177.80 mm特殊螺纹接头套管接箍外径优化设计试验研究

耿海龙，吕拴录，2，李东风，韩 军，杨 鹏

(1.中国石油塔里木油田公司 新疆 库尔勒 841000；2.中国石油大学材料科学与工程学院 北京 102249；3.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

·试验研究·

177.80 mm特殊螺纹接头套管接箍外径优化设计试验研究

耿海龙1，吕拴录1，2，李东风3，韩 军3，杨 鹏3

(1.中国石油塔里木油田公司 新疆 库尔勒 841000；2.中国石油大学材料科学与工程学院 北京 102249；3.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

对177.80 mm套管采用不同接箍外径对油田使用方面的影响进行了调查研究，按照API Spec 5CT—2005第8版和API Spec 5CT—2011第9版规定的套管接箍外径，对177.80 mm 110 BC套管强度分别进行了计算分析，认为API Spec 5CT—2011第9版增大177.80 mm套管接箍外径的原因是为了保证油田常用的几种厚壁套管的接头连接强度和抗内压强度。通过实物验证试验证实：如果采用API Spec 5CT—2005第8版规定的接箍外径，油田常用的几种177.80 mm特殊螺纹接头厚壁套管薄弱环节仍然在接箍部位。建议177.80 mm特殊螺纹接头套管接箍外径按照API Spec 5CT—2011第9版标准执行。

套管；特殊螺纹接头；连接强度；抗内压强度

0 引 言

接箍式套管强度设计原则是既要保证套管连接强度和密封性能，又要保证井眼有足够的间隙。177.80 mm套管一般下入215.9 mm井眼，井眼与套管管体之间的双边间隙为38.1 mm。接箍与井眼之间的间隙取决于接箍外径，接箍外径越小，接箍与井眼之间的间隙越大，有利于保证固井质量，但无法保证接箍与套管管体等强度；接箍外径越大，接箍与井眼之间的间隙越小，不利于保证固井质量，但可以保证接箍与套管管体等强度。

API Spec 5CT—2005第8版规定，177.80 mm套管接箍外径为194.46 mm，API Spec 5CT—2011第9版将177.80 mm套管接箍外径改为200.03 mm。

特殊螺纹接头套管是在API套管基础上研发的，177.80 mm特殊螺纹接头套管接箍外径是否应依据API Spec 5CT最新标准执行，这是油田用户和生产厂争论多年的问题。生产厂认为特殊螺纹接头套管为自己的专利产品，接箍外径由工厂自己决定，不应执行API Spec 5CT最新标准。用户认为现有177.80 mm特殊螺纹接头套管是按照API Spec 5CT—2005标准确定的，接箍外径偏小，接箍为薄弱环节。

因此，解析API Spec 5CT标准中177.80 mm套管接箍外径变化的原因，研究177.80 mm特殊螺纹接头套管接箍外径设计，对于保证套管强度很有必要，也十分迫切。

1 API 177.80 mm套管接箍外径变化解析

按照API Spec 5CT—2005第8版规定的177.80 mm套管接箍外径(194.46 mm)和API Spec 5CT—2011第9版规定的177.80 mm套管接箍外径(200.03 mm)，对177.80 mm 110 BC套管强度计算结果见表1。

表1 各种壁厚不同接箍外径177.80 mm P110 BC套管强度计算结果

从表1计算结果可得出如下结论：

1)按照API Spec 5CT—2005第8版规定(接箍外径为194.46 mm)计算，177.80 mm P110 BC套管，壁厚为5.87～11.51 mm时套管接头抗拉强度高于管体，壁厚为12.65～22.22 mm时套管接头抗拉强度低于管体；壁厚为5.87～11.51 mm时套管内屈服压力随着壁厚增加而增大，壁厚为12.65～22.22 mm时套管内屈服压力保持不变。这说明套管壁厚≥12.65 mm时接箍为薄弱环节。

