套管、油管接頭質量及適用性評價

2024/5/291背景特殊接頭的開展評價方法開展試驗評價內容內容提要2024/5/292背景油管柱和套管柱通常要承受幾十或上百兆帕的內壓或外壓不均勻外壓拉伸/壓縮載荷彎曲、扭矩高溫/低溫腐蝕介質腐蝕、應力腐蝕、疲勞腐蝕等疲勞載荷溫度循環、載荷循環、振顫載荷的時效地層破壞后性質變化、油氣長期開采后成分變化2024/5/293背景油套管連接螺紋API螺紋非API螺紋圓螺紋偏梯形彈性密封金屬密封直連型整體連接特殊結構螺紋質量評價適用性評價設計質量、生產質量、使用工況生產質量、使用工況提高生產質量、設計水平管材優選為了滿足油田工況要求，油套管接頭類型也有了較大開展。2024/5/294油井管的質量好壞和性能優劣，直接影響著油公司的勘探開發效益和平安生產，對石油工業的開展關系重大。加工工藝、方法與質量控制程序材料化學成分規格連接螺紋類型油井管結構與密封性能背景幾何尺寸力學性能2024/5/295背景特殊接頭的開展評價方法開展試驗評價內容2024/5/296特殊接頭的開展每英寸10牙/8牙V型螺紋API1924每英寸8牙/10牙圓螺紋接頭每英寸8牙偏梯形螺紋接頭出現特殊螺紋接頭法國瓦魯瑞克等公司申請了專利有一百多種特殊螺紋扣型國內近十家制造廠有或正在開發特殊螺紋隨后二十世紀四十年代目前API圓螺紋接頭易發生滑脫氣密封性能缺乏API偏梯形螺紋接頭連接強度高，密封性能缺乏2024/5/297特殊接頭的開展偏梯形螺紋+金屬密封面改進偏梯形螺紋+金屬密封面楔形螺紋+金屬密封面不需螺紋脂的特殊接頭特殊環境應用接頭同樣氣密封性能下抗高拉伸、彎曲、壓縮、疲勞能力提高提高可靠性、易操作性，滿足特殊應用膨脹管接頭雙金屬管特殊接頭內涂層用特殊接頭套管鉆井用接頭低應力耐腐蝕接頭2024/5/298背景特殊接頭的開展評價方法開展試驗評價內容2024/5/299油井管服役條件機械作用（動、靜）環境與介質作用軸向力腐蝕內壓外壓彎曲扭矩碰撞沖擊溫度（交變沖擊）跳鉆、套管射孔上扣、傳遞扭矩水平井分支井泥漿、巖鹽蠕動不均勻泥漿、天然氣高壓注水壓裂酸化自重、摩擦沖刷、浮力H2S、CO2CL-、[O]高溫強度變形應力腐蝕低溫變形斷裂韌性評價方法與以下因素開展相關油井管服役工況試驗技術/方法試驗設備評價方法開展2024/5/2910對溫度、腐蝕、密封性、磨損等特殊因素考慮較少或考慮時無技術依據。目前管柱設計基本上是強度設計，主要是抗拉、抗內壓密封、抗外擠強度校核。導致的結果：一方面套管壁厚越來越厚、鋼級越來越高，按一般安全準則幾乎沒有套管可選；尾管固井間隙越來越小，下不到設計井深就中途遇阻遇卡。另一方面螺紋接頭、管材防腐等方面仍存在較大的事故隱患。單純依據強度校核的管柱設計方法無法保證管柱經濟、平安可靠性。評價方法開展2024/5/2911管柱選擇和驗證評價是管柱設計的補充和完善，是保證管柱設計可靠性不可缺少的環節。管柱種類較多，性能差異很大，一些性能無法通過簡單力學方法確認，如管體的抗擠強度、接頭的連接強度和密封性能等，只有通過驗證評價才能進行確認。標準給出的只是接頭單軸強度，套管的復合承載能力〔尤其是接頭的密封性和耐腐蝕性〕一般并沒有給出。對于特殊工況條件的油、氣井，需要模擬現場工況條件對所選套管的承載能力進行評價，以確認設計是否平安可靠。