油井管在静水压试验过程中的失稳控制

牛文录，刘金荣，郭庆平，金 博，葛 松

油井管在静水压试验过程中的失稳控制

牛文录1，刘金荣1，郭庆平2，金 博3，葛 松1

（1.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070；2.渤海钻探井下分公司，河北任丘062552；3.长庆油田分公司第五采油厂，西安710201）①

分析了油井管在静水压试验过程中失稳的原因。阐述了失稳的危害，提出了控制失稳的措施，设计了控制失稳的关键装置。从理论及实践上验证了油井管在静水压试验过程中失稳可以控制。

油井管；静水压试验；失稳；控制

甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司自1997年成功研制第1套全自动油井管静水压试验机以来，已经为全国各大油田及钢管生产企业提供了几十套设备，现已形成系列产品［1－4］：管径Ø60.3～Ø1 300mm，管长6～14m，试验压力0～110MPa，设定保压时间0～30s；有单机单管试验和单机双管试验，操作方式有全自动和手动。由于井深的增加，高钢级、特殊螺纹油井管大量应用，对油井管的性能提出了更高的要求，对管体强度和螺纹连接密封性能检验更加严格，试验压力＞50MPa。在试压过程中出现油井管弯曲现象，这是由于油井管受压失稳而产生的，将产生各种危害，本文就此提出了控制措施。

1 失稳原因分析

油井管的试压是通过静水压试验装置来完成的。试压时，由进出料机构将油井管放入试压主机的中心，通过移动密封装置，将油井管的两端推入固定密封装置和移动密封装置之中。通过水压作用，高回弹的密封圈强制抱住油井管，从而使密封装置与油井管形成一个密闭的容腔。通过灌注阀将容腔内注满水，再通过高压缸给密闭容腔注入高压水，直到油井管所试的压力。然后停止注入高压水，使整个密闭容腔处于保压状态，保压到规定的时间后，由缷压阀卸去压力，移动密封装置退回原位，退管装置将油井管拉出固定密封装置，由进出料机构将其起出试压主机，试压结束。

从整个试压过程看，油井管的轴向受力是从注入高压水的加压过程开始，压力从小到大逐步升高，经过保压、瞬间卸压后结束。在整个过程中，不但油井管的两端面受到了高压水的正压力，一端的接箍同时也受到了高压水的正压力，这时油井管充当的是压杆的角色，所受的轴向压力应是管体端面和接箍端面的压力之和，其受力分析如图1。

图1 油井管受力分析

从图1可以看出，试验压力越高，轴向压力就越大。油井管是在加压过程某一时间内，由于所受的轴向压力大于其临界压力，使其不能保持原有直线平衡状态并突然弯曲而失稳的。

2 油井管失稳的危害

失稳是强度和刚度问题之外的另外一种破坏形式。尽管导致油井管失稳的压力远小于油井管发生强度破坏时的压力，但由于油井管失稳的情况突然发生，不但导致试压设备各部件遭到严重的损坏，生产无法继续，同时也会给设备用户的产品带来一定的经济损失。因此，设计试压设备时，必须考虑采取一定的措施，设法消除或消弱油井管所受的轴向压力，防止和控制可能发生的失稳破坏［5－6］。

3 油井管失稳的控制

由材料力学得知［6］，为了提高压杆的稳定性，可以采用4种方法：①减少压杆长度或增加中间支座；②改善约束条件；③合理选择截面；④合理选择材料。对于试压状态的油井管，②、③、④三种方法是不能采用的，只有方法①可以采用。然而油井管是不能缩短的，只能采用增加中间支座来提高油井管的稳定性。经过计算，试验压力＜40MPa，中间支座的间距≤1.8m；试验压力40～70MPa，中间支座的间距≤1.1m，油井管试压是安全的。但是由于受到试压主机结构和空间位置的限制，中间支座数量不能布置太多。

在设计超高压试验设备时，不能仅仅依靠增加中间支座的数量来防止和控制油井管失稳，还必须借助于其他措施来防止和控制。根据以上分析，油井管所受轴向压力是管体端面和接箍端面的压力之和，如果将接箍端面所受轴向压力消除，就能控制油井管所受的轴向压力，使其小于油井管的临界压力，就能保证油井管在试压时不会失稳而破坏设备以及油井管本身。为此，设计了一种接箍挡卡装置，其作用是在油井管进行试压时，用它顶住接箍外端面，将接箍所受轴向压力传给挡卡装置，再由挡卡装置传给机架。接箍挡卡装置的结构如图2所示。

图2 接箍挡卡装置结构

接箍挡卡装置工作过程为：试压时，油井管被推入密封装置，中间支座夹紧油井管后挡卡被2个液缸推入固定端密封装置，紧紧顶住接箍，使其将所受的轴向压力传给挡卡，挡卡通过承载体、液缸、横梁将轴向压力传给机架，从而减小了油井管两端所受轴向力，使其小于油井管临界压力，保证了油井管的稳定；卸压后，移动密封装置退回原位，挡卡装置退回原位，同时将油井管拉出固定密封装置。

4 应用情况

经过改进的油井管静水压试验设备分别在鄯善、延长、江阴等地安装使用，Ø60.3mm（2英寸）或Ø73mm（2英寸）油管分别试压到69MPa和66.5MPa，设备运转正常，均没有发生油管弯曲的现象，达到了设计目的。现场使用证明，试压设备增加了接箍挡卡装置后，油井管的试压是安全的，不会发生失稳现象。

5 结论

1） 通过受力和理论分析，表明油井管在静水压试验过程中失稳是可以控制的。

2） 设计油井管静水压试验设备时，试验压力＜40MPa，中间支座的间距≤1.8m；试验压力在40～70MPa，中间支座的间距≤1.1m，油井管试压是安全的。

3） 设计了接箍挡卡装置，减小了油井管两端所受轴向压力，使其小于油井管的临界压力，保证了油井管的稳定。

［1］ 李 伟，张 弘，邱真理，等.70MPa石油套管静水压试验机的研制［J］.石油矿场机械，1999，28（5）：12-14.

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1001-3482（2012）05-0089-02

2011-10-16

牛文录（1965-），男，甘肃天水人，高级工程师，主要从事石油装备的设计开发工作。