2)按照API Spec 5CT—2011第9版规定(接箍外径为200.03 mm)计算，177.80 mm P110 BC套管，壁厚为5.87～15.88 mm时套管接头抗拉强度高于管体，壁厚为17.45～22.22 mm时套管接头抗拉强度低于管体；壁厚为5.87～13.72 mm时套管内屈服压力随着壁厚增加而增加，壁厚为15.88～22.22 mm时套管内屈服压力保持不变。这说明套管壁厚为17.45～22.22 mm时在拉伸载荷作用下接箍为薄弱环节，壁厚为15.88～22.22 mm时在内压作用下接箍为薄弱环节。

3)API Spec 5CT—2011第9版将接箍外径改为200.03 mm后可以保证油田常用的壁厚为12.65～15.88 mm的177.80 mm套管接头连接强度和抗内压强度。

4)套管抗挤强度不随接箍外径变化而变化。

2 177.80 mm×12.65 mm 140 特殊螺纹接头套管实物试验

2.1 试样

试样为177.80 mm×12.65 mm 140 特殊螺纹接头套管，接箍名义外径194.46 mm。

2.2 试验项目及流程

试验项目及流程见图1。

图1 特殊螺纹接头套管试验项目及流程

2.3 试验结果

2.3.1 材料性能检测结果

1)化学成分

化学成分分析结果见表1。

2)拉伸试验

拉伸试验结果见表2。

表1 化学成分分析结果(质量分数) %

表2 拉伸试验结果

3)冲击试验

冲击性能试验结果见表3。

4)硬度试验

硬度试验结果见表4。

5)金相分析

家里一个吊扇正哐当哐当地转着，叶之容在吊扇下的躺椅上打盹。她轻手轻脚顺着梯子爬到了阁楼上，可吱吱呀呀的阁楼楼板的响声还是惊醒了叶之容，他在下面喊了声：“开空调！别舍不得电！”

金相分析结果见表5。

2.3.2 实物试验结果

1)螺纹参数及几何尺寸检测

外螺纹接头参数检测结果见表6，内螺纹接头参数检测结果见表7。

表3 冲击性能试验结果

2)上、卸扣试验

上、卸扣试验结果表明，套管螺纹接头没有发生粘扣。

3)内压及拉伸试验

内压及拉伸试验结果见表8。

表4 硬度试验结果(HRC)

表5 金相分析结果

表6 外螺纹接头参数检测结果

表7 内螺纹接头参数检测结果

表8 内压及拉伸试验结果

3 分析讨论

套管在使用过程中发生失效的位置反映了在一定工况条件下套管的薄弱环节[1-3]。套管在实验室试验至失效后破坏位置反映了试验条件下套管的薄弱环节[4-7]。通过失效分析和试验研究找到套管薄弱环节进行改进可以提高套管质量。

1)177.80 mm×12.65 mm 140 BC套管工厂连接端套管抗内压(水)强度为138 MPa。

2)177.80 mm×12.65 mm 140 BC套管在水压试验过程中，从工厂连接端滑脱的主要原因是螺纹密封失效，高压水进入内外螺纹配合间隙处，在接箍内表面形成径向载荷。由于接箍承载能力低于管体，接箍首先胀大变形，最后发生了接头滑脱。

3)177.80 mm×12.65 mm 140套管属厚壁套管，薄弱环节在接箍上，适用于要求抗挤强度高的井底蠕变地层。在深井、超深井选用该种套管时，应以接箍强度为设计依据。

文献[9]通过实物试验得出如下结论：

1)177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺纹接头套管接箍(外径193.68 mm)为薄弱环节，应当按照接箍危险截面尺寸计算试验载荷，按照接箍强度进行套管柱设计。

