塔里木油田特殊倒角接箍油管的应用分析

杨向同　吕拴录，　闻亚星　李　宁　黄世财　耿海龙（.塔里木油田油气工程研究院，新疆库尔勒　84000；.中国石油大学材料科学与工程系，北京　049）

塔里木油田特殊倒角接箍油管的应用分析

杨向同1吕拴录1，2闻亚星2李宁1黄世财1耿海龙1
（1.塔里木油田油气工程研究院，新疆库尔勒841000；2.中国石油大学材料科学与工程系，北京102249）

通过对塔里木油田油管使用情况进行调查研究，认为90°台肩接箍油管在起下作业过程中容易损坏封井器密封胶芯，在套管柱结构变化处、在水平井和大斜度井经常阻卡。笔者对现有18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管使用效果进行调查研究，认为采用这2种特殊倒角接箍油管均可以避免上述问题。对18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管在使用过程中的受力情况进行了分析计算，认为18°特殊倒角接箍台肩承载面比20°特殊倒角接箍承载面受力更合理。为了减少油管品种，并保证油管使用性能，应当采用18°特殊倒角接箍油管。对如何从现有的90°台肩接箍油管和20°特殊倒角接箍油管过渡到18°特殊倒角接箍油管提出了具体的建议。

油管；接箍；特殊倒角；阻卡；塔里木油田

目前，大多数油田采用90°台肩接箍油管，但90°台肩接箍油管在起下作业过程中容易损坏封井器密封胶芯，在套管柱结构变化处、在水平井和大斜度井经常阻卡。为解决这些问题，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，由于历史原因，塔里木油田现有90°台肩接箍油管、18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管。同一尺寸规格的油管采用3种台肩角度的接箍，这就增加了油管品种，给油管及吊卡订货带来麻烦，给油管使用管理增加了难度。为了减少油管品种，塔里木油田几年之前就试图统一油管接箍台肩形状，但由于技术人员对现有90°台肩接箍油管、18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管优缺点认识不同，无法达成一致意见。因此，应当对塔里木油田现有90°台肩接箍油管、18°特殊倒角接箍油管和20°特殊倒角接箍油管使用情况进行全面调查研究，分析不同台肩角度接箍受力状态和优缺点，最终优选结构合理、使用性能良好的油管品种。

1　90°吊卡台肩接箍油管存在的问题

1.1对环形封井器密封胶芯摩擦损坏严重

在起下油管柱作业过程中，油管接箍90°台肩对环形封井器密封胶芯摩擦损坏严重，在冲砂等作业过程中易出现井喷问题，无法正常带压起下管柱作业。依据其他油田经验［1］，对于井口压力低于0.5 MPa的油水井，液压系统压力保持8 MPa以下，可实现有效密封，但一口井一般要损坏1个胶芯。对于井口压力高于0.5 MPa的油水井，损坏的胶芯更多。依据某油田统计结果，即使严格执行操作规程，单井平均损坏胶芯都达5个，个别井损坏的胶芯多达10余个。频繁更换胶芯不但非常麻烦，而且劳动强度大。这不仅增加了作业成本，而且严重影响了作业时效。为避免或减少胶芯损坏，有些作业服务公司不得不采用不带压作业修井。

1.2在套管柱结构变化处容易阻卡

在套管柱回接喇叭口变径位置或者套管尺寸规格变化位置，由于套管内径发生了突变，在起下油管柱过程中接箍90°台肩位置容易挂卡。例如，KS2井，油管柱下井到Ø139.7 mm喇叭口变径位置时遇阻，不得不旋转管柱下井，2 h才能下入1根油管。

1.3容易磨损井口设备

在下油管柱过程中，受现场各种因素影响，游动滑车轻微摆动，或油管柱和井口不同心，经常发生油管接箍90°台肩与封井器和采油四通等碰撞，致使井口设备磨损［2-3］，井口套管磨损、卷边和缩径，大工具难以下井，此外，油管接箍90°台肩位置也易损伤。

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积，特别是裸眼水平井段起下油管柱作业过程中，本身就存在很大的摩阻，要求油管柱外壁不能有大的结构突变。在水平井和大斜度井的裸眼井油管接箍90°台肩增加了起下油管阻力，台肩更容易挂卡，甚至易出现砂卡，此外，油管接箍90°台肩对套管内壁磨损严重。

2　特殊倒角接箍油管的应用

为了解决90°台肩接箍油管在使用过程中存在的问题，塔里木油田使用了API Spec 5CT［4］规定的20°特殊倒角接箍油管和非API标准18°特殊倒角接箍油管。

