提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法
2023-07-22 17:45:21 2
專利名稱：提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法
技術領域：
本發明涉及石油和天然氣エ業中提高API圓螺紋油管和套管實物性能的技術領域，特別涉及同時提高API圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的綜合控制方法。
背景技術：
油管和套管是石油和天然氣勘探、開發中十分重要且使用量大的器材，在開發總成本中平均佔到25%左右。油管和套管通過帶有一定錐度的螺紋逐根連接成管柱，下入井裡形成油氣通道。API (American Petroleum Institute,美國石油協會)標準規定的圓螺紋簡稱API圓螺紋，由於具有加工簡單、維修方便、密封性能好且價格便宜的優點，被作為油管和套管接頭螺紋廣泛使用。 為保證良好的互換性，API圓螺紋尺寸參數公差較大。由於API圓螺紋上扣後接頭兩端接觸壓カ較高，螺紋容易發生粘扣現象，而粘扣容易造成螺紋面損壞，從而導致螺紋接頭密封不嚴，甚至連接強度達不到標準要求；由於API圓螺紋尺寸參數公差較大，處於標準公差範圍內的上限外螺紋和下限內螺紋進行上扣配合時，接頭兩端螺紋會出現粘扣現象，而處於標準公差範圍內的下限外螺紋和上限內螺紋進行上扣配合吋，則容易發生外螺紋接頭從內螺紋接頭滑脫的現象。如果井下螺紋接頭發生洩漏或脫扣，將導致經濟損失甚至重大安全事故，這使API圓螺紋的使用受到限制，特別是近幾年隨著深井和水平井的不斷增多，要求API圓螺紋油管和套管具有良好的抗粘扣性能同時具有高的連接強度。因此，在實際應用中，需要採取措施來提高API圓螺紋油管和套管的抗粘扣性能和連接強度以滿足實際應用的需要。目前常用的方法是根據實際需要，通過對某一參數進行定性調整，如螺紋材料等，來提高螺紋接頭的抗粘扣性能或連接強度。在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題現有的提高API圓螺紋油管和套管的抗粘扣性能和連接強度的控制方法，實際應用時往往出現注重改善抗粘扣性能結果降低了接頭的連接強度，或在提高接頭的連接強度的同時消弱了接頭的抗粘扣性能。專利號為99240437. I的中國實用新型專利公開了ー種增大螺紋始端牙型角的方法來提高螺紋的抗粘扣性能，但增大螺紋牙型角會導致螺紋齒減薄，並且始端螺紋嚙合後的螺紋縫隙加大，螺紋的抗粘扣性能得到改善但螺紋的連接強度和密封性能受到很大的影響。
發明內容
本發明實施例的目的是針對上述現有技術的缺陷，提供一種提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，通過對油管、套管和接箍材料屈服強度及內外螺紋參數等綜合控制，既提高了 API圓螺紋油管和套管抗粘扣性能，同時螺紋連接強度得到很大的提尚。為了實現上述目的本發明採取的技術方案是提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，所述控制方法包括控制油套管和接箍材料的屈服強度及控制內、外螺紋參數，其中所述控制油套管和接箍材料的屈服強度具體為控制所述油套管材料的屈服強度最低值比美國石油協會API Spec 5CT標準規定的最低值高8-12%，控制所述接箍材料的屈服強度最低值比所述油套管材料的屈服強度最低值高1-3% ；所述內、外螺紋具體為接箍內螺紋和油套管外螺紋，所述控制內、外螺紋參數具體為控制所述內、外螺紋的錐度所述內、外螺紋每米長度上直徑增量為60-65mm/m，控制所述內、外螺紋的螺距偏差所述內、外螺紋每英寸長度上的所述螺距偏差為-O. 05-+0. 