直連型套管螺紋接頭偏心原因分析

滕學(xué)清，呂拴錄，2a，李 寧，張國營，李曉春，張昌鐸

（1.塔里木油田，新疆 庫爾勒841000；2.中國石油大學(xué)a.材料科學(xué)與工程系；b.機械與儲運工程學(xué)院，北京102249）

直連型套管螺紋接頭偏心原因分析

滕學(xué)清1，呂拴錄1，2a，李 寧1，張國營2b，李曉春1，張昌鐸1

（1.塔里木油田，新疆 庫爾勒841000；2.中國石油大學(xué)a.材料科學(xué)與工程系；b.機械與儲運工程學(xué)院，北京102249）

直連型套管螺紋接頭比接箍式套管的加工難度大，常見的問題是螺紋接頭偏心。在現(xiàn)場對某油田到貨的直連型套管接頭臺肩壁厚進行檢驗，發(fā)現(xiàn)套管接頭偏心嚴(yán)重。對該批套管檢測結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，認為套管接頭偏心與管端彎曲有關(guān)。通過統(tǒng)計分析，認為該批套管接頭產(chǎn)品過程能力指數(shù)不足。為了從根本上解決直連型套管接頭偏心問題，提出了訂貨補充技術(shù)條件。該技術(shù)條件不僅使油田到貨驗收有了技術(shù)依據(jù)，而且也對工廠質(zhì)量控制具有指導(dǎo)作用。

直連型套管；壁厚；偏心；橢圓度；產(chǎn)品過程能力指數(shù)

與接箍式套管比較，直連型套管螺紋接頭的加工難度大，常見的問題是接頭的幾何形狀偏心。某油田對214根直連型套管在現(xiàn)場進行檢驗，發(fā)現(xiàn)套管接頭偏心嚴(yán)重，個別套管的內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚相差近1倍。為分析套管接頭偏心的原因，本文對該批套管的測量結(jié)果進行統(tǒng)計分析，并提出了直連型套管的訂貨補充技術(shù)要求。

1 測量結(jié)果及分析

該批套管內(nèi)外螺紋接頭測量及分析結(jié)果如圖1～6。

圖1 套管內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚不勻形貌

圖2 內(nèi)螺紋接頭不同位置鏜孔直徑正態(tài)分布

圖3 內(nèi)螺紋接頭0～180°與90～270°鏜孔直徑之差正態(tài)分布

圖4 內(nèi)螺紋接頭0～180°與90～270°外徑之差正態(tài)分布

圖5 內(nèi)螺紋接頭不同圓周位置外臺肩壁厚正態(tài)分布

圖6 外螺紋接頭不同圓周部位內(nèi)臺肩壁厚對比正態(tài)分布

從測量和分析結(jié)果知：

1） 每根套管內(nèi)螺紋接頭不同圓周部位外臺肩壁厚不同，0°位置壁厚最小。偏心最嚴(yán)重的1根套管內(nèi)螺紋接頭外臺肩最小壁厚6.10 mm，最大壁厚11.80 mm，后者是前者的1.93倍。所有套管內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚平均值為9.15 mm。

2） 套管內(nèi)螺紋接頭0～180°與90～270°鏜孔直徑正態(tài)分布曲線偏離，平均值差0.63 mm（249.30～248.67 mm）；大多數(shù)套管內(nèi)螺紋接頭0～180°與90～270°鏜孔直徑之差為正，說明套管鏜孔為橢圓，橢圓長軸在0～180°方向。

3） 套管內(nèi)螺紋接頭0～180°與90～270°外徑之差基本符合正態(tài)分布，其平均值與理論值僅差0.01 mm。

4） 每根套管外螺紋接頭不同圓周部位內(nèi)臺肩壁厚不同，0°位置壁厚最小。不同圓周部位正態(tài)分布曲線偏離，其平均值分別是0°為5.95 mm，90°為6.24 mm，180°為6.47 mm，270°為6.44 mm。偏心最嚴(yán)重的一根套管外螺紋接頭內(nèi)臺肩最小壁厚5.56 mm，最大壁厚6.80 mm，后者是前者的1.22倍。所有套管外螺紋接頭內(nèi)臺肩壁厚平均值為6.28 mm。

2 套管偏心原因分析

套管接頭偏心與套管不圓［1］和管端彎曲等有關(guān)。

2.1 套管管體外壁不圓導(dǎo)致套管接頭偏心的可能性

測量和分析結(jié)果表明，內(nèi)螺紋接頭0～180°與90～270°外徑之差符合正態(tài)分布，即套管管體外壁圓度沒有問題。因此，可以排除套管管體不圓導(dǎo)致接頭偏心的可能性。

2.2 管端彎曲導(dǎo)致套管接頭偏心的可能性

如果管端彎曲，管端與管體不同軸，最終導(dǎo)致加工的內(nèi)外螺紋接頭與管體不同軸，接頭臺肩壁厚不同。在不考慮卡盤夾持變形的情況下，接頭鏜孔應(yīng)當(dāng)為圓。

