連續(xù)管可纏繞連接器國內(nèi)外進(jìn)展

李向偉，李偉，王維亮，荊棟，任武

（1.中石油江漢機(jī)械研究所有限公司， 湖北 荊州 434000）

（2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721008）

（3.渤海石油裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司， 天津 415400）

1 引言

在石油鉆探開發(fā)中，隨著井深的增加以及復(fù)雜井的需要，連續(xù)管應(yīng)用時(shí)需要提高其剛度從而抵達(dá)更深的目標(biāo)，因此，連續(xù)管管柱變得越來越重。但受限于滾筒容量、整車超重等因素，單盤連續(xù)管長度已逐漸不能滿足現(xiàn)場施工要求，只能延長連續(xù)管以滿足各種作業(yè)需求。另外，海洋平臺(tái)的局限性更為明顯，起吊能力、甲板承重、空間有限等因素均限制單盤連續(xù)管不能超重[1-2]。

不考慮材料因素，將兩盤以上的管子連接在一起目前看來是解決上述問題的唯一途徑，對(duì)此，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究[3-4]，研究方向主要集中在焊接和機(jī)械連接。焊接方式是伴隨著連續(xù)管的生產(chǎn)應(yīng)運(yùn)而生，也是目前連續(xù)管對(duì)接的主要和首選方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是不改變連續(xù)管通道。盡管如此，連續(xù)管環(huán)縫焊相對(duì)來說仍然昂貴和耗時(shí)。首先，焊接需要專業(yè)人員來完成操作，且在很多時(shí)候還需要特殊作業(yè)許可和一個(gè)相對(duì)離散的施工區(qū)域；其次，很多時(shí)候應(yīng)考慮安全因素，在焊接施工期間必須關(guān)閉井口；最后，焊縫需要無損檢測專家以及更多的設(shè)備用以檢測質(zhì)量。而機(jī)械式連續(xù)管可纏繞連接器的開發(fā)最早是基于海洋平臺(tái)的連續(xù)管作業(yè)需要而展開的，由于海洋平臺(tái)起吊能力、甲板承重能力受限，以及施工場地狹窄、氣候惡劣、需要?jiǎng)踊鹱鳂I(yè)許可等因素，使得焊接不是一個(gè)最佳實(shí)施方案，因此促使工程技術(shù)人員開展了機(jī)械連接方面的研究，其最大優(yōu)點(diǎn)是安裝便捷、檢測直觀。

本文簡述了連續(xù)管可纏繞連接器國內(nèi)外的進(jìn)展情況，并對(duì)各種連接器的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)形式、輔助安裝設(shè)備等進(jìn)行了介紹，以供國內(nèi)設(shè)計(jì)開發(fā)連接器時(shí)借鑒。

2 可纏繞連接器概述

連續(xù)管連接分為連續(xù)管與工具連接和連續(xù)管管—管連接，其中連續(xù)管管—管連接的連接器具有可纏繞性，稱之為可纏繞連接器?？衫p繞連接器具有以下幾個(gè)基本要求：連接器最大外徑與管體外徑基本一致，保證通過注入系統(tǒng)；內(nèi)徑不能過小，保證作業(yè)時(shí)的流量；連接后的管子可纏繞到滾筒上，且具有一定的疲勞性能和密封性。以上均對(duì)連接器的材料以及設(shè)計(jì)提出了很高要求，因而開發(fā)難度很大。

可纏繞連接器最初的設(shè)計(jì)是受到管道和水管的連接而啟發(fā)，管道連接采用預(yù)制溝槽（凹槽或凹坑）技術(shù)，雖然預(yù)制溝槽、內(nèi)外卡瓦、預(yù)制螺紋等技術(shù)均可用于機(jī)械連接，但只有預(yù)制溝槽連接后的連續(xù)管具有可纏繞性，這也是眾多可纏繞連接器研發(fā)公司采用的主流技術(shù)，只是其溝槽形狀和布局會(huì)有差別。

可纏繞連接器一般由三部分組成：本體部分，最大外徑與連續(xù)管外徑相同或略大；接頭部分，表面有預(yù)制溝槽以及密封槽，是連接器的核心部位；伸入部分，伸入到連續(xù)管內(nèi)部，主要作用是導(dǎo)向和減小應(yīng)力集中。連接器安裝過程如下：矯直管體、內(nèi)表面整圓、去除焊筋（激光焊連續(xù)管不需要）、安裝。安裝時(shí)需要借助專用工具將連續(xù)管部分材料壓入到溝槽部位，壓入部分的連續(xù)管材料發(fā)生塑性變形，嵌入至溝槽內(nèi)。