2.1技术创新

2.1.1API油管接箍采用2种倒角

（1）API油管接箍两端采用API SPEC 5CT规定的20°特殊倒角（图1）。

（2）API油管接箍两端也采用了非API标准的18°特殊倒角（图1），螺纹接头参数与API SPEC 5CT和API SPEC 5B要求相同。原因是塔里木油田曾经使用过90°台肩钻杆和18°台肩钻杆［5-6］，发现18°台肩钻杆性能远远优于90°台肩钻杆［7］。依据油田多年使用18°台肩钻杆的成功经验，塔里木油田API油管接箍两端也采用了非API标准的18°特殊倒角。

图1　API油管接箍两端采用的20°和18°特殊倒角

2.1.2特殊螺纹接头油管接箍特殊螺纹接头油管接箍两端采用18°特殊倒角（图2）。特殊螺纹接头油管接箍螺纹参数与API油管接箍螺纹参数不同。

图2　特殊螺纹接头接箍特殊倒角要求

2.2应用效果

（1）特殊倒角接箍油管有利于带压起下管柱作业。特殊倒角接箍油管柱在起下作业过程中，接箍台肩不易与封井器和采油四通等碰撞，有利于带压起下管柱作业。

（2）特殊倒角接箍油管柱在起下作业过程中，在套管柱规格变化位置不会挂卡，可以顺利通过。

（3）特殊倒角接箍油管柱在起下作业过程中摩阻小，有利于保证在斜井段、水平井段和裸眼水平井段起下作业，同时也减轻了油管柱外壁与套管柱内壁磨损。

3　特殊倒角接箍油管受力分析及优选

3.1特殊倒角接箍油管受力分析

在使用过程中，油管接箍受力可以简化为图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。

图3　API油管接箍受力示意图

垂直斜面方向支持力FN计算如下

式中，σN为接箍特殊倒角垂直斜面方向应力，MPa；FN为油管接箍特殊倒角垂直斜面方向的支持力，N；α为油管接箍特殊倒角，°；S为接箍锥面接触面积，m2；G为接箍受管柱重力，N。

对于20°特殊倒角接箍，接箍锥面接触面积S计算如下

式中，W为接箍外径，m；Bf为接箍倒角直径，m。

对于18°特殊倒角接箍，接箍锥面接触面积S计算如下

式中，W为接箍外径，m；Q为接箍镗孔直径，m；B为接箍台肩宽度，m。

按照以上公式对油管接箍2种特殊倒角垂直斜面方向应力σN计算，结果见表1。

表1　油管接箍特殊倒角垂直斜面方向应力σN计算结果

3.2计算结果对比

由表1可知，管体外径73.02 mm油管采用API标准20°特殊倒角接箍或非API标准18°特殊倒角接箍时，外加厚油管接箍倒角垂直斜面方向应力比平式油管大。管体外径73.02 mm外加厚油管采用API 标准20°特殊倒角接箍比采用非API标准18°特殊倒角接箍倒角垂直斜面方向应力小，平式油管则相反。

管体外径88.9 mm和101.60 mm油管采用API标准20°特殊倒角接箍或非API标准18°特殊倒角接箍时，、外加厚油管接箍倒角垂直斜面方向应力比平式油管小；管体外径88.9 mm、101.60 mm加厚油管和平式油管采用API标准20°特殊倒角接箍比采用非API标准18°特殊倒角接箍时接箍倒角垂直斜面方向应力大。

管体外径114.30 mm采用API 标准20°特殊倒角接箍或非API标准18°特殊倒角接箍时，外加厚油管接箍倒角垂直斜面方向应力比平式油管小；管体外径114.30 mm外加厚油管采用API 标准20°特殊倒角接箍比采用非API标准18°特殊倒角接箍倒角垂直斜面方向应力大，平式油管则接近；管体外径为114.30 mm采用非API标准18°特殊倒角接箍外加厚油管倒角垂直斜面方向应力最小。

管体外径114.3 mm油管采用API 标准20°特殊倒角接箍和非API标准18°特殊倒角接箍倒角垂直斜面方向应力差别不超过18.9%，其余规格油管采用API 标准20°特殊倒角接箍和非API标准18°特殊倒角接箍倒角垂直斜面方向应力差别不超过10.0%。采用非API标准18°特殊倒角接箍时，4种规格油管特殊倒角垂直斜面方向应力平均值比API标准20°特殊倒角接箍小，两者之差不超过7.0%。总体来看，非API标准18°特殊倒角接箍比API标准20°特殊倒角接箍受力更合理。

