連續(xù)油管連接器研制與應(yīng)用

劉海龍，達(dá)　勇，侯啟太，劉亞明（．新疆油田工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000；．新疆油田工程技術(shù)公司，新疆克拉瑪依834000）①

連續(xù)油管連接器研制與應(yīng)用

劉海龍1，達(dá)勇2，侯啟太2，劉亞明1
（1．新疆油田工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000；2．新疆油田工程技術(shù)公司，新疆克拉瑪依834000）①

連續(xù)油管連接器的作用是連接連續(xù)油管和丟手、封隔器、沖砂頭等井下作業(yè)工具。油田現(xiàn)場使用的連接器存在裝卸繁瑣、性能單一等問題，有時其內(nèi)、外徑或扣型等參數(shù)無法滿足實際工藝需求。針對此現(xiàn)狀，研制了一種抗拉、抗扭并能實現(xiàn)密封的連續(xù)油管外卡瓦連接器，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、材料選擇與處理、廠區(qū)試驗與入井作業(yè)，達(dá)到預(yù)期要求。

連續(xù)油管；連接器；結(jié)構(gòu)；試驗

連續(xù)油管已被廣泛應(yīng)用于沖砂洗井、鉆橋塞、氣舉排液、壓裂和配合測試等作業(yè)，相比常規(guī)油管作業(yè)具有很大的優(yōu)越性［1-3］。目前，連續(xù)油管常用的連接器主要分為環(huán)壓式、螺釘式和卡瓦式等。其中環(huán)壓式和螺釘式連接器結(jié)構(gòu)簡單，主體只有1個零件，制造方便；缺點是裝拆復(fù)雜，需要預(yù)制和切割，而且環(huán)壓式連接器不能承受轉(zhuǎn)矩，無法滿足鉆磨等作業(yè)的要求［4-5］。因此，筆者根據(jù)外卡瓦的原理研制一種便于安裝拆卸并能同時承受拉力和轉(zhuǎn)矩的連接器。

1　結(jié)構(gòu)及工作原理

外卡瓦式連接器是通過內(nèi)壁帶有牙齒的錐形卡瓦收縮咬住連續(xù)油管實現(xiàn)連接，下端通過螺紋與其他工具相連，其優(yōu)點是安裝方便，性能可靠［6］。通過調(diào)研外卡瓦連接器的結(jié)構(gòu)與工作原理，根據(jù)油田的配套工具和工藝需求，設(shè)計出一種新的外卡瓦連接器，結(jié)構(gòu)及卡瓦形狀如圖1所示。

連接器由套筒、螺釘、止推環(huán)、卡瓦、密封圈和接頭6部分組成，其中卡瓦是其核心零件?？ㄍ邇?nèi)壁帶有環(huán)形和條形牙齒，分別實現(xiàn)抗拉和抗扭功能，外壁成錐形、周向開槽使其可以收縮。

連接器主要參數(shù)如下：

最大外徑?73mm

最小內(nèi)徑?36mm

長度約287mm

圖1　外卡瓦式連接器與卡瓦

2　材料工藝

目前油田上使用的大部分工具所用的材料是35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，通過調(diào)研，42CrMo超高強(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均優(yōu)于35CrMo。因此連接器主體部分選用42CrMo調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行加工。

卡瓦是連接器上的關(guān)鍵零件，首先卡瓦牙齒要咬進(jìn)連續(xù)油管實現(xiàn)抗拉或抗扭能力，需要卡瓦表面尤其是齒尖具有很高的硬度；其次卡瓦在外力的作用下可以收縮，因此卡瓦本體要保持較好的彈性。通過查閱文獻(xiàn)并未發(fā)現(xiàn)連接器卡瓦的材料與處理資料，參考打撈工具和封隔器整體卡瓦材質(zhì)的熱處理工藝研究［7-8］，卡瓦材料采用20CrMnTi，機(jī)加工完成后對齒尖進(jìn)行滲碳淬火以提高表面硬度。

3　主要參數(shù)計算

主要利用理論力學(xué)和材料力學(xué)的方法，通過材料強(qiáng)度參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸來計算卡瓦的抗拉能力和抗扭能力。

3．1 抗拉能力計算

卡瓦內(nèi)壁上的環(huán)形牙齒咬進(jìn)連續(xù)油管實現(xiàn)抗拉功能，其咬合形式與螺紋連接相似，最大承受拉力為環(huán)形卡瓦牙齒根部發(fā)生斷裂時，卡瓦最大可承受拉力為