實際在3爪卡盤夾持管端加工螺紋接頭時有1爪在管端偏離軸線最遠的外壁位置夾持力太大，導(dǎo)致該位置彈性變形凹下?？ūP松開后套管接頭彈性恢復(fù)，故鏜孔由圓變?yōu)闄E圓。

該批套管大多數(shù)內(nèi)螺紋接頭鏜孔為橢圓，橢圓長軸在0～180°方向。在0°位置套管接頭臺肩壁厚最薄，說明套管接頭沿著0→180°平面向0°方向彎曲。

套管內(nèi)螺紋接頭鏜孔直徑為螺紋參數(shù)之一，依據(jù)不同位置套管內(nèi)螺紋接頭鏜孔直徑測量結(jié)果（如圖2）判斷，套管內(nèi)螺紋接頭偏心。

套管外螺紋接頭內(nèi)臺肩壁厚為螺紋參數(shù)之一，依據(jù)不同位置套管外螺紋接頭內(nèi)臺肩壁厚測量結(jié)果（如圖6）判斷，套管外螺紋接頭也偏心。

2.3 套管接頭偏心對使用性能的影響

套管接頭偏心會導(dǎo)致內(nèi)外螺紋接頭連接之后不同軸。當(dāng)套管受到軸向載荷時會產(chǎn)生附加彎矩，容易發(fā)生失效事故［2-9］。

3 套管訂貨技術(shù)要求

3.1 技術(shù)要求

在油田與廠家簽訂的直連型套管技術(shù)協(xié)議中，對套管接頭偏心沒有任何要求。依據(jù)套管測量結(jié)果，廠家認為這種直連型套管內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚tsmin≥6.00 mm為合格。

為防止此類質(zhì)量問題再次發(fā)生，保證訂購的套管質(zhì)量，用戶應(yīng)當(dāng)對廠家給出的標(biāo)準(zhǔn)合理性進行分析，并對直連型套管接頭提出訂貨技術(shù)要求。

塔里木油田要求接箍式套管管體同一截面壁厚不均度為

式中：tmax為最大壁厚；tmin為最小壁厚；t為公稱壁厚。

設(shè)壁厚公差為±x，帶入式（1）得：

螺紋段長度Lb＝114.62 mm，錐度1：16估算，螺紋段直徑分量為7.16 mm，半徑方向分量為3.58 mm。下面按照直連型套管接頭（如圖7）臺肩壁厚（ts）為套管管體扣除螺紋段半徑方向分量之后剩余壁厚之1／2，即ts＝0.5（t－3.58），對其接頭臺肩壁厚不勻度予以分析。

1） 接頭臺肩壁厚（ts）公差取±y，y＝0.5x，帶入式（2）得y≤0.03t。

2） 接頭臺肩壁厚（ts）公差取±y，y＝x，帶入式（2）得y≤0.06t。

圖7 直連型套管接頭示意

3.2 技術(shù)要求驗證

3.2.1 內(nèi)螺紋接頭外臺肩

①取內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚公差為±0.5x（管體壁厚公差1／2）。該批265.13 mm×22.0 mm直連型套管內(nèi)螺紋接頭外臺肩測量平均壁厚為9.15 mm。按照ts＝9.15 mm，帶入式（3）～（4）得：

tsmax＝1.06ts＋0.11＝1.06×9.15＋0.11＝9.81 mm

tsmin＝0.94ts－0.11＝0.94×9.15－0.11＝8.49 mm

②取內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚公差為±x（管體壁厚公差）。該批265.13 mm×22.0 mm直連型內(nèi)螺紋接頭外臺肩測量平均壁厚為9.15 mm。按照ts＝9.15 mm，帶入式（5）～（6）得：

該批直連型套管內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚測量值為6.10～11.88 mm，遠超出本節(jié)①和②計算的公差范圍。由此可見，廠家規(guī)定該種直連型套管內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚tsmin≥6.00 mm是不合要求的。

3.2.2 外螺紋接頭內(nèi)臺肩

①取外螺紋接頭內(nèi)臺肩壁厚公差為±0.5x（管體壁厚公差之半）。該批直連型套管外螺紋接頭內(nèi)臺肩測量平均壁厚為6.28 mm。按照ts＝6.28 mm，帶入式（3）～（4）得：

tsmax＝1.06ts＋0.11＝1.06×6.28＋0.11＝6.77 mm tsmin＝0.94ts－0.11＝0.94×6.28－0.11＝5.79 mm