05mm,控制所述內、外螺紋的牙型高度偏差所述內、外螺紋的所述牙型高度偏差為-O. 025-+0. 05mm。 進ー步地，所述控制方法還包括控制所述套管的幾何尺寸。進ー步地，所述控制方法還包括控制所述接箍內螺紋表面處理質量。進ー步地，所述控制方法還包括控制所述油套管的黑頂螺紋。具體地，所述控制油套管的幾何尺寸具體為控制所述油套管的外徑偏差為所述油套管的公稱直徑的0_+1% ；控制所述油套管的壁厚最小值大於等於所述油套管的公稱壁厚的92. 5% ；控制所述油套管的外徑橢圓度小於等於1% ；控制所述油套管的壁厚不均度小於等於13%。具體地，所述控制所述接箍內螺紋表面處理質量具體為控制所述接箍內螺紋表面磷化層光滑、均勻、緻密，無脫落現象，所述磷化層和所述接箍內螺紋基體連接緊密，控制所述磷化層的厚度為O. 018-0. 028mm。具體地，所述控制所述油套管的黑頂螺紋具體為控制所述黑頂螺紋起始扣沿圓周一致，所述黑頂螺紋各方位起始扣位置相差在2扣以內。本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是通過對油套管和接箍材料屈服強度及內外螺紋參數等綜合控制，既提高了 API圓螺紋油套管的抗粘扣性能，同時其連接強度也得到很大的提高，從而增強了 API圓螺紋油套管接頭在井下的密封可靠性和強度可靠性，保證了 API圓螺紋油套管的安全使用。採用此方法對油田所用圓螺紋油套管進行質量檢測和控制，套管事故下降明顯，以每年減少20 ロ井發生套管質量問題為例，毎年可避免的直接經濟損失就超過至少3000萬元。該方法的推廣將給油田帶來顯著的經濟效益和社會效益。
圖I是本發明實施例中提供的兩根油/套管和一個接箍螺紋連接後的接頭示意圖。其中I、油/套管，2、接箍。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進ー步地詳細描述。實施例I本發明實施例提供了ー種同時提高API圓螺紋油/套管抗粘扣性能和連接強度的綜合控制方法，參見圖1，所述控制方法包括控制油/套管I和接箍2材料的屈服強度及控制內、外螺紋參數，所述內、外螺紋具體為接箍2內螺紋和油/套管I外螺紋。本發明實施例是針對API圓螺紋油套管的控制方法，其他沒有提到的參數均按照API標準要求進行控制。滑脫本質上是內、外螺紋連接部位發生了屈服變形，歸根到底是材料發生了失效，所以材料的屈服強度是影響API圓螺紋套管連接強度的最重要的因素之一。増大油/套管和接箍材料的屈服強度，可明顯增大螺紋接頭抵抗變形的能力，從而増大了螺紋接頭的連接強度。
螺紋參數與粘扣的關係較大，例如螺紋的錐度和螺距波動太大會導致內外螺紋的軸向幹渉増大，進而容易導致粘扣。因此通過控制螺紋參數，可以有效的預防粘扣現象的發生。綜上所述，本發明實施例通過對油/套管和接箍材料屈服強度及內外螺紋參數進行綜合控制，既能提高API圓螺紋油/套管抗粘扣性能，又能提高其連接強度，從而增強API圓螺紋接頭在井下的密封可靠性和強度可靠性，保證API圓螺紋油/套管的安全使用。所述控制方法還包括控制油/套管I的幾何尺寸。API圓螺紋油/套管容易發生滑脫失效，滑脫載荷與管體外螺紋部分的強度密切相關，因而控制油/套管的幾何尺寸可以改善管體外螺紋部分的強度，從而有效控制了 API圓螺紋油/套管滑脫失效現象，進ー步提高了 API圓螺紋油/套管的連接強度。所述控制方法還包括控制接箍2內螺紋表面處理質量。