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1、2019/2/14,1,套管、油管接头质量及适用性评价,2019/2/14,2,背景 特殊接头的发展 评价方法发展 试验评价内容,内容提要,2019/2/14,3,背景,油管柱和套管柱通常要承受 几十或上百兆帕的内压或外压不均匀外压 拉伸/压缩载荷 弯曲、扭矩 高温/低温 腐蚀介质腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀等 疲劳载荷温度循环、载荷循环、振颤 载荷的时效地层破坏后性质变化、油气长期开采后成分变化,2019/2/14,4,背景,为了满足油田工况要求，油套管接头类型也有了较大发展。,2019/2/14,5,油井管的质量好坏和性能优劣，直接影响着油公司的勘探开发效益和安全生产，对石油工业的发展关系重大
2、。,背景,几何尺寸 力学性能,2019/2/14,6,背景 特殊接头的发展 评价方法发展 试验评价内容,2019/2/14,7,特殊接头的发展,API圆螺纹接头易发生滑脱 气密封性能不足 API偏梯形螺纹接头连接强度高，密封性能不足,2019/2/14,8,特殊接头的发展,同样气密 封性能下 抗高拉伸、 弯曲、压缩 、疲劳能力 提高,提高可靠性、 易操作性， 满足特殊应用,2019/2/14,9,背景 特殊接头的发展 评价方法发展 试验评价内容,2019/2/14,10,评价方法与以下因素发展相关 油井管服役工况 试验技术/方法 试验设备,评价方法发展,2019/2/14,11,单纯依据强度校
3、核的管柱设计方法无法保证管柱经济、安全可靠性。,评价方法发展,2019/2/14,12,管柱选择和验证评价是管柱设计的补充和完善，是保证管柱设计可靠性不可缺少的环节。,管柱种类较多，性能差异很大，一些性能无法通过简单力学方法确认，如管体的抗挤强度、接头的连接强度和密封性能等，只有通过验证评价才能进行确认。,标准给出的只是接头单轴强度，套管的复合承载能力（尤其是接头的密封性和耐腐蚀性）一般并没有给出。,对于特殊工况条件的油、气井，需要模拟现场工况条件对所选套管的承载能力进行评价，以确认设计是否安全可靠。,评价方法发展,2019/2/14,13,评价方法发展,2019/2/14,14,90年代中期
4、,国际标准化组织,着手制定油井管柱设计验证评价标准,API RP 5C5 2nd,2002年底,石油天然气工业-套管和油管试验程序 API RP 5C5 3rd/ISO13679第1版,密封包络线和强度包络线的概念,介绍了需进行特殊检测的特殊工艺,强化了不同井况条件下油、套管接头性能验证,修改补充,评价方法发展,2019/2/14,15,评价方法发展,API RP 5C5 (1991、1996) 套管和油管接头评价程序推荐作法,2019/2/14,16,评价方法发展,API RP 5C5 (2003)/ISO 13679 (2002) 套管和油管接头评价程序推荐作法 试样数量减少，试验难度增加
5、,2019/2/14,17,评价方法发展,API RP 5C5/ISO 13679 (2009征求意见稿) 套管和油管接头评价程序推荐作法 试样数量再次减少，试验难度增加,2019/2/14,18,评价方法发展,为避免使用中发生失效，国外各大石油公司普遍制定了自己的油套管接头质量评价方法，并在订货补充条件中规定了必须进行的关键试验内容。,2019/2/14,19,随着新的钻完井技术和油井管技术出现，接头评价技术也需发展 可膨胀管 连续柔性管 套管钻井,评价方法发展,2019/2/14,20,背景 特殊接头的发展 评价方法发展 试验评价内容,2019/2/14,21,一般过程 确定油井管服役工况