3.3油管特殊倒角接箍优选

目前，API 标准20°特殊倒角接箍和非API标准18°特殊倒角接箍油管在塔里木油田使用效果均很好，但是油管品种和吊卡品种增加了一倍。这给油田订货、使用管理带来不少麻烦，应尽快统一特殊倒角接箍油管标准。从油管接箍特殊倒角位置所受应力方面考虑，18°特殊倒角接箍油管比20°特殊倒角接箍油管更好，且两者加工成本没有多大差异，今后应统一订购非API标准18°特殊倒角接箍油管。另外，考虑到现有特殊螺纹接头油管接箍为18°特殊倒角，API油管采用非API标准18°特殊倒角接箍之后，特殊螺纹接头油管和API螺纹接头油管可以统一使用18°台肩吊卡。因此，塔里木油田应统一采用18°特殊倒角接箍油管。

4　现有两种特殊倒角接箍油管和吊卡的处理

（1）对于现有的API标准20°特殊倒角接箍油管，使用20°台肩吊卡，使用完为止。

（2）非API标准18°特殊倒角接箍油管可否使用剩余的20°台肩吊卡，应依据下面受力分析结果来定。非API标准18°特殊倒角接箍油管使用20°台肩吊卡时受力如图4所示。由于18°特殊倒角接箍和20°台肩吊卡不匹配，使用后吊卡对接箍的作用力并不是分布在斜面上，而是吊卡台肩下沿圆周边界与接箍台肩线接触，随着管柱质量增加，吊卡与接箍由线接触变为面接触。

图4　18°特殊倒角接箍油管使用20°台肩吊卡时受力

依据API Spec 8C［8］对20°和18°特殊倒角接箍油管吊卡 （图5） 尺寸计算。

图5　特殊倒角接箍油管吊卡结构

由式（1）可得18°特殊倒角接箍和20°台肩吊卡匹配，两者接触宽度为x时的接箍特殊倒角垂直斜面方向应力σN计算如下

式中，D为吊卡下孔直径，m；x为接箍锥面与吊卡锥面接触长度，m。

计算表明，非API标准18°特殊倒角接箍油管使用20°台肩吊卡时，接箍斜面应力集中严重［9］，接箍斜面上应力急剧上升，故非API标准18°特殊倒角接箍油管不宜采用20°台肩吊卡。

（3）可将剩余的20°台肩吊卡机加工改为18°台肩吊卡。

5　结论及建议

（1） API 标准20°特殊倒角接箍和非API标准18°特殊倒角接箍两种形式油管在塔里木油田使用效果均很好，有效地解决了90°台肩接箍油管在使用过程中存在的问题。

（2）油管采用非API标准18°特殊倒角接箍比API 标准20°特殊倒角接箍受力更合理，且两者加工成本没有多大差异。建议：将现有库存的API标准20°特殊倒角接箍油管使用完为止，今后订货统一采用非API标准18°特殊倒角接箍油管和18°台肩吊卡；可将剩余的20°台肩吊卡机加工改为18°台肩吊卡。

［1］朱文琪，沈路，韩守连，等.油水井管柱台肩的改进［J］.石油矿场机械，2014，43（9）：100-102.

［2］ 许峰，吕拴录，康延军，等. 井口套管磨损失效原因分析及预防措施研究［J］.石油钻采工艺，2011，33（2）：140-142.

［3］吕拴录，滕学清，李晓春，等. KXS203井口设备偏磨原因分析［J］.石油钻采工艺 ，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］吕拴录，袁鹏斌，姜涛，等.钻杆NC50内螺纹接头裂纹原因分析［J］.石油钻采工艺， 2008，30（6）：104-107.

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

［9］吕拴录，秦宏德，江涛，等. 73.0mm×5.51mm J55 平式油管断裂和弯曲原因分析［J］.石油矿场机械，2007，36（8）：47-49.

（修改稿收到日期2015-06-10）

〔编辑景暖〕

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

杨向同，1972年生。1996年毕业于中国石油大学（华东）矿场地球物理专业，现从事测井和试油技术研究和管理工作。联系人，吕拴录，E-mail：lvshuanlu@163.com。

引用格式：杨向同，吕拴录，闻亚星，等.塔里木油田特殊倒角接箍油管的应用分析［J］.石油钻采工艺，2015，37（4）：127-130