试井井下关节式接头研制及应用

汪敏　王玉根　许绍俊　杨永春　汪琛又

摘 要：针对现有的国内外传统的关节式接头存在关节体与主体分离造成井下落物风险，设计了一种试井井下关节式接头，其构思新颖，设计巧妙合理，整体结构简单紧凑，加工制作容易，成本低，性能优良，安全可靠，适应大斜度井、水平井等特殊井身结构的试井工艺要求，提高了试井施工效率，在川渝油气田试井作业中发挥了重要作用。

关键词：油气井;井下仪器;关节式接头

对井口压力大和产气量高的井试井，仪器工具串较长、较重，在大斜度和方位角、狗腿度突变及管柱结构复杂井段，以及有泥浆、地层出砂、井内结蜡等情况，会造成仪器工具串在管柱内遇卡遇阻，需要安装关节式接头，缩短其刚性长度，增加仪器工具串的柔性度。

近年来，应用国内外传统的关节式接头进行仪器工具串各段的连接，使其在下井过程中有柔性，防止阻卡。但通过调研发现其结构简单、可靠性差，关节体与主体严重磨损，会导致井下落物，参考相关的研究成果，研制了针对试井测试的井下关节式接头。

一、现有关节式接头存在的问题

目前常用的关节式接头由上接头、销钉、主体、关节体、下接头组成，主体下端内部设有球形面，关节体上方设相配合的球形体，通过主体的内球形面和关节体的外球体面组成滑动摩擦副，达到柔性的目的。但传统的井下关节式接头还存在以下缺点：

1、由于主体的内球形面，关节体的外球体面，加工精度不高，尤其主体的内球形面难以达到与关节体相吻合的外球体面，受力点不均匀，在仪器串较重时摩擦力较大，摆动也不灵活。

2、主体的内球形面与关节体的外球体面間隙大，砂粒进入主体的内球形面与关节体的外球体面之间，摩擦力增大，柔性变差，仪器工具串难以通过大斜度井段和方位角、狗腿度突变井段下到预定深度。

3、上接头与主体是用销钉固定，拆卸保养不方便，磨损程度难以观察到，随着主体的内球形面与关节体的外球体面之间不断磨损，间隙逐渐增大，载荷能力和抗冲击能力变差，存在关节体上的球形体滑出主体内球形面，关节体与主体分离的潜在风险，造成仪器工具串落井事故。

由此，以这种关节式接头及工艺为基础，试井作业时，由若干个关节式接头将入井的仪器串工具分解成若干个刚性长度段，在试井过程中一旦发生关节式接头脱落，致使测试失败，必然造成井底与产层无法正常沟通，直接影响油气田经济效益的提高。

二、试井井下关节式接头研制

1.结构

新型试井井下关节式接头主要在现有关节式接头的基础上加以改进，其设计思路是利用由一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成的关节轴承，有较大的载荷能力和抗冲击能力，并具有抗腐蚀、耐磨损、自调心的特点，改变原有的结构连接方式，研制一种结构合理、柔性好、实用性强、安全可靠，用于较长的仪器工具串下入有挠度的井中时防止遇卡遇阻的试井井下关节式接头。

结构如图1，包括上接头、主体、关节体、关节轴承、销钉、下接头组成。上接头上端设外螺纹与试井工具的内螺纹连接，中间设扁方，下端外螺纹与主体的内螺纹相连接;主体设轴向通孔，上端设内螺纹，下端设锥形孔，锥面与中心线的夹角为20°，锥形孔最小孔径的内部上方为一圆形台阶，圆形台阶的上端设圆柱形孔，主体外侧中部设扁方;关节体上端设球形体，中端设圆柱形，下端设外螺纹，靠近末端设径向销钉孔;关节轴承的内圈外壁呈外球面状，外圈内壁呈内球面状，外圈的内球面和内圈的外球面组成滑动摩擦副;销钉为一圆柱体，直径与下接头、关节体的销钉孔一致，长度与下接头最大外径一致;下接头两端部设螺纹孔，上端螺纹孔小于下端螺纹孔，下接头外径与主体外径一致，中间设扁方。

2.工作原理

通过将关节轴承内圈套装在关节体至关节轴承内圈上端平面与外球形体的小台阶面相接，然后将关节体的下端从主体锥度孔穿出，关节轴承外圈与主体内圆形孔滑配，上接头与在主体锁紧，关节体丝扣与下接头连接，并用销钉定位，形成关节体最大摆动幅度20°柔性好的试井井下关节式接头，将试井井下关节式接头依次连接在加重杆、震击器、电子压力温度计等之间，起到缩短刚性长度、增加挠度、减小摩擦作用，使仪器、工具在下井过程中有较好的柔性，不致因管柱某处有挠度而发生卡阻现象。

3.加工工艺要求及性能参数

试井井下关节式接头的上接头、关节体、主体、销钉、下接头材料选用316L不锈钢，螺纹加工保证其加工精度，关节轴承优选高强度、耐腐蚀成品。

试井井下关节式接头最大外径：38mm，总长度：167mm，有效长度：142mm，重量1.09kg，关节体摆动幅度：20°，工作介质：石油、天然气、各类钻井液，可以实现在Φ73m油管内进行有效试井测试，提高了试井成功率。

三、现场应用

2014年05月开始使用试井井下关节式接头，在川渝油气田蒲西001-X1井、威202H3-1井、温泉002-H2井等260多口井，310余次试井作业（有些井最大井斜角达到了63.75°）中，安全可靠，降低了劳动强度，很好地满足了“三高”井、高产井、超深井、大斜度井、水平井等高难度测试工艺的要求。该技术已成功运用在磨溪、云安厂、高石梯等高含硫气田，施工成功率100%，资料合格率100%的好成绩。大斜度井的试井施工费用比直井提高了30%左右的收益，社会及经济效益明显，具有良好的应用前景。

四、结论

（1）经过多次试验及现场应用，试井井下关节式接头避免了仪器工具串与油管内壁碰撞，使仪器串顺利下放至目的井深。

（2）试井井下关节式接头操作方便，有效提高了试井成功率，缩短了试井作业时间，节约了试井费用，减少油气井井下复杂，便于油气井后期生产及维护，延长油气井生产时间。

（3）试井井下关节式接头结构合理、性能稳定、易于加工，可重复投入使用，不仅使测试数据更加准确完整，更为施工作业的安全性、可靠性得到了增强，解决了大产量井、高压井、大斜度井的试井的难题，值得推广。

参考文献

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[3] 聂荣国. 柔性钻具组合防斜钻快的强度分析[J].石油矿场机械，2006（4）：26-29.