評價方法開展2024/5/2912評價方法開展在國外油公司管理體系中，具有一定強制性APIRP37(1st)APIRP37(2nd)APIRP5C5(1st)APIRP5C5(2nd)1958年1980年1990年1996年試驗周期縮短油公司，評價方法的優點試驗分級規定試樣長度及組合試驗方法細節增加試驗項目增加模擬井況針對美國南部高壓油氣井APIRP5C5（油、套管接頭評價方法）2024/5/291390年代中期國際標準化組織著手制定油井管柱設計驗證評價標準APIRP5C52nd2002年底《石油天然氣工業-套管和油管試驗程序》APIRP5C53rd/ISO13679第1版密封包絡線和強度包絡線的概念介紹了需進行特殊檢測的特殊工藝強化了不同井況條件下油、套管接頭性能驗證修改補充ISO13679評價方法開展2024/5/2914評價方法開展APIRP5C5(1991、1996)《套管和油管接頭評價程序推薦作法》2024/5/2915評價方法開展APIRP5C5(2003)/ISO13679(2002)《套管和油管接頭評價程序推薦作法》試樣數量減少，試驗難度增加2024/5/2916評價方法開展APIRP5C5/ISO13679(2009征求意見稿)《套管和油管接頭評價程序推薦作法》試樣數量再次減少，試驗難度增加2024/5/2917評價方法開展為防止使用中發生失效，國外各大石油公司普遍制定了自己的油套管接頭質量評價方法，并在訂貨補充條件中規定了必須進行的關鍵試驗內容。2024/5/2918隨著新的鉆完井技術和油井管技術出現，接頭評價技術也需開展可膨脹管連續柔性管套管鉆井評價方法開展2024/5/2919背景特殊接頭的開展評價方法開展試驗評價內容2024/5/2920一般過程確定油井管服役工況分析油井管可能的失效類型，即結構失效和密封失效試驗評價內容2024/5/2921油井管服役條件機械作用（動、靜）環境與介質作用軸向力腐蝕內壓外壓彎曲扭矩碰撞沖擊溫度（交變沖擊）跳鉆、套管射孔上扣、傳遞扭矩水平井分支井泥漿、巖鹽蠕動不均勻泥漿、天然氣高壓注水壓裂酸化自重、摩擦沖刷、浮力H2S、CO2CL-、[O]高溫強度變形應力腐蝕低溫變形斷裂韌性確定油井管服役工況試驗評價內容2024/5/2922分析油井管可能的失效類型，即結構失效和密封失效，包括以下類型變形：彎曲、壓扁、凹陷、失穩等破裂：管體爆裂、接箍縱裂、管體斷裂、錯斷、應力腐蝕開裂、疲勞或腐蝕疲勞斷裂外表損傷：腐蝕、磨損、磨損、螺紋粘結螺紋連接失效：泄漏、滑脫、粘扣、跳扣、斷裂。試驗評價內容2024/5/2923試驗評價內容有限元分析室內模擬評價試驗現場應用評價確定油井管服役工況2024/5/2924API5C5/ISO13679接頭質量評價API5C5/ISO13679：規定接頭的設計和生產質量驗證試驗內容，為一般的質量檢測涉及載荷少：均勻內壓、外壓，軸向拉伸/壓縮，彎曲，溫度為管柱強度設計提供數據參數極限性能、載荷包絡線工況模擬試驗：盡可能接近實際工況：溫度、內壓/外壓、彎曲、軸向載荷、沖擊、振動、腐蝕受設備、技術限制，多種工況不能模擬：超高壓/高溫/高速下的沖蝕、振顫試驗評價內容2024/5/2925APIRP5C5/ISO13679:2002規定的試驗內容試驗分級CAL〔接頭級別〕Ⅳ〔8個試樣〕：適用最苛刻的用途。氣井生產和注采用的油管、套管，使接頭承受各種循環載荷，包括內壓、外壓，拉伸、壓縮與彎曲作用。使接頭經受180℃〔356℉〕高溫和氣體壓力下的熱/壓力-拉伸循環。在壓力-軸向力圖的四個象限里都要進行極限載荷試驗CAL(接頭級別)Ⅲ〔6個試樣〕：適用苛刻的用途。油、氣井生產和注采用的油管、套管。其試驗程序是使接頭承受各種循環載荷，包括內壓、外壓，拉伸和壓縮作用。彎曲作用是可選擇的載荷。溫度和溫度/壓力-拉伸循環試驗條件不如CALⅣ那么嚴格，在135℃〔275℉〕高溫和氣體壓力下試驗5個h。在壓力-軸向力圖的四個象限里都要進行極限載荷試驗。