连续油管连接器研制与应用

刘海龙，达　勇，侯启太，刘亚明（．新疆油田工程技术研究院，新疆克拉玛依834000；．新疆油田工程技术公司，新疆克拉玛依834000）①

连续油管连接器研制与应用

刘海龙1，达勇2，侯启太2，刘亚明1
（1．新疆油田工程技术研究院，新疆克拉玛依834000；2．新疆油田工程技术公司，新疆克拉玛依834000）①

连续油管连接器的作用是连接连续油管和丢手、封隔器、冲砂头等井下作业工具。油田现场使用的连接器存在装卸繁琐、性能单一等问题，有时其内、外径或扣型等参数无法满足实际工艺需求。针对此现状，研制了一种抗拉、抗扭并能实现密封的连续油管外卡瓦连接器，通过结构设计与优化、材料选择与处理、厂区试验与入井作业，达到预期要求。

连续油管；连接器；结构；试验

连续油管已被广泛应用于冲砂洗井、钻桥塞、气举排液、压裂和配合测试等作业，相比常规油管作业具有很大的优越性［1-3］。目前，连续油管常用的连接器主要分为环压式、螺钉式和卡瓦式等。其中环压式和螺钉式连接器结构简单，主体只有1个零件，制造方便；缺点是装拆复杂，需要预制和切割，而且环压式连接器不能承受转矩，无法满足钻磨等作业的要求［4-5］。因此，笔者根据外卡瓦的原理研制一种便于安装拆卸并能同时承受拉力和转矩的连接器。

1　结构及工作原理

外卡瓦式连接器是通过内壁带有牙齿的锥形卡瓦收缩咬住连续油管实现连接，下端通过螺纹与其他工具相连，其优点是安装方便，性能可靠［6］。通过调研外卡瓦连接器的结构与工作原理，根据油田的配套工具和工艺需求，设计出一种新的外卡瓦连接器，结构及卡瓦形状如图1所示。

连接器由套筒、螺钉、止推环、卡瓦、密封圈和接头6部分组成，其中卡瓦是其核心零件。卡瓦内壁带有环形和条形牙齿，分别实现抗拉和抗扭功能，外壁成锥形、周向开槽使其可以收缩。

连接器主要参数如下：

最大外径ø73mm

最小内径ø36mm

长度约287mm

图1　外卡瓦式连接器与卡瓦

2　材料工艺

目前油田上使用的大部分工具所用的材料是35CrMo合金结构钢，通过调研，42CrMo超高强度钢具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，抗拉强度和屈服强度均优于35CrMo。因此连接器主体部分选用42CrMo调质处理后进行加工。

卡瓦是连接器上的关键零件，首先卡瓦牙齿要咬进连续油管实现抗拉或抗扭能力，需要卡瓦表面尤其是齿尖具有很高的硬度；其次卡瓦在外力的作用下可以收缩，因此卡瓦本体要保持较好的弹性。通过查阅文献并未发现连接器卡瓦的材料与处理资料，参考打捞工具和封隔器整体卡瓦材质的热处理工艺研究［7-8］，卡瓦材料采用20CrMnTi，机加工完成后对齿尖进行渗碳淬火以提高表面硬度。

3　主要参数计算

主要利用理论力学和材料力学的方法，通过材料强度参数和结构尺寸来计算卡瓦的抗拉能力和抗扭能力。

3．1 抗拉能力计算

卡瓦内壁上的环形牙齿咬进连续油管实现抗拉功能，其咬合形式与螺纹连接相似，最大承受拉力为环形卡瓦牙齿根部发生断裂时，卡瓦最大可承受拉力为

F＝10－3K′K［τ］S＝10－3K′K［τ］ZP（πd－Δl）式中：F为卡瓦最大可承受拉力，k N；K′为环形牙齿咬进不均匀系数；K为卡瓦各牙牙齿受力不均匀系数，一般取K＝0．6；S为环形卡瓦齿根受力面积，mm2；Z为环形卡瓦牙齿个数；P为环形卡瓦牙间距，mm；d为卡瓦齿根直径，mm；Δl为卡瓦圆周上开槽宽度，mm；［τ］为卡瓦材料许用剪切强度，MPa。

连接器工作时卡瓦牙齿不能像螺纹啮合一样完全咬进，实际情况是上部、开槽部位咬合较深，下部、开槽背面咬合较浅甚至未咬进（后续试验验证了这一结论），因此取咬进不均匀系数K′＝0．25，代入各数据计算可得连接器最大可承受拉力为372 k N。

3．2 抗扭能力计算

同抗拉强度类似，卡瓦内壁上的条形牙齿咬进连续油管实现抗扭功能，最大承受转矩为条形卡瓦牙齿根部发生断裂时，卡瓦最大可承受转矩为T＝10－3K″K［τ］S′r＝10－3K″K［τ］（πd－Δl）hd／2式中：T为卡瓦最大可承受转矩，N·m；K″为条形牙齿咬进不均匀系数；S′为条形卡瓦齿根受力面积，mm2；r为作用力矩，mm，r≈d／2；h为条形卡瓦牙长度。