機(jī)械連接器的優(yōu)點(diǎn)是操作快捷、不需要復(fù)雜的裝備安裝以及監(jiān)控，但缺點(diǎn)是會(huì)造成內(nèi)通道減小以及降低管柱整體的強(qiáng)度。

3 國內(nèi)可纏繞連接器

國內(nèi)對(duì)于連續(xù)管連接目前仍集中在采用焊接方式，西安石油大學(xué)、中石油江漢機(jī)械研究所和寶雞石油鋼管公司均進(jìn)行了大量的研究，并已用于現(xiàn)場連續(xù)管連接。對(duì)于可纏繞連接器，國內(nèi)僅中石油江漢機(jī)械研究所進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，并形成了自己的專利產(chǎn)品[5-6]，目前已用于現(xiàn)油田場。其連接器用于青海油田躍深平6井的酸化作業(yè)，在溫度為110-120℃、施工壓力59MPa的工況下，延長后的連接器施工時(shí)間長達(dá)15小時(shí)[7]，如圖1所示。

總體而言，國內(nèi)可纏繞連接器并未形成系列化、自動(dòng)化、專業(yè)化的整套配置，其輔助安裝工具相對(duì)簡單，還需要進(jìn)一步從成型機(jī)理、配套安裝工具等方面加大研究力度。

圖1 江漢機(jī)械研究所可纏繞連接器用于青海油田

4 國外可纏繞連接器

1997年BJ公司[8]進(jìn)行了機(jī)械連接器的研制，并于2003年開發(fā)出第一款商用連續(xù)管可纏繞連接器[9]，隨后國外各大油服公司，如哈里伯頓和斯倫貝謝均開始研發(fā)自己的專利產(chǎn)品。目前國外的可纏繞連接器相對(duì)較為成熟，連接范圍從1-1/4到2-7/8英寸，并且相關(guān)配套的安裝設(shè)備齊全、自動(dòng)化程度高。

4.1 BJ公司可纏繞連接器

BJ公司是最早研發(fā)連續(xù)管可纏繞連接器的廠家，于2003年推出第一代產(chǎn)品DuraLink，并且獲得了美國2008年度12項(xiàng)石油工程技術(shù)創(chuàng)新特別獎(jiǎng)，其外形結(jié)構(gòu)如圖2。隨后在北海區(qū)域試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)中部聚合物脫落情況，但總體應(yīng)用較為成功，隨即決定采用鋁合金隔環(huán)代替聚合物，如圖3所示。

圖2 第一代DuraLink連接器

圖3 第一代DuraLink連接器改進(jìn)版

2010年，BJ公司在印度西海岸進(jìn)行了改進(jìn)版連接器的現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)即使隔環(huán)改進(jìn)為鋁合金材質(zhì)，在與井下安全閥（SSSV）接觸時(shí)仍導(dǎo)致破損，但對(duì)使用效果沒有明顯影響，仍成功地提起了井下連續(xù)管。隨后在第二口井試驗(yàn)時(shí)去掉鋁合金隔環(huán)，最初擔(dān)心去掉隔環(huán)后在連接器通過防噴盒時(shí)壓力泄漏，后發(fā)現(xiàn)去掉隔環(huán)并不影響其壓力完整性[10]，因而后續(xù)最新產(chǎn)品去掉了隔環(huán)。

美國專利US10394392、US7562909B2具體介紹了第一代改進(jìn)版的連接器，根據(jù)內(nèi)容描述，其設(shè)計(jì)原理分為兩部分：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，連接器和連續(xù)管之間的彎曲剛度EI、塑形彎矩相匹配；材料方面，采用高塑性應(yīng)變比和冷加工硬化率、抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性低的材料，如Inconel X-750。

歷經(jīng)數(shù)次改進(jìn)后，BJ公司目前已形成系列化的連接器產(chǎn)品，如表1所示，可以看出該系列連接器最大型號(hào)為2.875英寸[11]，圖4為改進(jìn)后的連接器。除此之外，BJ公司同時(shí)開發(fā)了整套的安裝工具、安裝工藝流程以及判廢原則制定，安裝工具均采用手動(dòng)方式，連接器的失效判定則主要是通過肉眼檢測和測量連續(xù)管的橢圓度和膨脹來實(shí)現(xiàn)的。

表1 DuraLink系列連接器

圖4 最新DuraLink連接器

4.2 哈里伯頓公司可纏繞連接器

哈里伯頓公司從2005年開始研發(fā)可纏繞連接器，經(jīng)歷了數(shù)代更新[12]。其第一代產(chǎn)品示意圖及安裝后的效果如圖5所示，連接部位采用了較為常見的凹坑式。但在其第一次實(shí)物試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)其拉伸強(qiáng)度不夠而放棄了這一設(shè)計(jì)思路，隨后進(jìn)行了第二代產(chǎn)品的嘗試設(shè)計(jì)，如圖6所示，其設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，采用內(nèi)卡瓦以及中部的鉸鏈球，內(nèi)卡瓦的作用是補(bǔ)償彎曲，鉸鏈球的作用是在彎曲時(shí)可以更好地適應(yīng)管子的彎曲，但在最后試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)壓不住井從而放棄。

