油井管在靜水壓試驗(yàn)過程中的失穩(wěn)控制

牛文錄，劉金榮，郭慶平，金 博，葛 松

油井管在靜水壓試驗(yàn)過程中的失穩(wěn)控制

牛文錄1，劉金榮1，郭慶平2，金 博3，葛 松1

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2.渤海鉆探井下分公司，河北任丘062552；3.長(zhǎng)慶油田分公司第五采油廠，西安710201）①

分析了油井管在靜水壓試驗(yàn)過程中失穩(wěn)的原因。闡述了失穩(wěn)的危害，提出了控制失穩(wěn)的措施，設(shè)計(jì)了控制失穩(wěn)的關(guān)鍵裝置。從理論及實(shí)踐上驗(yàn)證了油井管在靜水壓試驗(yàn)過程中失穩(wěn)可以控制。

油井管；靜水壓試驗(yàn)；失穩(wěn)；控制

甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司自1997年成功研制第1套全自動(dòng)油井管靜水壓試驗(yàn)機(jī)以來，已經(jīng)為全國(guó)各大油田及鋼管生產(chǎn)企業(yè)提供了幾十套設(shè)備，現(xiàn)已形成系列產(chǎn)品［1－4］：管徑?60.3～?1 300mm，管長(zhǎng)6～14m，試驗(yàn)壓力0～110MPa，設(shè)定保壓時(shí)間0～30s；有單機(jī)單管試驗(yàn)和單機(jī)雙管試驗(yàn)，操作方式有全自動(dòng)和手動(dòng)。由于井深的增加，高鋼級(jí)、特殊螺紋油井管大量應(yīng)用，對(duì)油井管的性能提出了更高的要求，對(duì)管體強(qiáng)度和螺紋連接密封性能檢驗(yàn)更加嚴(yán)格，試驗(yàn)壓力＞50MPa。在試壓過程中出現(xiàn)油井管彎曲現(xiàn)象，這是由于油井管受壓失穩(wěn)而產(chǎn)生的，將產(chǎn)生各種危害，本文就此提出了控制措施。

1 失穩(wěn)原因分析

油井管的試壓是通過靜水壓試驗(yàn)裝置來完成的。試壓時(shí)，由進(jìn)出料機(jī)構(gòu)將油井管放入試壓主機(jī)的中心，通過移動(dòng)密封裝置，將油井管的兩端推入固定密封裝置和移動(dòng)密封裝置之中。通過水壓作用，高回彈的密封圈強(qiáng)制抱住油井管，從而使密封裝置與油井管形成一個(gè)密閉的容腔。通過灌注閥將容腔內(nèi)注滿水，再通過高壓缸給密閉容腔注入高壓水，直到油井管所試的壓力。然后停止注入高壓水，使整個(gè)密閉容腔處于保壓狀態(tài)，保壓到規(guī)定的時(shí)間后，由缷壓閥卸去壓力，移動(dòng)密封裝置退回原位，退管裝置將油井管拉出固定密封裝置，由進(jìn)出料機(jī)構(gòu)將其起出試壓主機(jī)，試壓結(jié)束。

從整個(gè)試壓過程看，油井管的軸向受力是從注入高壓水的加壓過程開始，壓力從小到大逐步升高，經(jīng)過保壓、瞬間卸壓后結(jié)束。在整個(gè)過程中，不但油井管的兩端面受到了高壓水的正壓力，一端的接箍同時(shí)也受到了高壓水的正壓力，這時(shí)油井管充當(dāng)?shù)氖菈簵U的角色，所受的軸向壓力應(yīng)是管體端面和接箍端面的壓力之和，其受力分析如圖1。

圖1 油井管受力分析

從圖1可以看出，試驗(yàn)壓力越高，軸向壓力就越大。油井管是在加壓過程某一時(shí)間內(nèi)，由于所受的軸向壓力大于其臨界壓力，使其不能保持原有直線平衡狀態(tài)并突然彎曲而失穩(wěn)的。

2 油井管失穩(wěn)的危害

失穩(wěn)是強(qiáng)度和剛度問題之外的另外一種破壞形式。盡管導(dǎo)致油井管失穩(wěn)的壓力遠(yuǎn)小于油井管發(fā)生強(qiáng)度破壞時(shí)的壓力，但由于油井管失穩(wěn)的情況突然發(fā)生，不但導(dǎo)致試壓設(shè)備各部件遭到嚴(yán)重的損壞，生產(chǎn)無法繼續(xù)，同時(shí)也會(huì)給設(shè)備用戶的產(chǎn)品帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，設(shè)計(jì)試壓設(shè)備時(shí)，必須考慮采取一定的措施，設(shè)法消除或消弱油井管所受的軸向壓力，防止和控制可能發(fā)生的失穩(wěn)破壞［5－6］。

