可钻式贴堵管材及连接方式的优选研究
Research on Optimization of Paste Pipe and Connection Mode

作者: 袁 杰 , 李永强 , 吕建海 , 田 雨 , 崔汝东 :中石化胜利油田分公司胜利采油厂,山东 东营;

关键词: 套损治理贴堵管材可钻除扣型合金材质Control of Casings Damage Plugging Drillable Buckle Type Alloy Material

摘要:
老油田开发后期,套管损坏较为严重,低成本贴堵技术是行之有效的治理措施之一,而可钻式贴堵管材是该工艺长期有效的基础。选取壁厚3~7 mm不同材质的贴堵管,采用数值模拟计算、实验室测试仪器对比所选材质的抗压、抗拉强度,耐腐蚀性等特征,根据试验结果,选出最优化的管材进行通径设计。同时通过数值模拟,得出只有FOX型螺纹连接方式的接触应力峰值较小,且各牙应力分布较为均匀;普通偏梯形螺纹连接和NK3SB螺纹连接均在最后一扣处应力较大,其余各牙应力分布较均匀;圆螺纹的受力情况、连接效果最差,开始端和结束端的牙承受了大部分的力,而中间那些扣牙所承受的载荷非常有限,导致两端接触应力大而中间小,各牙受力不均。故贴堵管材优选采用FOX扣型进行连接。

Abstract: At the late stage of old oilfield development, casings damage is serious, low cost plugging technology is one of the effective treatment measures, and drillable plugging pipe is the basis of this technology for a long time. In this paper, 3 - 7 mm plugging pipes with different wall thickness are selected, and the yield, compressive, tensile strength and corrosion resistance of the selected materials are compared by numerical simulation and laboratory testing instruments. Based on the experimental results, the optimal pipe material and path design are selected. Through numerical simulation, the contact stress peak of FOX thread connecting mode is small, and the stress distribution of each tooth is more uniform. Ordinary trapezoidal thread connections and NK3SB thread connections have greater stress at the last buckle, and the rest of the teeth have a more uniform stress distribution. The force situation and connection effect of the round thread are the worst. The teeth at the beginning and the end bear the most of force, and the load of the middle buckling teeth is very limited, resulting in large connect stress on both ends and small in the middle. The force is uneven of each tooth. Therefore, it is preferable to use FOX buckle type pipe connection.

1. 引言

在石油开采过程中,受工程技术、地质环境破坏等因素的影响,油水井套管因长期服役会出现破损、漏失,影响正常的生产或注水。套管贴堵是国内外修复套管行之有效的措施之一。目前,胜坨油田在可钻式贴堵工艺中采用铝合金管材。铝合金管材在满足强度要求的条件下,存在壁厚过大、后期修井工具难以下入的问题。当加大管材通径时,铝合金材质的强度会下降,难以满足井下作业需要。而国内外可钻套管管材应用较少,合金材质达到耐腐蚀、强度适中的材质极少。基于以上问题,笔者根据可钻式贴堵工艺的要求,对管材材质进行优选,使其在满足大通径的条件下,仍具有较高的强度。

2. 试验准备及方法

2.1. 试验样品材质

40CrNiMo,7050铝合金,7A09铝合金,2A06铝合金,2A11铝合金。

2.2. 试验仪器

DR-6000A电子万能试验机(扬州德瑞仪器设备有限公司);FSSY-2腐蚀仪(中国石油大学(华东)仪表厂);布氏硬度计和洛氏硬度计(济南恒思盛大仪器有限公司)。

2.3. 试验方法

1) 按照国标标准加工硬度测试试样,对优选的管材试样进行布氏硬度和洛氏硬度测试。

2) 使用“FSSY-2腐蚀仪” (试验条件25 MPa × 95℃ × 48 h)测试出优选材质的腐蚀速率。

3) 采用DR-6000A电子万能试验机(加载速率设定为3 mm/min),测试管材的抗拉、抗压强度。试件被拉断后,测试断后截面和标距尺寸,计算出试件的断面收缩率和其延伸率。

3. 试验结果与讨论

3.1. 管材优选

3.1.1. 管径壁厚

根据管材的强度要求确定不同的模拟管材。利用ANSYS软件 [1] 对贴堵管管材进行数值模拟,材料的弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3。对管材实施不同的内、外压,模拟出管材应力分布情况 [2] ,结果如图1图2所示。管材在第一个螺纹处的应力值均最大,根据各种管材的屈服强度,反向模拟出管材最大耐内、外压强度。

