連續油管連接器研制與應用

劉海龍，達　勇，侯啟太，劉亞明（．新疆油田工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000；．新疆油田工程技術公司，新疆克拉瑪依834000）①

連續油管連接器研制與應用

劉海龍1，達勇2，侯啟太2，劉亞明1
（1．新疆油田工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000；2．新疆油田工程技術公司，新疆克拉瑪依834000）①

連續油管連接器的作用是連接連續油管和丟手、封隔器、沖砂頭等井下作業工具。油田現場使用的連接器存在裝卸繁瑣、性能單一等問題，有時其內、外徑或扣型等參數無法滿足實際工藝需求。針對此現狀，研制了一種抗拉、抗扭并能實現密封的連續油管外卡瓦連接器，通過結構設計與優化、材料選擇與處理、廠區試驗與入井作業，達到預期要求。

連續油管；連接器；結構；試驗

連續油管已被廣泛應用于沖砂洗井、鉆橋塞、氣舉排液、壓裂和配合測試等作業，相比常規油管作業具有很大的優越性［1-3］。目前，連續油管常用的連接器主要分為環壓式、螺釘式和卡瓦式等。其中環壓式和螺釘式連接器結構簡單，主體只有1個零件，制造方便；缺點是裝拆復雜，需要預制和切割，而且環壓式連接器不能承受轉矩，無法滿足鉆磨等作業的要求［4-5］。因此，筆者根據外卡瓦的原理研制一種便于安裝拆卸并能同時承受拉力和轉矩的連接器。

1　結構及工作原理

外卡瓦式連接器是通過內壁帶有牙齒的錐形卡瓦收縮咬住連續油管實現連接，下端通過螺紋與其他工具相連，其優點是安裝方便，性能可靠［6］。通過調研外卡瓦連接器的結構與工作原理，根據油田的配套工具和工藝需求，設計出一種新的外卡瓦連接器，結構及卡瓦形狀如圖1所示。

連接器由套筒、螺釘、止推環、卡瓦、密封圈和接頭6部分組成，其中卡瓦是其核心零件。卡瓦內壁帶有環形和條形牙齒，分別實現抗拉和抗扭功能，外壁成錐形、周向開槽使其可以收縮。

連接器主要參數如下：

最大外徑?73mm

最小內徑?36mm

長度約287mm

圖1　外卡瓦式連接器與卡瓦

2　材料工藝

目前油田上使用的大部分工具所用的材料是35CrMo合金結構鋼，通過調研，42CrMo超高強度鋼具有高強度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調質處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，抗拉強度和屈服強度均優于35CrMo。因此連接器主體部分選用42CrMo調質處理后進行加工。

卡瓦是連接器上的關鍵零件，首先卡瓦牙齒要咬進連續油管實現抗拉或抗扭能力，需要卡瓦表面尤其是齒尖具有很高的硬度；其次卡瓦在外力的作用下可以收縮，因此卡瓦本體要保持較好的彈性。通過查閱文獻并未發現連接器卡瓦的材料與處理資料，參考打撈工具和封隔器整體卡瓦材質的熱處理工藝研究［7-8］，卡瓦材料采用20CrMnTi，機加工完成后對齒尖進行滲碳淬火以提高表面硬度。

3　主要參數計算

主要利用理論力學和材料力學的方法，通過材料強度參數和結構尺寸來計算卡瓦的抗拉能力和抗扭能力。

3．1 抗拉能力計算

卡瓦內壁上的環形牙齒咬進連續油管實現抗拉功能，其咬合形式與螺紋連接相似，最大承受拉力為環形卡瓦牙齒根部發生斷裂時，卡瓦最大可承受拉力為

F＝10－3K′K［τ］S＝10－3K′K［τ］ZP（πd－Δl）式中：F為卡瓦最大可承受拉力，k N；K′為環形牙齒咬進不均勻系數；K為卡瓦各牙牙齒受力不均勻系數，一般取K＝0．6；S為環形卡瓦齒根受力面積，mm2；Z為環形卡瓦牙齒個數；P為環形卡瓦牙間距，mm；d為卡瓦齒根直徑，mm；Δl為卡瓦圓周上開槽寬度，mm；［τ］為卡瓦材料許用剪切強度，MPa。

連接器工作時卡瓦牙齒不能像螺紋嚙合一樣完全咬進，實際情況是上部、開槽部位咬合較深，下部、開槽背面咬合較淺甚至未咬進（后續試驗驗證了這一結論），因此取咬進不均勻系數K′＝0．25，代入各數據計算可得連接器最大可承受拉力為372 k N。

3．2 抗扭能力計算

同抗拉強度類似，卡瓦內壁上的條形牙齒咬進連續油管實現抗扭功能，最大承受轉矩為條形卡瓦牙齒根部發生斷裂時，卡瓦最大可承受轉矩為T＝10－3K″K［τ］S′r＝10－3K″K［τ］（πd－Δl）hd／2式中：T為卡瓦最大可承受轉矩，N·m；K″為條形牙齒咬進不均勻系數；S′為條形卡瓦齒根受力面積，mm2；r為作用力矩，mm，r≈d／2；h為條形卡瓦牙長度。

條形卡瓦咬緊時上下部均可完全咬進，僅開槽部位咬合較深而背面較淺，因此這里取咬進不均勻系數K″＝0．5，代入各數據計算可得連接器最大可承受轉矩為10 050 N·m。

