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“扭不坏拉不断”的TORQ新接头

“扭不坏拉不断”的TORQ新接头

TORQ系列新型接头遵循严格的协议进行设计、开发与认证,可提供卓越的性能,还能实现更快的上扣,且不会产生非生产时间。

来自丨World oil
编译丨TOM

陆上非常规页岩区块的水平井通过更长的水平段,以及在压裂期间泵入更多的支撑剂来增加产量。此外,间隔更短的压裂射孔簇,数量更多的压裂段,这些方法已经过优化,以增加油井的产量。这些不断变化的趋势给生产套管的性能提出了更高的要求。广泛用于水平井的生产套管,现在都需要达到125ksi的屈服强度。更坚固的套管拥有更高的抗外挤与抗内压强度。

更高强度生产套管的使用,促使作业者在压裂期间能够施加更高的压力,从而提高支撑剂的载荷,并且有助于减少总泵送时间。在诸如Haynesville页岩区块,压裂压力通常为12000psi,支撑剂/砂粒数量为3000 lb/ft,甚至更高。

为了确保压裂段的合理区域隔离,防止油气运移,业内已制定相关措施以提高套管与井筒之间环形空间的水泥完整性。在其他技术中,旋转套管固井作为提高水泥胶结质量的标准做法,正在获得业界的认可。随着下套管工具的发展,与其它耗时的做法相比,利用顶驱下套管可更容易的旋转管柱。这使作业者能够节省作业时间,降低成本。

随着上述技术的发展,生产套管的接头也承受了超出API标准接头的额定载荷。为了满足作业条件,需要接头能够在接近套管本体的极限拉伸与挤压载荷下正常工作。在其他性能特征中,扭矩需求的增加也推动了一系列高扭矩接头的发展。

市场发展

最近的市场趋势表明,主要是经济性与井型,驱动了特定类型的接头运用于陆地油井的生产套管上。拥有金属对金属密封的特殊螺纹接头主要用于干气井; 而用于开采湿气与石油的井主要使用半特殊螺纹接头。

在某些情况下,由于提供了额外的公隙,因此优选使用半平接头,而不是带接箍的螺纹接头。在某些情况下,使用半平接头可以通过更小的井眼来降低建井成本。例如外径5.5in的半平管柱可以下入至6.625in的井眼中,然而,相同外径带接箍的螺纹接头只能够下入至更大的井眼,比如7.625in的井眼。

TMK IPSCO一直是Haynesville半平接头的重要供应商,ULTRA SF与SF2拥有超过3500万英尺的作业记录。因此,该公司决定增强半平接头的能力,以满足更高扭矩的需求。

Permian、Eagle Ford、Mid-Con与Bakken油田的油井作业者更倾向于使用T&C接头,而且大多数油井在生产套管上使用了半特殊丝扣接头。市场分析的结果促使TMK IPSCO公司决定在TORQ类别下开发三种接头。

接头细节

为测试与鉴定而开发的首个接头被命名为SF TORQ,适用于首选半平接头的应用。该接头包括一个提供气密性的中心密封,其额定扭矩高于市场上的类似接头。与现有的半平接头相比,该接头具有更高的张力效率(90%),这使得它能够运用于管柱的垂直段,取代了曾是某些管柱设计中首选的T&C接头。

除SF TORQ外,该公司还开发了两种T&C连接,以满足更高张力效率(100%)的需求。当半特殊螺纹接头满足作业需求时,DQX TORQ是一种经济有效的解决方案。与API或兼容API的接头相比,此接头为作业者提供了使用T&C接头的灵活性,并具有更高的抗扭与密封性能。

第三种接头QX TORQ的开发,旨在为作业者提供特殊的T&C接头,金属对金属密封在极端负载条件下具有出色的气密性(密封性)。QX TORQ符合严格的测试协议,适用于大位移井。图1提供了三种接头的照片。