螺紋粘扣是由於內、外螺紋表面粘著磨損引起的，對螺紋表面進行處理，改變摩擦副之間的互溶性，提高潤滑作用，從而提高了螺紋的抗磨損性能，進ー步提高了抗粘扣性倉^:。所述控制方法還包括控制油/套管I的黑頂螺紋。通過控制黑頂螺紋可以使螺紋部位在360°圓周上的應カ分布均勻，從而進ー步提高了 API圓螺紋油/套管的連接強度。實施例2為了保證API圓螺紋油/套管抗粘扣性能和連接強度均衡地提高，本實施例在實施例I的基礎上對各參數進行了定量控制。本發明實施例中所述控制油/套管I和接箍2材料的屈服強度具體為控制油/套管I材料的屈服強度最低值比API Spec 5CT標準規定的最低值高8-12%，控制接箍2材料的屈服強度最低值比油/套管I材料的屈服強度最低值高1_3%。本發明實施例中所述控制內、外螺紋參數具體為控制所述內、外螺紋的錐度所述內、外螺紋每米長度上直徑增量為60-65mm/m ；控制所述內、外螺紋的螺距偏差所述內、外螺紋每英寸長度上的所述螺距偏差為-O. 05-+0. 05mm ；螺紋參數中錐度和螺距與粘扣的關係較大，錐度和螺距波動太大會導致內外螺紋的軸向幹渉増大，進而容易導致粘扣，通過控制螺紋的錐度和螺距有利於防止粘扣現象的發生，提高了 API圓螺紋油/套管的抗粘扣性能。控制所述內、外螺紋的牙型高度偏差所述內、外螺紋的所述牙型高度偏差為-O. 025-+0. 05mm。牙型高度是影響螺紋連接強度的ー個重要因素，將牙型高度偏差控制在正偏差範圍內，一方面增加了螺紋承載面的面積，提高了承載面的摩擦力，減小了滑移的可能性，提高了螺紋的連接強度，另ー方面，牙型高度増加使螺紋滑脫時需要克服的徑向變形量也相應增大，螺紋的連接強度也得到了提高。所述控制油/套管I的幾何尺寸具體為控制油/套管I的外徑油/套管I的外徑偏差為0-+1% D,D為油/套管I的公 稱直徑；控制油/套管I的壁厚油/套管I的壁厚最小值彡92. 5% t，t為油/套管I的公稱壁厚；圓螺紋油/套管容易發生滑脫失效，滑脫載荷與管體外螺紋部分(尤其是嚙合螺紋最後ー扣附近)的強度密切相關，増大管體外徑和壁厚也就増大了外螺紋部分的壁厚，從而提高了圓螺紋油/套管的連接強度。控制油/套管I的外徑橢圓度油/套管I的外徑橢圓度彡1% ；外徑橢圓度太大，會導致上扣後的內外螺紋接觸不均勻，從而造成螺紋受カ不均，降低了螺紋接頭的承載能力，合理控制油/套管的外徑橢圓度可以提高螺紋接頭的承載能力。控制油/套管I的壁厚不均度油/套管I的壁厚不均度彡13%。其中壁厚不均度ξ =(卜+:、1)う2，tmax和tmin分別是測量油/套管I某ー橫截面上的多個壁厚值中的最大值和最小值。均勻的壁厚能使油/套管在加工過程中更好的對中，加工的螺紋更加均勻，如果壁厚不均度較大，則同一截面螺紋齒底處有的方位壁厚大，有的方位壁厚小，壁厚最小的地方應カ大，會優先發生失效，降低了螺紋接頭的連接強度，本實施例通過控制壁厚不均度，可以有效提高螺紋接頭的連接強度。本發明實施例中所述控制接箍2內螺紋表面處理質量具體為控制接箍2內螺紋表面磷化層目測時光滑、均勻、緻密，無脫落現象，採用金相觀察所述磷化層和接箍2內螺紋基體連接緊密，控制所述磷化層的厚度為O. 018-0. 028mm。螺紋粘扣是由於內、外螺紋表面粘著磨損引起的，對螺紋表面進行處理，改變摩擦副之間的互溶性，提高潤滑作用，從而提高了螺紋的抗磨損性能。表面磷化層厚度很薄吋，磷化層粘附能力差，在較高的扭矩作用下內、外螺紋基體接觸並容易發生粘扣，増加磷化層厚度，則磷化層在基體上的附著力增強，內、外螺紋基體不易接觸，抗過扭能力增強，可明顯提高圓螺紋的抗粘扣性能。但太厚的磷化層厚度對螺紋參數的改變較大，會影響螺紋的嚙合程度，降低螺紋接頭的連接強度，本發明實施例在多次試驗的基礎上選取了合理的磷化層厚度，既實現了螺紋接頭抗粘扣性能的目的又不影響螺紋接頭的連接強度。