塔里木油田特殊倒角接箍油管的應(yīng)用分析

楊向同　呂拴錄，　聞亞星　李　寧　黃世財(cái)　耿海龍（.塔里木油田油氣工程研究院，新疆庫爾勒　84000；.中國石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系，北京　049）

塔里木油田特殊倒角接箍油管的應(yīng)用分析

楊向同1呂拴錄1，2聞亞星2李寧1黃世財(cái)1耿海龍1
（1.塔里木油田油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2.中國石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系，北京102249）

通過對塔里木油田油管使用情況進(jìn)行調(diào)查研究，認(rèn)為90°臺肩接箍油管在起下作業(yè)過程中容易損壞封井器密封膠芯，在套管柱結(jié)構(gòu)變化處、在水平井和大斜度井經(jīng)常阻卡。筆者對現(xiàn)有18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管使用效果進(jìn)行調(diào)查研究，認(rèn)為采用這2種特殊倒角接箍油管均可以避免上述問題。對18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管在使用過程中的受力情況進(jìn)行了分析計(jì)算，認(rèn)為18°特殊倒角接箍臺肩承載面比20°特殊倒角接箍承載面受力更合理。為了減少油管品種，并保證油管使用性能，應(yīng)當(dāng)采用18°特殊倒角接箍油管。對如何從現(xiàn)有的90°臺肩接箍油管和20°特殊倒角接箍油管過渡到18°特殊倒角接箍油管提出了具體的建議。

油管；接箍；特殊倒角；阻卡；塔里木油田

目前，大多數(shù)油田采用90°臺肩接箍油管，但90°臺肩接箍油管在起下作業(yè)過程中容易損壞封井器密封膠芯，在套管柱結(jié)構(gòu)變化處、在水平井和大斜度井經(jīng)常阻卡。為解決這些問題，塔里木油田采用了特殊倒角接箍油管，并取得了良好的效果。但是，由于歷史原因，塔里木油田現(xiàn)有90°臺肩接箍油管、18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管。同一尺寸規(guī)格的油管采用3種臺肩角度的接箍，這就增加了油管品種，給油管及吊卡訂貨帶來麻煩，給油管使用管理增加了難度。為了減少油管品種，塔里木油田幾年之前就試圖統(tǒng)一油管接箍臺肩形狀，但由于技術(shù)人員對現(xiàn)有90°臺肩接箍油管、18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管優(yōu)缺點(diǎn)認(rèn)識不同，無法達(dá)成一致意見。因此，應(yīng)當(dāng)對塔里木油田現(xiàn)有90°臺肩接箍油管、18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管使用情況進(jìn)行全面調(diào)查研究，分析不同臺肩角度接箍受力狀態(tài)和優(yōu)缺點(diǎn)，最終優(yōu)選結(jié)構(gòu)合理、使用性能良好的油管品種。

1　90°吊卡臺肩接箍油管存在的問題

1.1對環(huán)形封井器密封膠芯摩擦損壞嚴(yán)重

在起下油管柱作業(yè)過程中，油管接箍90°臺肩對環(huán)形封井器密封膠芯摩擦損壞嚴(yán)重，在沖砂等作業(yè)過程中易出現(xiàn)井噴問題，無法正常帶壓起下管柱作業(yè)。依據(jù)其他油田經(jīng)驗(yàn)［1］，對于井口壓力低于0.5 MPa的油水井，液壓系統(tǒng)壓力保持8 MPa以下，可實(shí)現(xiàn)有效密封，但一口井一般要損壞1個(gè)膠芯。對于井口壓力高于0.5 MPa的油水井，損壞的膠芯更多。依據(jù)某油田統(tǒng)計(jì)結(jié)果，即使嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，單井平均損壞膠芯都達(dá)5個(gè)，個(gè)別井損壞的膠芯多達(dá)10余個(gè)。頻繁更換膠芯不但非常麻煩，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大。這不僅增加了作業(yè)成本，而且嚴(yán)重影響了作業(yè)時(shí)效。為避免或減少膠芯損壞，有些作業(yè)服務(wù)公司不得不采用不帶壓作業(yè)修井。