条形卡瓦咬紧时上下部均可完全咬进，仅开槽部位咬合较深而背面较浅，因此这里取咬进不均匀系数K″＝0．5，代入各数据计算可得连接器最大可承受转矩为10 050 N·m。

4　性能试验

4．1 抗扭能力

由于缺少转矩计等专业测量转矩工具，连接器的抗扭能力未能进行准确的试验，笔者利用管钳对其进行估测。安装连接器至连续油管，管钳卡住连接器后加长管钳臂至1．5m左右，人工施力的连接器与连续油管未发生相对转动，估算连接器实际最大可承受转矩大于1 500 N·m。配套螺杆钻具的最大输出转矩为1 145 N·m，因此连接器抗扭能力可以满足实际使用需求。

4．2 抗拉能力

利用泵车、连续油管车和公司自制的拉力试压盘配合对连接器的抗拉能力和密封性能进行试验。连接泵车与连续油管车，将连续油管穿过注入头伸出后安装连接器和拉力试压盘，如图3所示。

图3　连接器性能试验

调研现场施工数据得知，连续油管作业时连接器最大承受拉力一般不超过100 k N，因此设计最大试验拉力为150 k N，上提连续油管，至拉力试压盘抵住注入头后按设计载荷数据依次提高上提拉力，进行抗拉试验，记录数据，试验结果如表1所示。

表1　连接器抗拉试验拉力数据k N

由试验结果可以看出，按照设计的数据对连接器施加拉力，在143 k N拉力的作用下连接器能够正常工作，稳定5min后拉力数值略有减小，原因是卡瓦在拉力作用下持续咬进连续油管。因此连接器抗拉能力可以满足现场使用要求，抗拉试验合格。

4．3 密封性能

抗拉试验完成后，启动泵车，进行密封试验。连续油管施工时连接器最大承受内压一般不超过30 MPa，因此设计最大试验压力为35 MPa，采用400型泵车进行试验。按照设计的压力阶梯数据依次提高泵压，记录数据，试验结果如表2所示。

表2　密封试验泵压数据　MPa

由试验数据可以看出，按照设计试验压力依次提高泵压，稳压5min后压力数值略有下降，但观察连接器，未发现滴漏、刺漏，在34．6 MPa压力下密封效果良好，连接器承压能力可以满足现场使用要求，密封试验合格。

试验完成后拆掉连接器观察，发现卡瓦状况良好，牙齿未发生崩断、变形，连续油管上咬痕清晰理想，验证了第2节做出的假设，如图4所示。

图4　连接器试验后卡瓦与连续油管

5　现场应用

2014-10-10，在克××井使用连接器进行连续油管气举作业。12时进行井下工具连接，管柱串从下至上分别为：射流解堵工具＋单流阀＋外卡瓦连接器至连续油管。随后连续油管入井进行作业，至23时作业完成，顺利提出连续油管及井内工具，如图5所示，现场应用成功，验证了该连接器性能达到了现场使用的要求。

图5　现场应用

6　结论

1） 通过设计、分析与试验，到入井作业成功，表明该连续油管外卡瓦连接器结构合理，性能可靠，可以满足油田现场使用的需要。

2） 连接器现场应用成功，解决了目前连接器装拆繁琐、性能单一、扣型不匹配等问题，同时降低了工具购置成本和供货时间，提高了效益。

［1］ 李秋燕，刘铁军，梁宇庭，等．连续油管技术在冲砂作业中应用效果［J］．石油矿场机械，2012，41（6）：84-87．

［2］ 王少力，郑子元．连续油管国产化技术研究新进展［J］．石油矿场机械，2008，37（8）：91-93．

［3］ 贺会群．连续油管技术与装备发展综述［J］．石油机械，2006，34（1）：1-6．

［4］ 陈新欣，雷兰祥，孙怡红，等．连续管水力机械切割工具的研究与应用［J］．石油机械，2013，41（5）：76-78．

［5］ 于东兵，包文德，马卫国，等．连续油管打捞技术专用工具研究现状及展望［J］．石油机械，2007，35（1）：45-47．

［6］ 宁，邹刚，蒋友谊，等．连续管喷砂射孔分段压裂工具的研究与应用［J］．石油机械，2012，40（11）：94-98．

［7］ 孙鑫，程智远，周晓昱，等．连续油管喷砂射孔环空分段压裂工具研制［J］．石油矿场机械，2014，43（6）：73-76．

［8］ 张瑞平，位秉俊．对美制打捞工具卡瓦材料及热处理工艺质量的分析研究［J］．石油矿场机械，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

刘海龙（1988-），男，河北献县人，硕士研究生，主要从事油田井下工具设计研究，Email：646421653＠qq．com。