6、 分析油井管可能的失效类型，即结构失效和密封失效,试验评价内容,2019/2/14,22,确定油井管服役工况,试验评价内容,2019/2/14,23,分析油井管可能的失效类型，即结构失效和密封失效，包括以下类型 变形：弯曲、压扁、凹陷、失稳等 破裂：管体爆裂、接箍纵裂、管体断裂、错断、应力腐蚀开裂、疲劳或腐蚀疲劳断裂 表面损伤：腐蚀、磨损、磨损、螺纹粘结 螺纹连接失效：泄漏、滑脱、粘扣、跳扣、断裂。,试验评价内容,2019/2/14,24,试验评价内容,确定油井管服役工况,2019/2/14,25,API 5C5/ISO 13679接头质量评价 API 5C5/ISO 13679：规定接头的设
7、计和生产质量验证试验内容，为一般的质量检测 涉及载荷少：均匀内压、外压，轴向拉伸/压缩，弯曲，温度 为管柱强度设计提供数据参数 极限性能、载荷包络线 工况模拟试验： 尽可能接近实际工况：温度、内压/外压、弯曲、轴向载荷、冲击、振动、腐蚀 受设备、技术限制，多种工况不能模拟：超高压/高温/高速下的冲蚀、振颤,试验评价内容,2019/2/14,26,API RP 5C5/ISO 13679:2002规定的试验内容 试验分级 CAL（接头级别）（8个试样）：适用最苛刻的用途。 气井生产和注采用的油管、套管，使接头承受各种循环载荷，包括内压、外压，拉伸、压缩与弯曲作用。使接头经受180（356）高温和
8、气体压力下的热/压力-拉伸循环。在压力-轴向力图的四个象限里都要进行极限载荷试验 CAL(接头级别) （6个试样）：适用苛刻的用途。油、气井生产和注采用的油管、套管。其试验程序是使接头承受各种循环载荷，包括内压、外压，拉伸和压缩作用。弯曲作用是可选择的载荷。温度和温度/压力-拉伸循环试验条件不如CAL 那么严格，在135（275）高温和气体压力下试验5个h。在压力-轴向力图的四个象限里都要进行极限载荷试验。,试验评价内容,2019/2/14,27,API RP 5C5/ISO 13679:2002规定的试验内容 试验分级 CAL （接头级别）（4个试样）：适用较不苛刻的用途。适用于油、气井生产
9、和注采并承受有限外压的油管、套管及技术套管。其试验程序是使接头承受各种循环载荷，包括内压、拉伸和压缩作用（无外压）。弯曲可选。 135（275）高温和气体压力下试验。只在内压-轴向力图的两个象限内进行极限载荷试验。 CAL(接头级别) （3个试样）：适用最不苛刻的用途。适用于油井。其试验程序是使接头承受各种循环载荷，包括内压，拉伸和压缩作用 （无外压） ，用液体做试验压力介质，弯曲可选，室温。只在内压-轴向力图的两个象限内进行极限载荷试验,试验评价内容,2019/2/14,28,API RP 5C5/ISO 13679:2002规定的试验内容 试样准备：接头按规定极限公差加工。,试验评价内容,
10、1 槽口最小0.2mm（0.008in）深，两个互成180度角 2 对两个槽口进行打磨以防粘扣发生，槽口不能穿过金属密封面。,标准值,试样1、5、6,试样2,试样3,试样4、7、8,2019/2/14,29,试样准备： a) 管体应来自同一批材料； b) 接箍应来自同一批材料； c) 整体接头所有材料应来自同一批； d) 所有材料均应满足相应材料规范的要求； e)管体实测最小壁厚应不大于试样管体的名义壁厚。,1 夹持固定端 2 弯曲用应变片 3 应变片与接头间距离：,应变片与夹持端距离：,） 4 外螺纹 5 内螺纹,管体最小无支撑长度Lpj,试验评价内容,2019/2/14,30,试样准备：
11、试样长度及应变片位置,1 夹持固定端 2 弯曲用应变片 3 应变片与接头间距离：,应变片与夹持端距离：,） 4 外螺纹 5 内螺纹,管体最小无支撑长度Lpj,试验评价内容,2019/2/14,31,试验评价内容,每根试样的试验内容,2019/2/14,32,试验评价内容,如果上述部分试验内容，不必整套试验，已足以验证接头对特定用途的适用性；或者其它规格试样的经验和相关的试验数据可以利用，实际操作中可对标准规定的试验做改动： 预计的改动已预先清楚地记录在案； 相关各方一致同意； 在试验研究报告中，要清楚地说明这些变动。,2019/2/14,33,试验室及设备要求 进行全尺寸试验的试验室应由认可的