②取外螺紋接頭內(nèi)臺肩壁厚公差為±x（管體壁厚公差）。該批265.13 mm×22.0 mm直連型套管外螺紋接頭內(nèi)臺肩測量平均壁厚為6.28 mm。按照ts＝6.28 mm，帶入式（5）～（6）得：

tsmax＝1.12ts＋0.21＝1.12×6.28＋0.21＝7.24 mm

tsmin＝0.88ts－0.21＝0.88×6.28－0.21＝5.32 mm

該批直連型套管外螺紋接頭內(nèi)臺肩壁厚測量值為5.56～6.94 mm，超過本節(jié)①計算的公差范圍，符合本節(jié)②計算的公差范圍。

3.3 產(chǎn)品過程能力指數(shù)分析［10］

3.3.1 產(chǎn)品過程能力指數(shù)

過程能力C p是用來度量一個過程滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的程度，C p愈大說明過程能力愈充足，過程加工合格品的能力愈高。

產(chǎn)品過程能力指數(shù)

產(chǎn)品過程能力指數(shù)說明如表1。

表1 產(chǎn)品過程能力指數(shù)說明

3.3.2 內(nèi)螺紋接頭外臺肩過程能力指數(shù)分析

依據(jù)測量結(jié)果，套管內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚的標(biāo)準(zhǔn)差σ＝0.982 354。

按照第3.2.1節(jié)①設(shè)定的公差，tsmax＝9.81 mm，tsmin＝8.49 mm，σ＝0.982 354，代入式（7）得：

C p＝（9.81－8.49）／（6×0.982354）＝0.22

按照3.2.1節(jié)②設(shè)定的公差，tsmax＝10.46 mm，tsmin＝7.84 mm，σ＝0.982 354，代入式（7）得：

C p＝（10.46－7.84）／（6×0.982 354）＝0.44

通過將3.2.1①和②設(shè)定的公差計算的過程能力指數(shù)C p的計算結(jié)果與表3進行對比，可以看出，內(nèi)螺紋接頭外臺肩壁厚加工過程能力嚴(yán)重不足，應(yīng)停止生產(chǎn)，檢查原因，并且對產(chǎn)品嚴(yán)加檢驗。

3.3.3 外螺紋接頭內(nèi)臺肩過程能力指數(shù)分析

依據(jù)測量結(jié)果，外螺紋接頭內(nèi)臺肩壁厚的標(biāo)準(zhǔn)差σ＝0.288 812

按照3.2.2節(jié)①設(shè)定的公差，tsmax＝6.77 mm，tsmin＝5.79 mm，σ＝0.288 812，代入式（7）得：

C p＝（6.77－5.79）／（6×0.288 812）＝0.57

按照3.2.2節(jié)②設(shè)定的公差tsmax＝7.24 mm，tsmin＝5.32 mm，σ＝0.288 812，代入式（7）得：

C p＝（7.24－5.32）／（6×0.288812）＝1.11

通過將3.2.2①設(shè)定的公差計算出的過程能力指數(shù)C p與表1進行對比，可知外螺紋接頭內(nèi)臺肩壁厚加工過程能力嚴(yán)重不足，應(yīng)停止生產(chǎn)，檢查原因，并且對產(chǎn)品嚴(yán)加檢驗。通過將3.2.2②設(shè)定的公差計算出的過程能力指數(shù)C p與表1進行對比，可知外螺紋接頭內(nèi)臺肩壁厚發(fā)生不合格的概率增大，需加強對設(shè)備等的檢查。

4 結(jié)論

1） 直連型套管接頭臺肩偏心原因是管端彎曲所致。

2） 建議直連型套管內(nèi)、外螺紋接頭臺肩壁厚最大值tsmax＝1.06ts＋0.21 mm，最小值tsmin＝0.94ts－0.21 mm（ts為臺肩公稱寬度）。加強產(chǎn)品質(zhì)量檢驗，進行彎曲度測量。

3） 針對該批套管，建議按照特殊螺紋接頭套管要求進行上卸扣試驗，首次上扣后測量接頭部位的彎曲度。

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Cause Analysis on Off-centre of Integral Joint Casing

TENG Xue-qing1，LV Shuan-lu1，2a，LI Ning1，ZHANG Guo-ying2b，LI Xiao-chun1，ZHANG Chang-duo1
（1.Tari m Oil f iel d，Korl a 841000，China；2.a.Material Science and Engineering Depart ment；b.College of Mechanical and Tr ansportation Engineering，China University of Petroleu m，Beijing 102249，China）

The t hreading of integral joint casing is more difficult t han t hat of coupling connection casing，and joint off-centre is common quality problem of integral joint casing.The connection end t hickness f or the integral joint casing in one oil field is inspected and it is f ound t hat t he integral joint casings were off-centre.It is considered that the casing process capability index is not enough per statistics analysis.The co mplementar y delivery technical conditions f or integral joint casing is given in order to prevent casing joint from being off-centre.It is not only on the basis of technique f or check and accepted by user，but also the guidance f or manuf actory to contr ol pr oduct quality.Key words：integral joint casing；thickness；off-centre；ovality；product process capability index

TE931.2

A

1001-3482（2014）06-0049-04

2013-12-25

滕學(xué)清（1965-），男，青海德令哈人，高級工程師，1989年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）鉆井專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆井和完井工程技術(shù)工作。