一种新型直连扣的设计与开发

马春刚

摘 要：随着油田开发后期的到来，套损井越来越多。针对目前采用的常规套管补贴技术无法满足长井段、高井温及施工工艺复杂、工序多、修复后井眼内径变化较大的问题，设计开发了直连型套管。本文針对胜利油田各采油厂逐步对套管破漏、腐蚀损坏严重，损坏段太长，无法作一般修套技术治理的老井采用了下小套管完井技术。即采取在原损坏套管中下入更小规格套管再固井的方法进行治理。此工艺具有施工简单、密封性好且井眼尺寸变化小等特点。

关键词：直连套管；无接箍；锥型螺纹

1直连管的发展趋势与预测

世界各国油田开发进程表明，随着油水井生产的时间延长，开发方案的不断调整和实施，由于地层应力的变化、油水井作业及其他施工的影响，油、气、水井套管技术状况越来越差，使油井不能正常生产，甚至使井报废，以致影响油田稳产。胜利油田在四十余年的开发过程中，由于长期的注水开发，使本来就复杂的地质条件变得更加复杂，套损井也逐年增加。目前胜利油田套管损坏井已占总井数的1/10，套管损坏，不仅使油水井无法正常生产，给井下作业造成困难，而且直接降低井的使用寿命，影响油田开发井网的完善和最终采收率。针对这个问题，最简单有效的方法就是对损坏套管进行补贴作业。

套管柱在建井、完井和油气生产过程中都要承受载荷和环境的作用。在载荷方面，套管柱要承受轴向载荷及外挤力、内压力三种外载。在某些情况下，还要承受弯、扭载荷的作用。在环境方面，套管柱要承受油、气及地下水中腐蚀介质的侵蚀和温度的影响。采用射孔方法完井的生产套管柱，还需承受射孔弹的大能量高温瞬时冲击载荷。

在上述外在服役条件下，套管柱的主要失效模式有挤毁、滑脱、破裂、泄漏及表面损伤等。目前，对变形缩径的套管修复主要采取胀修、整形、磨铣、爆炸修复等工艺技术；对破漏、错断的套管修复主要采取套接工艺技术；但对于破漏、腐蚀点多、段长的油水井，采取局部治理，收效很小，有时补了上段，漏了下段。

针对以上这些问题，经现场施工实践，胜利油田各采油厂逐步对套管破漏、腐蚀损坏严重，损坏段太长，无法作一般修套技术治理的老井采用了下小套管完井技术。即采取在原损坏套管中下入更小规格套管再固井的方法进行治理。实际施工中，根据套管损坏段具体情况，确定小套管下入深度和井段。有几十米，几百米，甚至全井几千米。直连型套管就是专为此种工艺所用的小套管设计的。

2 直连管的结构参数

本新型直连扣总体上为锥形螺纹连接的套管，其锥度为1：16.它包括管体和连接螺纹两部分，这种新型直连管的内、外螺纹拧紧后，连接部分的内、外径与管体的内、外径基本相同。该套管连接后，有内外两个扭矩台阶，上扣时外台阶首先接触，承担一定的扭矩，当扭矩过大时，外台阶部分屈服，内台阶承担过大的扭矩。

在原有的直连管中采用无锥度连接方式，它的密封是通过密封槽加一个2.5mm的密封圈止口部分接触密封，在下井时上扣速度慢，多次上卸扣之后密封圈就会有不同程度的损坏，不能很好的起到密封作用；

改进后的直连管采用锥扣连接，在上扣时速度加快，并除去了密封圈的麻烦，最重要的是通过锥度密封的效果更好，并且可以保证多次上卸扣。具体表现：1 螺纹采用连接改进的偏梯型螺纹形式、连接效率高、不粘扣、寿命长；2 连接螺纹段的内外径与管体内外径完全平齐，在油气井中下入方便；3 采用锥面密封结构，有良好的气密性；4 有内外两个扭矩台阶，抗过扭矩能力强。