12、国家或国际检定组织授权。 压力传感器、应变计和热电偶之类的检测和记录装置，应定期标定。 确保所有使用的试验机架整机都经过了合法标定。 温度、压力、拉伸/压缩载荷在标定范围内相对误差应不超过1.0%。 根据试验载荷的需要或过去的使用状况，应具有试验过程中的设备标定能力。 试验室的标定标准和标定操作均应记录，可追溯。 建议进行预演试验。 在正式试验前用简化的程序检验接头设计、试验程序和试验室能力。 正式试样宜在预演试验后进行螺纹加工。 金属密封过盈量较小的试样应进行压力密封试验，金属密封过盈量较大的试样应用来检测接头对粘扣的敏感性。,试验评价内容,2019/2/14,34,上/卸扣试验 试验的上/
13、卸方法及螺纹脂宜和油田现场作业一致 试验设备必须能记录扭矩-圈数关系曲线 分为抗粘扣上/卸扣试验、循环上/卸扣试验、最终上扣 制造厂推荐最大及最小螺纹脂用量 最小扭矩：设计最大扭矩的95% 上扣速度：制造厂推荐最大速度的90% 宜垂直上扣,试验评价内容,2019/2/14,35,试验评价内容,上/卸扣试验 每次卸扣后应仔细检查接头，并作记录。 评估并记录扭矩-圈数曲线与观测到的接头粘扣的相关性，并在扭矩-圈数曲线图上记录所有对改进其他上扣有益的现象和变化 每次卸扣后，内、外螺纹仅可采用接头制造厂为油田使用而制定的技术方法进行修复。 所有修复及修复时间都应完整记录。,2019/2/14,36,气
14、（液）密封性试验,A系试验：拉伸/压缩+内压/外压循环试验 B系试验：拉伸/压缩+内压+弯曲循环试验 C系试验：拉伸+内压+热循环试验 为安全考虑，气体压力试验的试样宜填充芯棒，芯棒应采用不含空隙能很快释放压力的材料，以免影响试验结果。 以不泄漏作为试验通过的判定准则,试验评价内容,2019/2/14,37,气（液）密封性试验,内压泄漏收集方法 O型圈检漏装置 软塞检漏装置 接箍开孔检漏装置,试验评价内容,2019/2/14,38,气（液）密封性试验,内压检测收集方法 外压泄漏检测 气泡法内压泄漏检测 通过泄漏试验和灵敏性检查来检定内压泄漏检测系统。对泄漏检测系统施加0.014MPa压力的空气
15、或氮气来检验系统密封性。在压力稳定后，关闭气源，观察气压表两分钟内的稳定性，压力下降则表示系统泄漏。气体压力至少保持2min不变。 用注入空气、检测气泡试管出气量的办法判断灵敏性。以1cm3的增量至少注入10cm3气泡。计算平均出气量和进气量的关系。,试验评价内容,刻度0.1cm3或更小刻度的量筒,2019/2/14,39,气（液）密封性试验,气泡法内压泄漏检测 保压期（稳定期）内满足下述要求可认为没有泄漏。 15min保压 有四个连续5min保压； 前三个5min保压期和后三个5min保压期（两个连续滚动的15min）水面变化总计都没有超过0.9cm3； 5min保压期内水位未显出有变化的趋
16、势。 60min保压 已连续进行13个5min保压期； 前12个5min保压期和后12个5min保压期（两个连续滚动的60min）水面变化总计都没有超过0.9cm3/15min； 5min保压期内水位未显出有变化的趋势。,试验评价内容,60min保压,15min保压,2019/2/14,40,气（液）密封性试验,气泡法内压泄漏检测 温度循环保载时， 5min内水面只允许有0.3cm3（0.9cm3/15min=0.3cm3/5min）的变化，此类试验泄漏准则如下： 在任何一个5min保温期内，若一个试样捕集到超过0.3 cm3的气泡，则应再延长10min，总计保温15min； 如果15min保