試驗評價內容2024/5/2926APIRP5C5/ISO13679:2002規定的試驗內容試驗分級CAL〔接頭級別〕Ⅱ〔4個試樣〕：適用較不苛刻的用途。適用于油、氣井生產和注采并承受有限外壓的油管、套管及技術套管。其試驗程序是使接頭承受各種循環載荷，包括內壓、拉伸和壓縮作用〔無外壓〕。彎曲可選。135℃〔275℉〕高溫和氣體壓力下試驗。只在內壓-軸向力圖的兩個象限內進行極限載荷試驗。CAL(接頭級別)Ⅰ〔3個試樣〕：適用最不苛刻的用途。適用于油井。其試驗程序是使接頭承受各種循環載荷，包括內壓，拉伸和壓縮作用〔無外壓〕，用液體做試驗壓力介質，彎曲可選，室溫。只在內壓-軸向力圖的兩個象限內進行極限載荷試驗試驗評價內容2024/5/2927APIRP5C5/ISO13679:2002規定的試驗內容試樣準備：接頭按規定極限公差加工。試驗評價內容1槽口最小0.2mm〔0.008in〕深，兩個互成180度角2對兩個槽口進行打磨以防粘扣發生，槽口不能穿過金屬密封面。標準值試樣1、5、6試樣2試樣3試樣4、7、82024/5/2928試樣準備：a)管體應來自同一批材料；b)接箍應來自同一批材料；c)整體接頭所有材料應來自同一批；d)所有材料均應滿足相應材料標準的要求；e)管體實測最小壁厚應不大于試樣管體的名義壁厚。1夾持固定端2彎曲用應變片3應變片與接頭間距離：≥應變片與夾持端距離：≥〕4外螺紋5內螺紋管體最小無支撐長度Lpj試驗評價內容2024/5/2929試樣準備：試樣長度及應變片位置1夾持固定端2彎曲用應變片3應變片與接頭間距離：≥應變片與夾持端距離：≥〕4外螺紋5內螺紋管體最小無支撐長度Lpj試驗評價內容2024/5/2930試驗評價內容每根試樣的試驗內容2024/5/2931試驗評價內容如果上述局部試驗內容，不必整套試驗，已足以驗證接頭對特定用途的適用性；或者其它規格試樣的經驗和相關的試驗數據可以利用，實際操作中可對標準規定的試驗做改動：預計的改動已預先清楚地記錄在案；相關各方一致同意；在試驗研究報告中，要清楚地說明這些變動。2024/5/2932試驗室及設備要求進行全尺寸試驗的試驗室應由認可的國家或國際檢定組織授權。壓力傳感器、應變計和熱電偶之類的檢測和記錄裝置，應定期標定。確保所有使用的試驗機架整機都經過了合法標定。溫度、壓力、拉伸/壓縮載荷在標定范圍內相對誤差應不超過±1.0%。根據試驗載荷的需要或過去的使用狀況，應具有試驗過程中的設備標定能力。試驗室的標定標準和標定操作均應記錄，可追溯。建議進行預演試驗。在正式試驗前用簡化的程序檢驗接頭設計、試驗程序和試驗室能力。正式試樣宜在預演試驗后進行螺紋加工。金屬密封過盈量較小的試樣應進行壓力密封試驗，金屬密封過盈量較大的試樣應用來檢測接頭對粘扣的敏感性。試驗評價內容2024/5/2933上/卸扣試驗試驗的上/卸方法及螺紋脂宜和油田現場作業一致試驗設備必須能記錄扭矩-圈數關系曲線分為抗粘扣上/卸扣試驗、循環上/卸扣試驗、最終上扣制造廠推薦最大及最小螺紋脂用量最小扭矩：<設計最小扭矩的105%最大扭矩：>設計最大扭矩的95%上扣速度：>制造廠推薦最大速度的90%宜垂直上扣試驗評價內容2024/5/2934試驗評價內容上/卸扣試驗每次卸扣后應仔細檢查接頭，并作記錄。評估并記錄扭矩-圈數曲線與觀測到的接頭粘扣的相關性，并在扭矩-圈數曲線圖上記錄所有對改進其他上扣有益的現象和變化每次卸扣后，內、外螺紋僅可采用接頭制造廠為油田使用而制定的技術方法進行修復。所有修復及修復時間都應完整記錄。2024/5/2935氣〔液〕密封性試驗A系試驗：拉伸/壓縮+內壓/外壓循環試驗B系試驗：拉伸/壓縮+內壓+彎曲循環試驗C系試驗：拉伸+內壓+熱循環試驗為平安考慮，氣體壓力試驗的試樣宜填充芯棒，芯棒應采用不含空隙能很快釋放壓力的材料，以免影響試驗結果。