1.2在套管柱結(jié)構(gòu)變化處容易阻卡

在套管柱回接喇叭口變徑位置或者套管尺寸規(guī)格變化位置，由于套管內(nèi)徑發(fā)生了突變，在起下油管柱過程中接箍90°臺肩位置容易掛卡。例如，KS2井，油管柱下井到?139.7 mm喇叭口變徑位置時(shí)遇阻，不得不旋轉(zhuǎn)管柱下井，2 h才能下入1根油管。

1.3容易磨損井口設(shè)備

在下油管柱過程中，受現(xiàn)場各種因素影響，游動(dòng)滑車輕微擺動(dòng)，或油管柱和井口不同心，經(jīng)常發(fā)生油管接箍90°臺肩與封井器和采油四通等碰撞，致使井口設(shè)備磨損［2-3］，井口套管磨損、卷邊和縮徑，大工具難以下井，此外，油管接箍90°臺肩位置也易損傷。

1.4水平井和大斜度井等容易阻卡

水平井和大斜度井套管下部不可避免存在沙泥淤積，特別是裸眼水平井段起下油管柱作業(yè)過程中，本身就存在很大的摩阻，要求油管柱外壁不能有大的結(jié)構(gòu)突變。在水平井和大斜度井的裸眼井油管接箍90°臺肩增加了起下油管阻力，臺肩更容易掛卡，甚至易出現(xiàn)砂卡，此外，油管接箍90°臺肩對套管內(nèi)壁磨損嚴(yán)重。

2　特殊倒角接箍油管的應(yīng)用

為了解決90°臺肩接箍油管在使用過程中存在的問題，塔里木油田使用了API Spec 5CT［4］規(guī)定的20°特殊倒角接箍油管和非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍油管。

2.1技術(shù)創(chuàng)新

2.1.1API油管接箍采用2種倒角

（1）API油管接箍兩端采用API SPEC 5CT規(guī)定的20°特殊倒角（圖1）。

（2）API油管接箍兩端也采用了非API標(biāo)準(zhǔn)的18°特殊倒角（圖1），螺紋接頭參數(shù)與API SPEC 5CT和API SPEC 5B要求相同。原因是塔里木油田曾經(jīng)使用過90°臺肩鉆桿和18°臺肩鉆桿［5-6］，發(fā)現(xiàn)18°臺肩鉆桿性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于90°臺肩鉆桿［7］。依據(jù)油田多年使用18°臺肩鉆桿的成功經(jīng)驗(yàn)，塔里木油田API油管接箍兩端也采用了非API標(biāo)準(zhǔn)的18°特殊倒角。

圖1　API油管接箍兩端采用的20°和18°特殊倒角

2.1.2特殊螺紋接頭油管接箍特殊螺紋接頭油管接箍兩端采用18°特殊倒角（圖2）。特殊螺紋接頭油管接箍螺紋參數(shù)與API油管接箍螺紋參數(shù)不同。

圖2　特殊螺紋接頭接箍特殊倒角要求

2.2應(yīng)用效果

（1）特殊倒角接箍油管有利于帶壓起下管柱作業(yè)。特殊倒角接箍油管柱在起下作業(yè)過程中，接箍臺肩不易與封井器和采油四通等碰撞，有利于帶壓起下管柱作業(yè)。

（2）特殊倒角接箍油管柱在起下作業(yè)過程中，在套管柱規(guī)格變化位置不會(huì)掛卡，可以順利通過。

（3）特殊倒角接箍油管柱在起下作業(yè)過程中摩阻小，有利于保證在斜井段、水平井段和裸眼水平井段起下作業(yè)，同時(shí)也減輕了油管柱外壁與套管柱內(nèi)壁磨損。

3　特殊倒角接箍油管受力分析及優(yōu)選

3.1特殊倒角接箍油管受力分析

在使用過程中，油管接箍受力可以簡化為圖3所示模型，接箍受管柱重力G、垂直斜面方向支持力FN和摩擦力f作用。

圖3　API油管接箍受力示意圖

垂直斜面方向支持力FN計(jì)算如下

式中，σN為接箍特殊倒角垂直斜面方向應(yīng)力，MPa；FN為油管接箍特殊倒角垂直斜面方向的支持力，N；α為油管接箍特殊倒角，°；S為接箍錐面接觸面積，m2；G為接箍受管柱重力，N。