17、温期内气泡管中水面变化大于0.9 cm3，则应保温1h来评估泄漏，并每5分记录一次水面变化值。,试验评价内容,2019/2/14,41,气（液）密封性试验,氦气质谱仪法检测泄漏 每次试验前要用氮气或加有氦气的氮气注入试验系统，然后通过对整个管线和检漏装置进行气体嗅探来检验系统，检查气体中氦气含量，确定各管线没有堵塞。 整个系统应使用设备供应商推荐的标定泄漏源进行标定，并且每年至少一次。标定时使用标定源代替试样和泄漏检测系统的其他部分。,试验评价内容,2019/2/14,42,试验评价内容,加载 轴向载荷加载速率：105MPa/min.(15000psi/min)或更小 压力速率：105MPa/
18、min(15000psi/min)或更低 弯曲载荷：用应变片测量弯矩，一个管体上至少应粘贴四个双向应变片，并在同一截面上呈玫瑰状布置（最好两根管体上都有），可采用三种弯曲加载方式： 四点弯曲 固定四点弯曲时，在试样两端约束之间等距离放置2个弯曲加载机具，且确保它们施加相等的载荷； 三点弯曲 在接箍中间加力，得到的弯曲应变数据要按从外载荷作用点到接箍中心的距离与外载荷作用点到应变片中心距离的比值进行修正，修正后的弯矩为作用于接箍的弯矩值； 旋转固定端的均衡弯曲,气（液）密封性试验,2019/2/14,43,6.1 A系密封性试验（I、II级无外压）,1 95% VME管体屈服强度包络线（和接头效
19、率有关） 2 推荐试验载荷路径按逆时针、顺时针、再逆时针方向进行3次循环加载。,试验评价内容,2019/2/14,44,6.2 B系密封性试验（I级无弯曲，II、III级弯曲可选）,1 95% VME管体屈服强度包络线 2 试验时，按逆时针、顺时针、再逆时针方向进行3次循环加载；,试验评价内容,2a,2019/2/14,45,6.3 C系密封性试验,试验评价内容,2019/2/14,46,试验评价内容,极限性能试验 1满足如下条件时，试验可以终止 a) 试样发生失效 b) 试样长度变化量超过3% c) 试样体积变化量超过6% d) 试样发生持续泄漏 2 各级别极限性能试验 a) III、级按图
20、示编号进行试验 b) II级： LP1、LP3、LP5、LP6 c) I级：LP1、LP3、LP6,2019/2/14,47,试验评价内容,评判准则 上/卸扣试验结果 没有观察到粘扣现象，或者观察到制造厂规定修复范围内的损伤并已修复，且接头没有发生泄漏，则认为上/卸扣试验是可接受的； 在制造厂规定的修复范围内，发生在密封面和/或螺纹上的轻微粘扣都应按照推荐的方法进行修复，修复之后，继续进行后续试验； 除上面已讨论的轻微粘扣可接受外，粘扣是不能被接受的。 任何严重的粘扣都应评估其原因。粘扣的评估应表明粘扣的原因是否来自设计缺陷。如果能够证明粘扣的原因不是来自于设计缺陷，则至少用与以前试样相同的两
21、个备用试样重新进行上/卸扣试验，从而确定是否能通过上/卸扣试验。并且用一个单独试样进行密封和极限载荷试验。如果粘扣问题没有解决，则应终止试验。,2019/2/14,48,试验评价内容,评判准则 载荷密封试验结果 如果满足此试验规定的压力密封要求且未发生结构失效，则认为载荷包络线试验可接受。 在保载期间，载荷保持恒定； 采集时间不低于15 min，泄漏速率小于110-3 cm3/s(相当于3.6 cm3/h，或0.9cm3/15min)； 泄漏速率没有明显增加的趋势。 如果载荷包络线试验结果没有达到接头适用级别的要求，可采取如下措施进行处理： 进行接头设计审核，重新进行全尺寸试验； 审核试验载荷
22、值，然后找出不满足审核后的试验载荷要求的试样，重新进行试验。 如果极限载荷试验失败： 首先审核设计，然后重新进行全尺寸试验； 审核载荷密封试验的试验载荷值。 如果试验结果达到审核后的极限载荷和载荷密封试验的试验载荷值要求，不必再做试验。所有的极限载荷都应超出试验载荷包络线。,2019/2/14,49,API RP 5C5/ISO 13679侧重于接头设计验证，评价接头结构强度及气密封性能是否满足轴向载荷、均匀外压/内压载荷、弯曲和温度的作用下设计及生产要求。适用一般工况 不涉及旋转扭矩下的复合载荷作用和非轴对称（面、线、点接触）载荷。 不适用于中、短曲率半径油气井（20/30m） 不适用于地热