F＝10－3K′K［τ］S＝10－3K′K［τ］ZP（πd－Δl）式中：F為卡瓦最大可承受拉力，k N；K′為環(huán)形牙齒咬進(jìn)不均勻系數(shù)；K為卡瓦各牙牙齒受力不均勻系數(shù)，一般取K＝0．6；S為環(huán)形卡瓦齒根受力面積，mm2；Z為環(huán)形卡瓦牙齒個數(shù)；P為環(huán)形卡瓦牙間距，mm；d為卡瓦齒根直徑，mm；Δl為卡瓦圓周上開槽寬度，mm；［τ］為卡瓦材料許用剪切強(qiáng)度，MPa。

連接器工作時卡瓦牙齒不能像螺紋嚙合一樣完全咬進(jìn)，實際情況是上部、開槽部位咬合較深，下部、開槽背面咬合較淺甚至未咬進(jìn)（后續(xù)試驗驗證了這一結(jié)論），因此取咬進(jìn)不均勻系數(shù)K′＝0．25，代入各數(shù)據(jù)計算可得連接器最大可承受拉力為372 k N。

3．2 抗扭能力計算

同抗拉強(qiáng)度類似，卡瓦內(nèi)壁上的條形牙齒咬進(jìn)連續(xù)油管實現(xiàn)抗扭功能，最大承受轉(zhuǎn)矩為條形卡瓦牙齒根部發(fā)生斷裂時，卡瓦最大可承受轉(zhuǎn)矩為T＝10－3K″K［τ］S′r＝10－3K″K［τ］（πd－Δl）hd／2式中：T為卡瓦最大可承受轉(zhuǎn)矩，N·m；K″為條形牙齒咬進(jìn)不均勻系數(shù)；S′為條形卡瓦齒根受力面積，mm2；r為作用力矩，mm，r≈d／2；h為條形卡瓦牙長度。

條形卡瓦咬緊時上下部均可完全咬進(jìn)，僅開槽部位咬合較深而背面較淺，因此這里取咬進(jìn)不均勻系數(shù)K″＝0．5，代入各數(shù)據(jù)計算可得連接器最大可承受轉(zhuǎn)矩為10 050 N·m。

4　性能試驗

4．1 抗扭能力

由于缺少轉(zhuǎn)矩計等專業(yè)測量轉(zhuǎn)矩工具，連接器的抗扭能力未能進(jìn)行準(zhǔn)確的試驗，筆者利用管鉗對其進(jìn)行估測。安裝連接器至連續(xù)油管，管鉗卡住連接器后加長管鉗臂至1．5m左右，人工施力的連接器與連續(xù)油管未發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，估算連接器實際最大可承受轉(zhuǎn)矩大于1 500 N·m。配套螺桿鉆具的最大輸出轉(zhuǎn)矩為1 145 N·m，因此連接器抗扭能力可以滿足實際使用需求。

4．2 抗拉能力

利用泵車、連續(xù)油管車和公司自制的拉力試壓盤配合對連接器的抗拉能力和密封性能進(jìn)行試驗。連接泵車與連續(xù)油管車，將連續(xù)油管穿過注入頭伸出后安裝連接器和拉力試壓盤，如圖3所示。

圖3　連接器性能試驗

調(diào)研現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)得知，連續(xù)油管作業(yè)時連接器最大承受拉力一般不超過100 k N，因此設(shè)計最大試驗拉力為150 k N，上提連續(xù)油管，至拉力試壓盤抵住注入頭后按設(shè)計載荷數(shù)據(jù)依次提高上提拉力，進(jìn)行抗拉試驗，記錄數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表1所示。

表1　連接器抗拉試驗拉力數(shù)據(jù)k N

由試驗結(jié)果可以看出，按照設(shè)計的數(shù)據(jù)對連接器施加拉力，在143 k N拉力的作用下連接器能夠正常工作，穩(wěn)定5min后拉力數(shù)值略有減小，原因是卡瓦在拉力作用下持續(xù)咬進(jìn)連續(xù)油管。因此連接器抗拉能力可以滿足現(xiàn)場使用要求，抗拉試驗合格。

4．3 密封性能

抗拉試驗完成后，啟動泵車，進(jìn)行密封試驗。連續(xù)油管施工時連接器最大承受內(nèi)壓一般不超過30 MPa，因此設(shè)計最大試驗壓力為35 MPa，采用400型泵車進(jìn)行試驗。按照設(shè)計的壓力階梯數(shù)據(jù)依次提高泵壓，記錄數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表2所示。