3 油井管失穩(wěn)的控制

由材料力學(xué)得知［6］，為了提高壓桿的穩(wěn)定性，可以采用4種方法：①減少壓桿長(zhǎng)度或增加中間支座；②改善約束條件；③合理選擇截面；④合理選擇材料。對(duì)于試壓狀態(tài)的油井管，②、③、④三種方法是不能采用的，只有方法①可以采用。然而油井管是不能縮短的，只能采用增加中間支座來提高油井管的穩(wěn)定性。經(jīng)過計(jì)算，試驗(yàn)壓力＜40MPa，中間支座的間距≤1.8m；試驗(yàn)壓力40～70MPa，中間支座的間距≤1.1m，油井管試壓是安全的。但是由于受到試壓主機(jī)結(jié)構(gòu)和空間位置的限制，中間支座數(shù)量不能布置太多。

在設(shè)計(jì)超高壓試驗(yàn)設(shè)備時(shí)，不能僅僅依靠增加中間支座的數(shù)量來防止和控制油井管失穩(wěn)，還必須借助于其他措施來防止和控制。根據(jù)以上分析，油井管所受軸向壓力是管體端面和接箍端面的壓力之和，如果將接箍端面所受軸向壓力消除，就能控制油井管所受的軸向壓力，使其小于油井管的臨界壓力，就能保證油井管在試壓時(shí)不會(huì)失穩(wěn)而破壞設(shè)備以及油井管本身。為此，設(shè)計(jì)了一種接箍擋卡裝置，其作用是在油井管進(jìn)行試壓時(shí)，用它頂住接箍外端面，將接箍所受軸向壓力傳給擋卡裝置，再由擋卡裝置傳給機(jī)架。接箍擋卡裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 接箍擋卡裝置結(jié)構(gòu)

接箍擋卡裝置工作過程為：試壓時(shí)，油井管被推入密封裝置，中間支座夾緊油井管后擋卡被2個(gè)液缸推入固定端密封裝置，緊緊頂住接箍，使其將所受的軸向壓力傳給擋卡，擋卡通過承載體、液缸、橫梁將軸向壓力傳給機(jī)架，從而減小了油井管兩端所受軸向力，使其小于油井管臨界壓力，保證了油井管的穩(wěn)定；卸壓后，移動(dòng)密封裝置退回原位，擋卡裝置退回原位，同時(shí)將油井管拉出固定密封裝置。

4 應(yīng)用情況

經(jīng)過改進(jìn)的油井管靜水壓試驗(yàn)設(shè)備分別在鄯善、延長(zhǎng)、江陰等地安裝使用，?60.3mm（2英寸）或?73mm（2英寸）油管分別試壓到69MPa和66.5MPa，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，均沒有發(fā)生油管彎曲的現(xiàn)象，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的?，F(xiàn)場(chǎng)使用證明，試壓設(shè)備增加了接箍擋卡裝置后，油井管的試壓是安全的，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1） 通過受力和理論分析，表明油井管在靜水壓試驗(yàn)過程中失穩(wěn)是可以控制的。

2） 設(shè)計(jì)油井管靜水壓試驗(yàn)設(shè)備時(shí)，試驗(yàn)壓力＜40MPa，中間支座的間距≤1.8m；試驗(yàn)壓力在40～70MPa，中間支座的間距≤1.1m，油井管試壓是安全的。

3） 設(shè)計(jì)了接箍擋卡裝置，減小了油井管兩端所受軸向壓力，使其小于油井管的臨界壓力，保證了油井管的穩(wěn)定。

［1］ 李 偉，張 弘，邱真理，等.70MPa石油套管靜水壓試驗(yàn)機(jī)的研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1999，28（5）：12-14.

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［3］ 解 慶，馬永剛，何宏偉，等.油套管生產(chǎn)線設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（9）：45-48.

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TE931.2

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1001-3482（2012）05-0089-02

2011-10-16

牛文錄（1965-），男，甘肅天水人，高級(jí)工程師，主要從事石油裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。