4　性能試驗

4．1 抗扭能力

由于缺少轉矩計等專業測量轉矩工具，連接器的抗扭能力未能進行準確的試驗，筆者利用管鉗對其進行估測。安裝連接器至連續油管，管鉗卡住連接器后加長管鉗臂至1．5m左右，人工施力的連接器與連續油管未發生相對轉動，估算連接器實際最大可承受轉矩大于1 500 N·m。配套螺桿鉆具的最大輸出轉矩為1 145 N·m，因此連接器抗扭能力可以滿足實際使用需求。

4．2 抗拉能力

利用泵車、連續油管車和公司自制的拉力試壓盤配合對連接器的抗拉能力和密封性能進行試驗。連接泵車與連續油管車，將連續油管穿過注入頭伸出后安裝連接器和拉力試壓盤，如圖3所示。

圖3　連接器性能試驗

調研現場施工數據得知，連續油管作業時連接器最大承受拉力一般不超過100 k N，因此設計最大試驗拉力為150 k N，上提連續油管，至拉力試壓盤抵住注入頭后按設計載荷數據依次提高上提拉力，進行抗拉試驗，記錄數據，試驗結果如表1所示。

表1　連接器抗拉試驗拉力數據k N

由試驗結果可以看出，按照設計的數據對連接器施加拉力，在143 k N拉力的作用下連接器能夠正常工作，穩定5min后拉力數值略有減小，原因是卡瓦在拉力作用下持續咬進連續油管。因此連接器抗拉能力可以滿足現場使用要求，抗拉試驗合格。

4．3 密封性能

抗拉試驗完成后，啟動泵車，進行密封試驗。連續油管施工時連接器最大承受內壓一般不超過30 MPa，因此設計最大試驗壓力為35 MPa，采用400型泵車進行試驗。按照設計的壓力階梯數據依次提高泵壓，記錄數據，試驗結果如表2所示。

表2　密封試驗泵壓數據　MPa

由試驗數據可以看出，按照設計試驗壓力依次提高泵壓，穩壓5min后壓力數值略有下降，但觀察連接器，未發現滴漏、刺漏，在34．6 MPa壓力下密封效果良好，連接器承壓能力可以滿足現場使用要求，密封試驗合格。

試驗完成后拆掉連接器觀察，發現卡瓦狀況良好，牙齒未發生崩斷、變形，連續油管上咬痕清晰理想，驗證了第2節做出的假設，如圖4所示。

圖4　連接器試驗后卡瓦與連續油管

5　現場應用

2014-10-10，在克××井使用連接器進行連續油管氣舉作業。12時進行井下工具連接，管柱串從下至上分別為：射流解堵工具＋單流閥＋外卡瓦連接器至連續油管。隨后連續油管入井進行作業，至23時作業完成，順利提出連續油管及井內工具，如圖5所示，現場應用成功，驗證了該連接器性能達到了現場使用的要求。

圖5　現場應用

6　結論

1） 通過設計、分析與試驗，到入井作業成功，表明該連續油管外卡瓦連接器結構合理，性能可靠，可以滿足油田現場使用的需要。

2） 連接器現場應用成功，解決了目前連接器裝拆繁瑣、性能單一、扣型不匹配等問題，同時降低了工具購置成本和供貨時間，提高了效益。

［1］ 李秋燕，劉鐵軍，梁宇庭，等．連續油管技術在沖砂作業中應用效果［J］．石油礦場機械，2012，41（6）：84-87．

［2］ 王少力，鄭子元．連續油管國產化技術研究新進展［J］．石油礦場機械，2008，37（8）：91-93．

［3］ 賀會群．連續油管技術與裝備發展綜述［J］．石油機械，2006，34（1）：1-6．

［4］ 陳新欣，雷蘭祥，孫怡紅，等．連續管水力機械切割工具的研究與應用［J］．石油機械，2013，41（5）：76-78．

［5］ 于東兵，包文德，馬衛國，等．連續油管打撈技術專用工具研究現狀及展望［J］．石油機械，2007，35（1）：45-47．

［6］ 寧，鄒剛，蔣友誼，等．連續管噴砂射孔分段壓裂工具的研究與應用［J］．石油機械，2012，40（11）：94-98．

［7］ 孫鑫，程智遠，周曉昱，等．連續油管噴砂射孔環空分段壓裂工具研制［J］．石油礦場機械，2014，43（6）：73-76．

［8］ 張瑞平，位秉俊．對美制打撈工具卡瓦材料及熱處理工藝質量的分析研究［J］．石油礦場機械，1983，12（1）：47-55．

Development and Application of Coiled Tubing Connector

LIU Hailong1，DA Yong2，HOU Qitai2，LIU Yaming1
（1．Engineering Research Institute，Xinjiang Oilfield，Karamay 834000，China；2．Engineering Technology Company，Xinjiang Oilfield，Karamay 834000，China）

Connectors are the essential tools of coiled tubing operations，whose role is to connect the coiled tubing and underground work tools，including release，packer，sand washing and so on．There are several problems of the former connector used in oil field such as complex installment or dismantle and single performance，and sometimes its inside diameter or outside diameter or bucklemodel parameters is unable tomeet the demand of practical process．Against the status quo，a coiled tubing external slip connector is developed to be tensile and torsion，and can realize the sealing，which finally reaches expected requirements through the structural designing，optimi-zing，material selecting，processing，factory testing and operating．

coiled tubing；connector；structure；testin g

TE931．203

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．016

1001－3482（2015）08－0067－04

①2015－02－05

劉海龍（1988-），男，河北獻縣人，碩士研究生，主要從事油田井下工具設計研究，Email：646421653＠qq．com。