2)对于存在蠕变地层的井段采用177.80 mm×12.65 mm 140套管(接箍外径193.68 mm)，对于其他井段采用接箍内螺纹接头与管体等强度的套管。

API Spec 5CT—2011第九版将177.80 mm套管接箍外径改为200.03 mm之后，保证了油田常用的177.80 mm套管(壁厚为12.65～15.88 mm)接头连接强度和抗内压强度。API Spec 5CT—2011第九版标准自发布日期使用至今，油田在固井过程中没有发生问题，已经取得了很好的使用效果。

按照API Spec 5CT—2011第九版规定，对于壁厚为17.45～22.22 mm的177.80 mm API套管，在拉伸载荷作用下接箍仍然为薄弱环节；对于壁厚为15.88～22.22 mm的177.80 mm套管，在内压作用下接箍仍然为薄弱环节。如果要选用这些套管，应当以接箍拉伸强度和抗内压强度进行套管设计。

本次试验结果表明，177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺纹接头套管(接箍名义外径194.46 mm)，在实物试验过程中接头首先发生失效，接箍为薄弱环节。特殊螺纹接头虽然为各厂家的专利产品，但是按照API Spec 5CT—2011第九版将177.80 mm特殊螺纹接头套管接箍外径改为200.03 mm之后可以增加接箍壁厚，保证油田常用的177.80 mm特殊螺纹套管(壁厚为12.65～15.88 mm)接头连接强度和抗内压强度。

按照API Spec 5CT—2011第九版规定，对于壁厚为17.45～22.22 mm的177.80 mm特殊螺纹接头套管，在拉伸载荷作用下接箍仍然为薄弱环节；对于壁厚为15.88～22.22 mm的177.80 mm特殊螺纹接头套管，在内压作用下接箍仍然为薄弱环节。在井眼尺寸一定的情况下，如果要选用这些套管，应当以接箍拉伸强度和抗内压强度进行套管设计；如果井眼尺寸允许，若要求保证这些套管拉伸强度和抗内压强度与管体匹配，可以适当增加接箍外径。

4 结 论

1)对于177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺纹接头套管，如果采用API Spec 5CT—2005第八版规定的接箍外径，接箍为薄弱环节。

2)按照API Spec 5CT—2011第九版将177.80 mm特殊螺纹接头套管接箍外径改为200.03 mm之后可以增加接箍壁厚，保证油田常用的177.80 mm特殊螺纹接头套管(壁厚为12.65～15.88 mm)接头连接强度和抗内压强度。

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《石油管材与仪器》编辑部

Test Study on Optimal Design of Coupling Outer Diameter for177.80 mm Casing with Premium Connection

GENG Hailong1, LYU Shuanlu1,2, LI Dongfeng3, HAN Jun3, YANG Peng3

(1.TarimOilField,Korla,Xingjiang841000,China；2.MaterialScienceandEngineeringDepartment,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；3.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077，China)

This paper gives an investigation on application of 177.80 mm casing with different coupling outer diameter in the oil field. It was considered that the reason why the coupling diameter of 177.80 mm casing was increased in API Spec 5CT-2011 9this to guarantee tension joint strength and internal yield pressure for several 177.80 mm casing with thick wall per calculating tension joint strength and internal yield pressure in accordance with API Spec 5CT-2005 8thand API Spec 5CT-2011 9threspectively. It is verified through the full-size test: the weak linking point is still at coupling for several kinds of 177.80 mm premium connection casing with thick wall frequently-used in oil field in accordance with API Spec 5CT-2005 8th. It was suggested that the coupling diameter of 177.80 mm casing with premium connection should be in accordance with API Spec 5CT-2011 9th.

casing； premium connection; tension joint strength; internal yield pressure

耿海龙，男，1982年生，工程师，2006年毕业于西安石油大学石油工程工作，获学士学位，现主要从事石油工程专业。E-mail：genghailong-tlm@petrochina.com.cn

TE931.2

A

2096-0077(2017)02-0038-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.009

2016-09-07 编辑：屈忆欣)