本發明實施例中所述控制所述油/套管的黑頂螺紋具體為控制所述黑頂螺紋起始扣沿圓周一致，所述黑頂螺紋各方位起始扣位置相差2扣以內。理想情況下，黑頂外螺紋開始出現的位置(扣數)沿圓周方向最多相差ー扣，但由於管子壁厚不均、外徑不圓、管子偏心或加工時未對中等原因容易導致黑頂螺紋開始出現的位置有較大的差異。黑頂外螺紋起始扣隨方位的不同差異越大，說明外螺紋沿圓周越不均勻，進而會導致螺紋部位在360°圓周上的應カ分布不均勻，降低了螺紋接頭的整體連接強度，因而控制黑頂螺紋各方位的起始扣位置相差在2扣以內，能增強螺紋接頭的整體連接強度。按本發明實施例提供的控制方法製造的API圓螺紋油/套管具有良好的抗粘扣性能，即使螺紋接頭在螺紋參數極限公差配合下使用最大扭矩上/卸扣3次也未見粘扣，另外螺紋接頭的連接強度超出API標準要求值的30%以上。符合此綜合控制方法的API圓螺紋油/套管質量穩定可靠，抗粘扣性能優良，接頭連接強度高，保證了 API圓螺紋油/套管在 井下使用的經濟性和安全可靠性。實施例3對APIΦ 139. 7X7. 72mm N80圓螺紋套管I和接箍2的控制按以下幾個方面進行(I)控制套管I和接箍2材料屈服強度套管材料屈服強度最低值在API Spec 5CT標準規定的最低值基礎上高出10%控制，即套管I材料屈服強度控制在607-758MPa範圍內；接箍2材料屈服強度最低值在API Spec 5CT標準規定的最低值基礎上高出12%控制，即接箍材料屈服強度控制在618-758MPa 範圍內。(2)控制套管I幾何尺寸①外徑外徑偏差控制在0-+1% D範圍內，即套管外徑控制在Φ 139. 7-141. IOmm範圍內。②壁厚壁厚最小值按彡92. 5% t控制，即壁厚最小值要求彡7. 14mm。③外徑橢圓度外徑橢圓度控制在< 1%。④壁厚不均度壁厚不均度控制在< 13%。(3)內、外螺紋參數控制①錐度套管外螺紋和接箍內螺紋每米長度上直徑增量控制在60-65mm/m範圍內。②螺距偏差內、外螺紋每英寸長度上的螺距偏差控制在-O. 05-+0. 05mm範圍內。③牙型高度偏差內、外螺紋牙型高度偏差控制在-O. 025-+0. 05mm範圍內。(4)接箍2內螺紋表面處理質量控制接箍2內螺紋表面磷化層光滑、均勻、緻密，無脫落現象，採用金相觀察磷化層和基體連接緊密，磷化層厚度控制在O. 018-0. 028mm範圍內。(5)套管I黑頂螺紋控制套管I黑頂螺紋起始扣沿圓周一致，黑頂螺紋各方位起始扣位置控制在相差2扣內。(6)其它按API標準要求進行控制。對按本發明實施例提供的控制方法生產的套管和接箍試樣進行實物試驗，使用最大扭矩上/卸扣3次未見粘扣，螺紋接頭的連接強度達到2053kN，遠遠高於其他API圓螺紋接頭。同時，符合本發明實施例提供的控制方法的1000噸規格為Φ139. 7X7. 72mm N80的長圓螺紋套管I和接箍2在超過3000m深的井下使用，達到預期目標，效果良好。採用此方法對油田所用圓螺紋油套管進行質量檢測和控制，套管事故下降明顯，以每年減少20 ロ井發生套管質量問題為例，毎年可避免的直接經濟損失就超過至少3000萬元。該方法的推廣將給油田帶來顯著的經濟效益和社會效益。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明 的保護範圍之內。
權利要求