Figure 1. The nephogram of distribution of stress applied on pipe under external pressure

图1. 对管材施加外压后的应力分布云图

Figure 2. The nephogram of distribution of stress applied on pipe under internal pressure

图2. 对管材施加内压后的应力分布云图

根据不同壁厚的管材所需满足的抗压强度及螺纹强度要求 [3] ,得出优选材料的参考设计值。模拟计算结果如表1所示。材质为40CrNiMo的管材抗压强度较高,管壁厚3 mm就可以满足生产需求;7系铝合金抗压强度次之,管壁厚3.5~4.5 mm时抗压强度能满足生产需求;2系铝合金耐压较低,但管壁厚5~7 mm也能满足需求,在治理后井筒内径要求不高的油水井中可以使用。

Table 1. The pressure bearing capacity of materials with different wall thickness in wells

表1. 不同壁厚材质在井内的承压能力大小

3.1.2. 硬度

洛氏硬度按GB/T 231.1-2004标准测试,布氏硬度按GB/T 231.1-2002标准测试 [4] ,试验结果见表2。可以看出,7A09、2A06、2A11基本都满足现场生产及后期可钻除的要求,其中7A09硬度相对较低。

Table 2. The results of hardness test

表2. 硬度测试结果

3.1.3. 抗腐蚀性能

使用“FSSY-2腐蚀仪”进行试验测试 [5] ,试验结果如表3所示。各试验材料在25 MPa、95℃的油田采出液中反应48 h后,测得40CrNiMo的腐蚀速率最小(0.1107 mm/a)。

Table 3. The results of corrosion test

表3. 腐蚀测试结果

3.1.4. 拉伸性能

拉伸性能测试结果见表4。所选择的2系、7系合金管材的抗拉强度、最大断面收缩率、最大伸长率基本都满足现场要求,其中7A09材质合金具有较好的塑性和强度。

Table 4. The results of tensile test

表4. 拉伸试验结果

3.1.5. 压缩性能

DR-6000A电子万能试验机的测试结果表明,选取的7050管材抗压强度为980~1130 MPa,7A09管材抗压强度为908~990 MPa,2A11管材抗压强度为627~758 MPa,2A06管材抗压强度为587~728 MPa,都满足现场生产需求。

对比各种管材的硬度、抗腐蚀性能、拉伸性能、压缩性能,优选材质为7A09的管材作为贴堵管材的基础材料。

3.2. 丝扣优选

分别选取普通偏梯形螺纹、FOX特殊螺纹、圆螺纹和NK3SB特殊螺纹进行研究,贴堵管选用的材料为7A09合金材质,贴堵管外径为114 mm,壁厚为4.5 mm,对贴堵管施加轴向拉力为200 kN。利用ANSYS有限元模拟软件求解得到的应力分布云图如图3所示 [6] 。FOX型特殊螺纹连接无明显变形。相比之下,只有FOX型螺纹连接方式的接触应力峰值较小,且各牙应力分布较为均匀 [7] ;普通偏梯形螺纹连接和NK3SB螺纹连接均在最后一扣处应力较大,其余各牙应力分布较均匀;圆螺纹的受力情况、连接效果最差,开始端和结束端的牙承受了大部分的力,而中间那些扣牙所承受的载荷非常有限,导致两端接触应力大而中间小,各牙受力不均,很容易引起两端扣牙最早失效,使得中间扣牙不能发挥作用。

Figure 3. The diagram of thread stress distribution

图3. 丝扣应力分布图

4. 结论

1) 对比了5种管材的抗拉压能力、硬度、抗腐蚀能力,优选7A09合金作为贴堵管材的基础材料。

2) 当贴堵管尺寸一定时,采用FOX型特殊螺纹连接,其螺纹接触面载荷分布较为均匀,无明显变形。而圆螺纹的螺纹面两端应力集中明显,易出现滑脱,性能较差。故贴堵管采用FOX型螺纹连接。

文章引用: 袁 杰 , 李永强 , 吕建海 , 田 雨 , 崔汝东 (2019) 可钻式贴堵管材及连接方式的优选研究。 石油天然气学报, 41, 1-6. doi: 10.12677/JOGT.2019.414048

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