“扭不坏拉不断”的TORQ新接头

图1. TORQ接头(A)SF TORQ,(B)DQX TORQ与(C)QX TORQ。

接头设计

这一系列接头是围绕“燕尾”或“楔形”螺纹形式设计的。楔形螺纹已经使用了40多年,并且具有显赫的应用历史。螺纹形式的选择主要是为了提高抗扭性能。这些螺纹具有负载侧与入扣侧,在上扣时可提供径向锁定。当施加的扭矩增加时,这种设计有助于保持螺纹的完整性(防止分离)。

在使用高-低2K因子方法进行FEA(有限元分析)与DOE(实验设计)之后,建立了螺纹的精确轮廓。这种方法加快了研发过程,只在几个月而不是几年内就成功地完成了开发工作。有限元分析的结果突出了实验设计评估所需要考虑的前三个参数。在这种情况下,侧面角,楔形速度与螺纹根/螺纹牙顶干扰被认为是设计中的关键变量。表1显示了实验设计的参数与结果,它基于多个加工的样品,以及为抗扭测试而进行的接扣,目的是达到最高抗扭能力。

“扭不坏拉不断”的TORQ新接头

表1. 实验设计矩阵以及得到的抗扭结果

接卸扣测试结果

接头的初步测试与评估包括接卸扣测试,多次上扣以确保没有磨损。而且,在测试期间,通过观察屈服现象,来确定接头的扭矩额定值。基于上扣与卸扣时获得的扭矩值,开发出用于现场的接头规范,以优化钻机的上扣作业。多数情况下,需要上扣扭矩图来指导现场正确施工。

一旦接头成功满足接卸扣测试的要求,将会执行进一步的测试,利用加载系统来评估接头在压力、温度以及轴向载荷下的性能。根据API RP 5C5与/或EMCEP(埃克森美孚接头评估协议)中定义的规定进行测试。通常用户可根据自身的要求来制定测试协议,并且可以执行比实际井况更严苛的评估。

气密性

根据预期用途,对TORQ系列接头进行了不同协议的评估。SF TORQ与QX TORQ是金属对金属密封的特殊螺纹接头,使用气体作为测试介质,按API 5C5以及EMCEP协议进行评估。

DQX TORQ主要运用于油井,为了建立该接头的VME (等效应力包线),使用液体介质进行了类似的测试。

接卸扣测试与气密性测试的结果验证了该系列接头的设计性能。测试完成后,又执行了工厂实验,以制定工作与检验程序,并建立生产能力基准。作为开发工作的一部分,表2总结了各种接头接受的不同测试以及验证工作。

“扭不坏拉不断”的TORQ新接头

表2. 不同TORQ接头的合格性测试总结

循环载荷疲劳测试

为了评估管柱的载荷与旋转,对接头使用寿命限制的影响,使用共振疲劳测试装置进行了疲劳测试。这些测试被认为是“适合使用”,并且在不同条件下限制了旋转次数,因此不会超过管柱的使用寿命。过去的研究表明,狗腿严重程度是疲劳表现的重要因素。SF TORQ测试证实了弯曲引起的弯曲应力的影响,特别是在较高的扭矩下。

自2018年3月推出SF TORQ以来,已成功应用于5口井的下套管作业。在转速高达40RPM的情况,成功完成接扣,没有发生任何异常。到目前为止,现场报告表明,在下套管期间没有损失作业时间。这些井的总深度在18000~24000英尺之间。

TORQ接头的优势

TMK IPSCO公司在TORQ系列下提供的新一代高扭矩接头,为非常规页岩以及大位移井的管柱提供了极大的灵活性。这些接头使用严格的协议进行设计、开发与认证,并可提供卓越的性能。现场应用证实了该系列接头的坚固性,没有观察到任何作业损坏,而且还能实现更快的上扣以及不会产生非生产时间。这些结果进一步验证了新型接头具有更强悍的性能。

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