以不泄漏作為試驗通過的判定準那么試驗評價內容2024/5/2936氣〔液〕密封性試驗內壓泄漏收集方法O型圈檢漏裝置軟塞檢漏裝置接箍開孔檢漏裝置試驗評價內容2024/5/2937氣〔液〕密封性試驗內壓檢測收集方法外壓泄漏檢測氣泡法內壓泄漏檢測通過泄漏試驗和靈敏性檢查來檢定內壓泄漏檢測系統。對泄漏檢測系統施加0.014MPa壓力的空氣或氮氣來檢驗系統密封性。在壓力穩定后，關閉氣源，觀察氣壓表兩分鐘內的穩定性，壓力下降那么表示系統泄漏。氣體壓力至少保持2min不變。用注入空氣、檢測氣泡試管出氣量的方法判斷靈敏性。以1cm3的增量至少注入10cm3氣泡。計算平均出氣量和進氣量的關系。試驗評價內容刻度0.1cm3或更小刻度的量筒2024/5/2938氣〔液〕密封性試驗氣泡法內壓泄漏檢測保壓期〔穩定期〕內滿足下述要求可認為沒有泄漏。15min保壓有四個連續5min保壓；前三個5min保壓期和后三個5min保壓期〔兩個連續滾動的15min〕水面變化總計都沒有超過0.9cm3；5min保壓期內水位未顯出有變化的趨勢。60min保壓已連續進行13個5min保壓期；前12個5min保壓期和后12個5min保壓期〔兩個連續滾動的60min〕水面變化總計都沒有超過0.9cm3/15min；5min保壓期內水位未顯出有變化的趨勢。試驗評價內容60min保壓15min保壓2024/5/2939氣〔液〕密封性試驗氣泡法內壓泄漏檢測溫度循環保載時，5min內水面只允許有0.3cm3〔0.9cm3/15min=0.3cm3/5min〕的變化，此類試驗泄漏準那么如下：在任何一個5min保溫期內，假設一個試樣捕集到超過0.3cm3的氣泡，那么應再延長10min，總計保溫15min；如果15min保溫期內氣泡管中水面變化大于0.9cm3，那么應保溫1h來評估泄漏，并每5分記錄一次水面變化值。試驗評價內容2024/5/2940氣〔液〕密封性試驗氦氣質譜儀法檢測泄漏每次試驗前要用氮氣或加有氦氣的氮氣注入試驗系統，然后通過對整個管線和檢漏裝置進行氣體嗅探來檢驗系統，檢查氣體中氦氣含量，確定各管線沒有堵塞。整個系統應使用設備供給商推薦的標定泄漏源進行標定，并且每年至少一次。標定時使用標定源代替試樣和泄漏檢測系統的其他局部。試驗評價內容2024/5/2941試驗評價內容加載軸向載荷加載速率：105MPa/min.(15000psi/min)或更小壓力速率：105MPa/min(15000psi/min)或更低彎曲載荷：用應變片測量彎矩，一個管體上至少應粘貼四個雙向應變片，并在同一截面上呈玫瑰狀布置〔最好兩根管體上都有〕，可采用三種彎曲加載方式：四點彎曲固定四點彎曲時，在試樣兩端約束之間等距離放置2個彎曲加載機具，且確保它們施加相等的載荷；三點彎曲在接箍中間加力，得到的彎曲應變數據要按從外載荷作用點到接箍中心的距離與外載荷作用點到應變片中心距離的比值進行修正，修正后的彎矩為作用于接箍的彎矩值；旋轉固定端的均衡彎曲氣〔液〕密封性試驗2024/5/29426.1A系密封性試驗〔I、II級無外壓〕195%VME管體屈服強度包絡線〔和接頭效率有關〕2推薦試驗載荷路徑按逆時針、順時針、再逆時針方向進行3次循環加載。試驗評價內容2a2024/5/29436.2B系密封性試驗〔I級無彎曲，II、III級彎曲可選〕195%VME管體屈服強度包絡線2試驗時，按逆時針、順時針、再逆時針方向進行3次循環加載；試驗評價內容2a2024/5/29446.3C系密封性試驗試驗評價內容5次常溫內壓/拉伸循環試驗(95%)高溫下60分鐘保載(80%)載荷穩定