表2　密封試驗泵壓數(shù)據(jù)　MPa

由試驗數(shù)據(jù)可以看出，按照設(shè)計試驗壓力依次提高泵壓，穩(wěn)壓5min后壓力數(shù)值略有下降，但觀察連接器，未發(fā)現(xiàn)滴漏、刺漏，在34．6 MPa壓力下密封效果良好，連接器承壓能力可以滿足現(xiàn)場使用要求，密封試驗合格。

試驗完成后拆掉連接器觀察，發(fā)現(xiàn)卡瓦狀況良好，牙齒未發(fā)生崩斷、變形，連續(xù)油管上咬痕清晰理想，驗證了第2節(jié)做出的假設(shè)，如圖4所示。

圖4　連接器試驗后卡瓦與連續(xù)油管

5　現(xiàn)場應(yīng)用

2014-10-10，在克××井使用連接器進(jìn)行連續(xù)油管氣舉作業(yè)。12時進(jìn)行井下工具連接，管柱串從下至上分別為：射流解堵工具＋單流閥＋外卡瓦連接器至連續(xù)油管。隨后連續(xù)油管入井進(jìn)行作業(yè)，至23時作業(yè)完成，順利提出連續(xù)油管及井內(nèi)工具，如圖5所示，現(xiàn)場應(yīng)用成功，驗證了該連接器性能達(dá)到了現(xiàn)場使用的要求。

圖5　現(xiàn)場應(yīng)用

6　結(jié)論

1） 通過設(shè)計、分析與試驗，到入井作業(yè)成功，表明該連續(xù)油管外卡瓦連接器結(jié)構(gòu)合理，性能可靠，可以滿足油田現(xiàn)場使用的需要。

2） 連接器現(xiàn)場應(yīng)用成功，解決了目前連接器裝拆繁瑣、性能單一、扣型不匹配等問題，同時降低了工具購置成本和供貨時間，提高了效益。

［1］ 李秋燕，劉鐵軍，梁宇庭，等．連續(xù)油管技術(shù)在沖砂作業(yè)中應(yīng)用效果［J］．石油礦場機(jī)械，2012，41（6）：84-87．

［2］ 王少力，鄭子元．連續(xù)油管國產(chǎn)化技術(shù)研究新進(jìn)展［J］．石油礦場機(jī)械，2008，37（8）：91-93．

［3］ 賀會群．連續(xù)油管技術(shù)與裝備發(fā)展綜述［J］．石油機(jī)械，2006，34（1）：1-6．

［4］ 陳新欣，雷蘭祥，孫怡紅，等．連續(xù)管水力機(jī)械切割工具的研究與應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2013，41（5）：76-78．

［5］ 于東兵，包文德，馬衛(wèi)國，等．連續(xù)油管打撈技術(shù)專用工具研究現(xiàn)狀及展望［J］．石油機(jī)械，2007，35（1）：45-47．

［6］ 寧，鄒剛，蔣友誼，等．連續(xù)管噴砂射孔分段壓裂工具的研究與應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2012，40（11）：94-98．

［7］ 孫鑫，程智遠(yuǎn)，周曉昱，等．連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分段壓裂工具研制［J］．石油礦場機(jī)械，2014，43（6）：73-76．

［8］ 張瑞平，位秉?。畬γ乐拼驌乒ぞ呖ㄍ卟牧霞盁崽幚砉に囐|(zhì)量的分析研究［J］．石油礦場機(jī)械，1983，12（1）：47-55．

Development and Application of Coiled Tubing Connector

LIU Hailong1，DA Yong2，HOU Qitai2，LIU Yaming1
（1．Engineering Research Institute，Xinjiang Oilfield，Karamay 834000，China；2．Engineering Technology Company，Xinjiang Oilfield，Karamay 834000，China）

Connectors are the essential tools of coiled tubing operations，whose role is to connect the coiled tubing and underground work tools，including release，packer，sand washing and so on．There are several problems of the former connector used in oil field such as complex installment or dismantle and single performance，and sometimes its inside diameter or outside diameter or bucklemodel parameters is unable tomeet the demand of practical process．Against the status quo，a coiled tubing external slip connector is developed to be tensile and torsion，and can realize the sealing，which finally reaches expected requirements through the structural designing，optimi-zing，material selecting，processing，factory testing and operating．

coiled tubing；connector；structure；testin g

TE931．203

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．016

1001－3482（2015）08－0067－04

①2015－02－05

劉海龍（1988-），男，河北獻(xiàn)縣人，碩士研究生，主要從事油田井下工具設(shè)計研究，Email：646421653＠qq．com。