對于20°特殊倒角接箍，接箍錐面接觸面積S計(jì)算如下

式中，W為接箍外徑，m；Bf為接箍倒角直徑，m。

對于18°特殊倒角接箍，接箍錐面接觸面積S計(jì)算如下

式中，W為接箍外徑，m；Q為接箍鏜孔直徑，m；B為接箍臺肩寬度，m。

按照以上公式對油管接箍2種特殊倒角垂直斜面方向應(yīng)力σN計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1　油管接箍特殊倒角垂直斜面方向應(yīng)力σN計(jì)算結(jié)果

3.2計(jì)算結(jié)果對比

由表1可知，管體外徑73.02 mm油管采用API標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍或非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍時(shí)，外加厚油管接箍倒角垂直斜面方向應(yīng)力比平式油管大。管體外徑73.02 mm外加厚油管采用API 標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍比采用非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍倒角垂直斜面方向應(yīng)力小，平式油管則相反。

管體外徑88.9 mm和101.60 mm油管采用API標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍或非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍時(shí)，、外加厚油管接箍倒角垂直斜面方向應(yīng)力比平式油管小；管體外徑88.9 mm、101.60 mm加厚油管和平式油管采用API標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍比采用非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍時(shí)接箍倒角垂直斜面方向應(yīng)力大。

管體外徑114.30 mm采用API 標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍或非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍時(shí)，外加厚油管接箍倒角垂直斜面方向應(yīng)力比平式油管小；管體外徑114.30 mm外加厚油管采用API 標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍比采用非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍倒角垂直斜面方向應(yīng)力大，平式油管則接近；管體外徑為114.30 mm采用非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍外加厚油管倒角垂直斜面方向應(yīng)力最小。

管體外徑114.3 mm油管采用API 標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍和非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍倒角垂直斜面方向應(yīng)力差別不超過18.9%，其余規(guī)格油管采用API 標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍和非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍倒角垂直斜面方向應(yīng)力差別不超過10.0%。采用非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍時(shí)，4種規(guī)格油管特殊倒角垂直斜面方向應(yīng)力平均值比API標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍小，兩者之差不超過7.0%?？傮w來看，非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍比API標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍受力更合理。

3.3油管特殊倒角接箍優(yōu)選

目前，API 標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍和非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍油管在塔里木油田使用效果均很好，但是油管品種和吊卡品種增加了一倍。這給油田訂貨、使用管理帶來不少麻煩，應(yīng)盡快統(tǒng)一特殊倒角接箍油管標(biāo)準(zhǔn)。從油管接箍特殊倒角位置所受應(yīng)力方面考慮，18°特殊倒角接箍油管比20°特殊倒角接箍油管更好，且兩者加工成本沒有多大差異，今后應(yīng)統(tǒng)一訂購非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍油管。另外，考慮到現(xiàn)有特殊螺紋接頭油管接箍為18°特殊倒角，API油管采用非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍之后，特殊螺紋接頭油管和API螺紋接頭油管可以統(tǒng)一使用18°臺肩吊卡。因此，塔里木油田應(yīng)統(tǒng)一采用18°特殊倒角接箍油管。

4　現(xiàn)有兩種特殊倒角接箍油管和吊卡的處理

（1）對于現(xiàn)有的API標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍油管，使用20°臺肩吊卡，使用完為止。

（2）非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍油管可否使用剩余的20°臺肩吊卡，應(yīng)依據(jù)下面受力分析結(jié)果來定。非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍油管使用20°臺肩吊卡時(shí)受力如圖4所示。由于18°特殊倒角接箍和20°臺肩吊卡不匹配，使用后吊卡對接箍的作用力并不是分布在斜面上，而是吊卡臺肩下沿圓周邊界與接箍臺肩線接觸，隨著管柱質(zhì)量增加，吊卡與接箍由線接觸變?yōu)槊娼佑|。

圖4　18°特殊倒角接箍油管使用20°臺肩吊卡時(shí)受力

依據(jù)API Spec 8C［8］對20°和18°特殊倒角接箍油管吊卡 （圖5） 尺寸計(jì)算。

圖5　特殊倒角接箍油管吊卡結(jié)構(gòu)