23、和蒸汽，高温油气井（180） 未考虑接头密封面骤冷（淬火）。 未考虑接头结构与环境介质作用。 未考虑各种可能损伤对接头性能的影响。 为考虑管柱整体的性能。,试验评价内容,工况模拟试验,ISO 13679与实际工况脱节,2019/2/14,50,工况模拟试验主要围绕管柱工况和标准开展 管柱设计载荷：上卸扣、内压/外压、轴向载荷、弯曲、温度 管柱可能腐蚀：H2S,Cl-,CO2等介质，缝隙、应力、疲劳等腐蚀 标准：API 5B、API 5C5/ISO 13679 、API 5CT、ISO 13680 产品规范、订货技术条件 管柱可靠性分析及寿命期内可靠性发展变化,试验评价内容,2019/2/14,
24、51,工况模拟试验目的 评价材料对环境适应性 评价接头对工况与环境的适应性 评价管柱结构对工况与环境的适应性,试验评价内容,2019/2/14,52,试验评价内容,材料的选择与评价,化学成分 力学性能 金相组织 材料与环境作用： 腐蚀点蚀、缝隙、应力（硫化物、氯化物）、疲劳、振颤、电化学、冲蚀 磨损 涂镀层老化与损伤,2019/2/14,53,材料的选择与评价 重点是： 化学成分； 金相组织； 强度硬度； 腐蚀性能。 腐蚀性能 腐蚀环境设计：应考虑中后期环境的变化 腐蚀类型：介质与温度腐蚀，电化学腐蚀， 缝隙、应力（硫化物、氯化物）、疲劳、磨振、冲蚀,试验评价内容,2019/2/14,54,试
25、验评价内容,接头的选择与评价,接头拉伸/压缩效率 接头内压密封效率 接头与环境作用： 腐蚀缝隙、应力（硫化物、氯化物）、电化学、冲蚀、磨振腐蚀 磨损 内表面涂镀层在接头台肩处理,2019/2/14,55,接头的选择与评价 载荷作用下接头内应力分布有限元、试验检测 载荷作用下接头强度与密封有限元、试验检测 接头操作便利性 接头结构与材料交互作用试验检测 缝隙腐蚀 应力（硫化物、氯化物）腐蚀 疲劳腐蚀 磨振腐蚀 冲蚀 接头处内表面涂镀层处理,试验评价内容,2019/2/14,56,接头的选择与评价 试样准备 试样应保证检测出最差性能。试样准备应考虑但不局限于如下参数： 密封直径； 螺纹中径； 螺纹
26、锥度； 表面硬度：对耐腐蚀性有影响； 外螺纹鼻端厚度。 具体参数参照API 5C5质量评价的试样准备。 井场或库房的随机取样也可以，这样不能保证检测出最差性能，但具有统计学意义。为了保证使用安全，必须增加试样数。,试验评价内容,2019/2/14,57,试验评价内容,接头的选择与评价 上/卸扣试验 ISO 13679的试验内容 模拟现场上卸扣快速，局部、涂抹螺纹脂 井下可能的正反旋转 对台肩扭矩及卸扣扭矩与最终上扣扭矩的比值进行分析 过扭矩试验,2019/2/14,58,试验评价内容,接头的选择与评价 气密封试验 接头质量检测报告分析 载荷分类、分级 钻完井技术工艺分析 套管钻井，压裂酸化、涂
27、抹螺纹脂 内表面涂镀层分析 接头与环境作用分析高压高产气井冲蚀、缝隙腐蚀等，其他损伤,2019/2/14,59,试验评价内容,接头的选择与评价 气密封试验,2019/2/14,60,接头的选择与评价 气密封试验,试验评价内容,2019/2/14,61,试验评价内容,管柱设计与评价,管柱结构（管体与接头的强度与密封）设计 管柱损伤预测 管柱与环境作用： 管柱整体振动 管柱强度、密封与地层作用时效性,2019/2/14,62,管柱设计与评价 试验井的方式检测与评价 小试样模拟分析 理论分析 有限元数值模拟分析 井下管柱环境与状态的实时检测 利用局部与整体关系进行系统分析,试验评价内容,2019/2/14,63,试验评价内容,2019/2/14,64,试验评价内容,2019/2/14,65,欢迎批评指导 谢谢大家,产业为标 科技为本 服务为魂 油田为根,中国石油管材研究所 TUBULAR GOODS RESEARCH CENTER OF CNPC,