齿形为改进型偏梯型螺纹；齿高为0.9-1.575；止口导向面为1：10锥度；承载面角度为30。采用8扣/英寸、6扣/英寸和5扣/英寸的偏梯扣，它们的牙深分别是0.9mm和1.1mm 1.575mm

初步选择最常用的4 1/2〞套管做直连管，它可以下入5 1/2〞的套管内进行大修作业。

3试验与分析

在进行各项理论试验之前，首先对N80钢级、壁厚为6.88和7.37的两种管体做拉伸试验，其拉伸结果如下表：

规格 壁厚 钢级 屈服强度σs（Mpa） 抗拉强度σb（Mpa）

114.3*6.88 6.88 N80 576 820

114.3*7.37 7.37 N80 601 812

在试制初期，通过中国石油大学及技术检测中心对试验产品进行了主要性能试验。分别对Φ114.3×6.88和Φ114.3×7.37两种壁厚的N80钢级直连管进行拉伸试验，试验表明：拉伸试验845.76KN；

分别对6.88、7.37、8.56三种壁厚和N80、P110两种钢级，共6种组合进行上卸扣试验，上卸扣5次都没有出现粘扣现象，扭矩基本上保持在1900N.m。

直连套管静水压力试验耐压55MPa，保压时间6s。

实验结果表明：壁厚为6.88的管体，在公扣端内扭矩台肩不均匀部分有不同程度的变形，壁厚为7.37的管体没有任何变形。

4 方案确定

4.1 牙型的选择

对于8扣/英寸的螺纹，牙深只有0.9mm，螺距为3.175mm，在上扣时由于牙太细，容易错扣，并且0.9mm的牙深在锥扣的抗拉方面安全性能不是太高。所以不推荐使用。

对于5扣/英寸的螺纹，牙深为1.575mm，螺距为5.08mm，对于扣长为80mm的4 1/2〞直连管不适合，它可以选择在5 1/2〞以上的直连套管使用。

4.2 管体壁厚选择

对于壁厚为6.88的管体，采用1：16的锥扣，不论是在公扣还是母扣的止口部位管壁太薄，在运输或者下井的过程中由于磕碰，容易造成变形，影响正常的下井工作，严重者管体直接报废，所以不推荐使用6.88壁厚的管体。

对于8.56壁厚的管体，内通径比7.37壁厚的管体小2.38mm，也就是说在通流面积上小，以1500米管柱为例，比7.37壁厚的重4.34吨，在增加制造成本的同时也增加了悬挂时的安全隐患。所以不推荐使用该壁厚的管体。

4.3 管体钢级选择

一般情况在悬挂长度大于1000米的，1000米以上部分采用P100钢级，1000米以下的部分用N80钢级组合悬挂使用。在小于1000米的管柱全部采用N80钢级管体。

综上所述：在4 1/2〞直连套管的选用中：管体为114.3*7.37 ；钢级为 N80 ；螺纹为6扣/英寸最为合适；

5 现场实例与结论

我们设计开发的直连型套管解决了一些老油井不得不面临报废或停用的问题，在老区块的修井作业中得到了推广应用，有较为广泛的应用前景。直连无接箍套管在研制初期便得到了各采油厂的大力支持，先后在清河采油厂、胜利采油厂、东辛采油厂、孤岛采油厂、临盘采油厂等得到了应用。其中胜采STS9×1因套管多处串漏，并且生产层位出砂严重，因含水量高长期停产。为了保证能够进行常规的防砂工序，下入我们设计开发的Φ114.3×7.37直连套管1640米，固井后顺利完成了正常的作业施工工序，取得了日产油20吨的良好效果。至今该井仍在正常生产。现场的应用证明此种工艺及管柱的组合是非常成功的，能够切合实际的为油田上节约成本发挥重要的作用。

综上所述，直连管的设计与开发，很好的解决了破漏、腐蚀点多、段长的油水井大修的问题，为老油区修井作业带来了福音，同时使得一些濒临报废的油水井再次开产。

参考文献：

[1]宝山钢铁.直连型石油套管.中国专利（专利号： 99211519.1）；

[2]API SPEC 5CT April 1999；