1.提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，其特徵在於，所述控制方法包括控制油套管和接箍材料的屈服強度及控制內、外螺紋參數，其中 所述控制油套管和接箍材料的屈服強度具體為控制所述油套管材料的屈服強度最低值比美國石油協會API Spec 5CT標準規定的最低值高8-12%，控制所述接箍材料的屈服強度最低值比所述油套管材料的屈服強度最低值高1-3% ； 所述內、外螺紋具體為接箍內螺紋和油套管外螺紋，所述控制內、外螺紋參數具體為 控制所述內、外螺紋的錐度所述內、外螺紋每米長度上直徑增量為60-65mm/m， 控制所述內、外螺紋的螺距偏差所述內、外螺紋每英寸長度上的所述螺距偏差為-O. 05-+0. 05mm, 控制所述內、外螺紋的牙型高度偏差所述內、外螺紋的所述牙型高度偏差為-O. 025-+0. 05mm。
2.根據權利要求I所述的提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，其特徵在於，所述控制方法還包括控制所述套管的幾何尺寸。
3.根據權利要求I或2所述的提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，其特徵在於，所述控制方法還包括控制所述接箍內螺紋表面處理質量。
4.根據權利要求I或2所述的提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，其特徵在於，所述控制方法還包括控制所述油套管的黑頂螺紋。
5.根據權利要求2所述的提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，其特徵在於，所述控制油套管的幾何尺寸具體為 控制所述油套管的外徑偏差為所述油套管的公稱直徑的0-+1% ； 控制所述油套管的壁厚最小值大於等於所述油套管的公稱壁厚的92. 5% ； 控制所述油套管的外徑橢圓度小於等於1% ; 控制所述油套管的壁厚不均度小於等於13%。
6.根據權利要求3所述的提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，其特徵在幹，所述控制所述接箍內螺紋表面處理質量具體為 控制所述接箍內螺紋表面磷化層光滑、均勻、緻密，無脫落現象，所述磷化層和所述接箍內螺紋基體連接緊密，控制所述磷化層的厚度為O. 018-0. 028mm。
7.根據權利要求4所述的提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，其特徵在於，所述控制所述油套管的黑頂螺紋具體為控制所述黑頂螺紋起始扣沿圓周ー致，所述黑頂螺紋各方位起始扣位置相差在2扣以內。
全文摘要
本發明公開了一種提高圓螺紋油管和套管抗粘扣性能和連接強度的控制方法，屬於石油和天然氣工業中提高API圓螺紋油管和套管實物性能的技術領域。所述方法包括綜合控制油管、套管和接箍材料的屈服強度、控制內外螺紋參數及控制接箍表面處理質量，所述內外螺紋具體為接箍內螺紋和套管外螺紋。本發明通過對油管、套管和接箍材料屈服強度及內外螺紋參數等綜合控制，既提高了API圓螺紋的抗粘扣性能，同時其連接強度也得到了很大提高，從而增強了API圓螺紋油管和套管接頭在井下的密封可靠性和強度可靠性，保證了API圓螺紋油管和套管的安全使用。
文檔編號E21B17/02GK102678064SQ201110353448
公開日2012年9月19日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者馮春, 劉文紅, 宋生印, 潘志勇, 王建東 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣集團公司管材研究所