溫度循環5次高溫內壓/拉伸循環試驗(80%)

2024/5/2945試驗評價內容極限性能試驗

1滿足如下條件時，試驗可以終止

a)試樣發生失效

b)試樣長度變化量超過3%

c)試樣體積變化量超過6%

d)試樣發生持續泄漏

2各級別極限性能試驗

a)III、Ⅳ級按圖示編號進行試驗

b)II級：LP1、LP3、LP5、LP6

c)I級：LP1、LP3、LP6拉伸至失效拉伸條件下內壓至失效高內壓拉伸至失效低內壓拉伸至失效外壓擠毀壓縮條件下外壓擠毀內壓條件下壓縮至失效外壓條件下壓縮至失效2024/5/2946試驗評價內容評判準那么上/卸扣試驗結果沒有觀察到粘扣現象，或者觀察到制造廠規定修復范圍內的損傷并已修復，且接頭沒有發生泄漏，那么認為上/卸扣試驗是可接受的；在制造廠規定的修復范圍內，發生在密封面和/或螺紋上的輕微粘扣都應按照推薦的方法進行修復，修復之后，繼續進行后續試驗；除上面已討論的輕微粘扣可接受外，粘扣是不能被接受的。任何嚴重的粘扣都應評估其原因。粘扣的評估應說明粘扣的原因是否來自設計缺陷。如果能夠證明粘扣的原因不是來自于設計缺陷，那么至少用與以前試樣相同的兩個備用試樣重新進行上/卸扣試驗，從而確定是否能通過上/卸扣試驗。并且用一個單獨試樣進行密封和極限載荷試驗。如果粘扣問題沒有解決，那么應終止試驗。2024/5/2947試驗評價內容評判準那么載荷密封試驗結果如果滿足此試驗規定的壓力密封要求且未發生結構失效，那么認為載荷包絡線試驗可接受。在保載期間，載荷保持恒定；采集時間不低于15min，泄漏速率小于1×10-3cm3/s(相當于3.6cm3/h，或0.9cm3/15min)；泄漏速率沒有明顯增加的趨勢。如果載荷包絡線試驗結果沒有到達接頭適用級別的要求，可采取如下措施進行處理：進行接頭設計審核，重新進行全尺寸試驗；審核試驗載荷值，然后找出不滿足審核后的試驗載荷要求的試樣，重新進行試驗。如果極限載荷試驗失敗：——首先審核設計，然后重新進行全尺寸試驗；——審核載荷密封試驗的試驗載荷值。如果試驗結果到達審核后的極限載荷和載荷密封試驗的試驗載荷值要求，不必再做試驗。所有的極限載荷都應超出試驗載荷包絡線。2024/5/2948APIRP5C5/ISO13679側重于接頭設計驗證，評價接頭結構強度及氣密封性能是否滿足軸向載荷、均勻外壓/內壓載荷、彎曲和溫度的作用下設計及生產要求。