套管就應具有超高的抗擠毀能力，根據擠毀強度公式[5-6]計算，理論值為189．4 MPa。

隨機取樣，進行抗擠毀性能試驗，當壓力達到218．2 MPa時試樣擠毀，實際試驗值高出理論計算值15%，說明該套管具有超高的抗擠毀能力，具有封堵高壓鹽層的能力。

5 應用情況

西部油田地質條件復雜，許多油氣井中深部都存在多處蠕動鹽層，需要特殊石油套管封堵鹽層。常規的井身結構設計無法滿足油田勘探開采的需要，隨著技術的進步出現越來越多的非常規井身結構設計，7-5/8 in超高強度直連型石油套管的開發為井身結構設計提供一種選擇。套管開發成功后，陸續在中石油西南油氣田分公司、塔里木油田、中石化西北等油田的部分非常規井身結構設計中得到應用。

6 結論

（1）套管螺紋連接采用內外齊平的直連型設計，增大了環空間隙，有利于提高固井質量；同時便于套管下井。

（2）套管采用超高鋼級的材質，通過合理設計及工藝控制，在高強度的情況下，保證套管的韌性；使強度與韌性得到良好的匹配。

（3）通過提高強度與壁厚，使套管具有超高的抗擠毀能力，達到封堵高壓鹽層的目的。

（4）通過設計解決了直連型螺紋連接強度及密封性能的問題，套管具備優良的連接強度和密封性能，可以滿足管柱設計對連接強度和密封性能要求。

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[2]張國正．V150套管破裂原因及超深井套管選材探討[J]．石油專用管，1999（3）：21-24．

[3]蘇克玲，李平全．177．80 mmV150套管接箍縱裂分析[C]//石油管工程應用基礎研究（2006）論文集．北京:石油工業出版社，2006：294-297．

[4] 盧小慶，鐘守明，李建．超深復雜井用超高強度石油套管TP140V的設計開發及應用[J]．鋼管，2011，40（5）：26-30．

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[6] ISO TC67,ISO/DIS 10400,Petroleum and Natural Gas Industries-Formulas and Calculations for Casing,Tubing,Drill Pipe and Line Pipe Properties[S]．

[7]高連新，史交齊．油套管特殊螺紋接頭連接技術的研究現狀及展望[J]．石油礦場機械，2008，37（2）:15-19．

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Development of 7-5/8 inch Super High Strength Flush 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)

According to the design requirement by super deep well structure,7-5/8 inch super high strength flush joint oil casing was developed．Through reasonable steel grade design and process control,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 performance of direct-connected oil casing．Test results showed that 7-5/8 in ultra high strength flush joint oil casing, with super high anti-collapse strength and excellent joint strength and sealing performance,was suitable for application at the salt bed of special well structure．

oil casing;flush joint;joint strength;sealing performance;anti-collapse performance

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．002

2013-09-15

2013-10-12

李恒政（1980—），男，碩士，工程師，主要從事油井管開發方面的研究工作。