由式（1）可得18°特殊倒角接箍和20°臺肩吊卡匹配，兩者接觸寬度為x時(shí)的接箍特殊倒角垂直斜面方向應(yīng)力σN計(jì)算如下

式中，D為吊卡下孔直徑，m；x為接箍錐面與吊卡錐面接觸長度，m。

計(jì)算表明，非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍油管使用20°臺肩吊卡時(shí)，接箍斜面應(yīng)力集中嚴(yán)重［9］，接箍斜面上應(yīng)力急劇上升，故非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍油管不宜采用20°臺肩吊卡。

（3）可將剩余的20°臺肩吊卡機(jī)加工改為18°臺肩吊卡。

5　結(jié)論及建議

（1） API 標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍和非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍兩種形式油管在塔里木油田使用效果均很好，有效地解決了90°臺肩接箍油管在使用過程中存在的問題。

（2）油管采用非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍比API 標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍受力更合理，且兩者加工成本沒有多大差異。建議：將現(xiàn)有庫存的API標(biāo)準(zhǔn)20°特殊倒角接箍油管使用完為止，今后訂貨統(tǒng)一采用非API標(biāo)準(zhǔn)18°特殊倒角接箍油管和18°臺肩吊卡；可將剩余的20°臺肩吊卡機(jī)加工改為18°臺肩吊卡。

［1］朱文琪，沈路，韓守連，等.油水井管柱臺肩的改進(jìn)［J］.石油礦場機(jī)械，2014，43（9）：100-102.

［2］ 許峰，呂拴錄，康延軍，等. 井口套管磨損失效原因分析及預(yù)防措施研究［J］.石油鉆采工藝，2011，33（2）：140-142.

［3］呂拴錄，滕學(xué)清，李曉春，等. KXS203井口設(shè)備偏磨原因分析［J］.石油鉆采工藝 ，2013，35（1）：118-121.

［4］API SPEC 5CT-2010, Specification for casing and tubing.［S］.

［5］API SPEC 7-2001, Specification for rotary drill stem element［S］.

［6］API 5DP-2009, Specification for drill pipe/ISO 11961-2008 （Identical）, petroleum and natural gas industries—steel drill pipe ［S］.

［7］呂拴錄，袁鵬斌，姜濤，等.鉆桿NC50內(nèi)螺紋接頭裂紋原因分析［J］.石油鉆采工藝， 2008，30（6）：104-107.

［8］API Spec 8C-2005 Specification for drilling and production hoisting equipment（PSL 1 and PSL 2）［S］.

［9］呂拴錄，秦宏德，江濤，等. 73.0mm×5.51mm J55 平式油管斷裂和彎曲原因分析［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（8）：47-49.

（修改稿收到日期2015-06-10）

〔編輯景暖〕

Application analysis of tubing with specially cham fer collar in Tarim Oilfield

YANG Xiangtong1, LYU Shuanlu1,2, WEN Yaxing2, LI Ning1, HUANG Shicai1, GENG Hailong1
（1. Oil & Gas Engineering Research Institute of Tarim Oil Field, Korla, 841000, China; 2. Material Science and Engineering Department of China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

Investigation on application of tubing in Tarim Oilfield indicates that the tubing with 90° shoulder collar may damage the rubber element of BOP during trips, and is often stuck at changes of casing string and in horizontal wells or highly-deviated wells. After investigation on the effectiveness of tubing with 18° specially and 20° specially chamfer collar, the author thinks that the use of these two types can avoid the above problems. Analytical calculation was conducted to the stress state of tubing with 18° or 20° specially chamfer collar during its use, and it was thought that the bearing surface of the 18° specially chamfer collar is more reasonable for bearing stress than that of the 20°. Hence, in order to reduce the types of tubing and ensure the service performance of tubing, the tubing with 18° specially chamfer collar should be used. This paper also makes suggestions as to how to transit from tubing with 90° shoulder collar and 20° specially chamfer collar to that with 18°.

tubing; collar; special chamfer; pipe sticking; Tarim Oilfield

TE934.5

B

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0127 – 04

10.13639/j.odpt.2015.04.032

楊向同，1972年生。1996年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）礦場地球物理專業(yè)，現(xiàn)從事測井和試油技術(shù)研究和管理工作。聯(lián)系人，呂拴錄，E-mail：lvshuanlu@163.com。

引用格式：楊向同，呂拴錄，聞亞星，等.塔里木油田特殊倒角接箍油管的應(yīng)用分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：127-130