適用一般工況不涉及旋轉扭矩下的復合載荷作用和非軸對稱〔面、線、點接觸〕載荷。不適用于中、短曲率半徑油氣井〔>20°/30m〕不適用于地熱和蒸汽，高溫油氣井〔>180℃〕未考慮接頭密封面驟冷〔淬火〕。未考慮接頭結構與環境介質作用。未考慮各種可能損傷對接頭性能的影響。為考慮管柱整體的性能。試驗評價內容工況模擬試驗ISO13679與實際工況脫節2024/5/2949工況模擬試驗主要圍繞管柱工況和標準開展管柱設計載荷：上卸扣、內壓/外壓、軸向載荷、彎曲、溫度管柱可能腐蝕：H2S,Cl-,CO2等介質，縫隙、應力、疲勞等腐蝕標準：API5B、API5C5/ISO13679、API5CT、ISO13680產品標準、訂貨技術條件管柱可靠性分析及壽命期內可靠性開展變化試驗評價內容2024/5/2950工況模擬試驗目的評價材料對環境適應性評價接頭對工況與環境的適應性評價管柱結構對工況與環境的適應性試驗評價內容2024/5/2951試驗評價內容材料的選擇與評價化學成分力學性能金相組織材料與環境作用：腐蝕點蝕、縫隙、應力〔硫化物、氯化物〕、疲勞、振顫、電化學、沖蝕磨損涂鍍層老化與損傷2024/5/2952材料的選擇與評價重點是：化學成分；金相組織；強度硬度；腐蝕性能。腐蝕性能腐蝕環境設計：應考慮中后期環境的變化腐蝕類型：介質與溫度腐蝕，電化學腐蝕，縫隙、應力〔硫化物、氯化物〕、疲勞、磨振、沖蝕試驗評價內容2024/5/2953試驗評價內容接頭的選擇與評價接頭拉伸/壓縮效率接頭內壓密封效率接頭與環境作用：腐蝕縫隙、應力〔硫化物、氯化物〕、電化學、沖蝕、磨振腐蝕磨損內外表涂鍍層在接頭臺肩處理2024/5/2954接頭的選擇與評價載荷作用下接頭內應力分布有限元、試驗檢測載荷作用下接頭強度與密封有限元、試驗檢測接頭操作便利性接頭結構與材料交互作用試驗檢測縫隙腐蝕應力〔硫化物、氯化物〕腐蝕疲勞腐蝕磨振腐蝕沖蝕接頭處內外表涂鍍層處理試驗評價內容2024/5/2955接頭的選擇與評價試樣準備試樣應保證檢測出最差性能。試樣準備應考慮但不局限于如下參數：密封直徑；螺紋中徑；螺紋錐度；外表硬度：對耐腐蝕性有影響；外螺紋鼻端厚度。具體參數參照API5C5質量評價的試樣準備。井場或庫房的隨機取樣也可以，這樣不能保證檢測出最差性能，但具有統計學意義。為了保證使用平安，必須增加試樣數。試驗評價內容2024/5/2956試驗評價內容接頭的選擇與評價