圖5 哈里伯頓第一代機(jī)械連接器示意圖及安裝效果圖

圖6 哈里伯頓第二代機(jī)械連接器示意圖及安裝效果圖

圖7 哈里伯頓第三代機(jī)械連接器安裝效果圖

2008年，哈里伯頓公司改變之前的試錯(cuò)法研發(fā)思路，采用有限元設(shè)計(jì)，利用材料的彎曲行為、連接器本體的剛度分布以及連接后所產(chǎn)生的應(yīng)變來解決疲勞問題，圖7為哈里伯頓第三代產(chǎn)品。

美國專利US7677302B2具體介紹了哈里伯頓第三代可纏繞連接器，不同于常規(guī)的凹坑式、環(huán)形槽連接，而是在環(huán)形槽的基礎(chǔ)上創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了三個(gè)或多個(gè)30°～270°范圍的半環(huán)形槽，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是既保留了環(huán)形槽拉伸強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn)又可以承受一定的扭矩，但對(duì)于安裝提出了較高要求。與BJ產(chǎn)品類似，端頭部位的連接器厚度采用漸變的方式，也是為了減小連接器剛度和更易彎曲，其本體材料選擇AISI4130合金。

從現(xiàn)有資料看，哈里伯頓的連接器外徑尺寸規(guī)格從1.75in到2.875in，拉伸強(qiáng)度和扭矩依次可達(dá)到本體的70%-80%、55%-70%[13]。同時(shí)也開發(fā)了相關(guān)的安裝配套工具，且部分工具采用氣動(dòng)式[14-15]，值得一提的是其所有的安裝工具均可打包為一個(gè)小型包裹，人工即可搬動(dòng)。

4.3 斯倫貝謝公司可纏繞連接器

斯倫貝謝公司從2007年開始研發(fā)可纏繞連接器，研發(fā)初期進(jìn)行了大量的評(píng)估試驗(yàn)，最終選擇凹坑式連接方式，隨后也采用有限元模擬方法進(jìn)行連接器的設(shè)計(jì)，并且提出了較高的技術(shù)要求：連接器連接后的抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度最低要達(dá)到本體的80%[16]。不同于BJ公司和哈里伯頓公司，斯倫貝謝公司在連接器材料選擇時(shí)考慮到了酸性環(huán)境使用，因而其連接器材料與連續(xù)管本體材料相接近，且其長度也要明顯小于前兩者。圖8是斯倫貝謝公司2019年前后開發(fā)的最新可纏繞連接器。

從現(xiàn)有資料看，斯倫貝謝的可纏繞連接器尺寸規(guī)格最大為2.875in，其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為24MPa下須承受15個(gè)循環(huán)（90次彎曲）不發(fā)生開裂等，同時(shí)斯倫貝謝公司也相應(yīng)開發(fā)了系列完整的配套安裝工具，如矯直機(jī)、氣動(dòng)去焊筋設(shè)備等。連接器的失效判定主要是通過測量中部硬質(zhì)合金臺(tái)階尺寸以及凹坑深度變化來確定[17]。

圖8 斯倫貝謝可纏繞連接器

5 結(jié)束語

與焊接技術(shù)相比，機(jī)械式可纏繞連接器具有安裝方便、疲勞性能下降較少等優(yōu)點(diǎn)，有望成為連續(xù)管現(xiàn)場連接的主要方式。國外各大油服公司均有自己的專利產(chǎn)品以及配套安裝工具，且仍處于不斷更新中。隨著連續(xù)管工藝在國內(nèi)大面積應(yīng)用，連續(xù)管連接必定會(huì)頻繁地使用。對(duì)此，國內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究，盡快形成專業(yè)系列化產(chǎn)品和安裝工具。

◆參考文獻(xiàn)

[1] Allan Zhong,Asif Ehtesham,and Robert Howard,Successful Development of Coiled-Tubing Connectors Using Virtual Testing.2009 SIMULIA Customer Conference.2019.

[2] Asif Ehtesham,Robert Howard & Joseph Hriscu,Extending Life and Usage of CT Strings by High-Performance Spoolable Connector.international Petroleum Technology Conference.IPTC 12256.

[3] 張燕娜，石凱，劉彥明，等. 現(xiàn)場連續(xù)油管對(duì)接全位置自動(dòng)焊技術(shù)探討[J].熱加工工藝，2010，(7)：110-112.

[4] H.B.Luft,SPE,L.E.Laun and P.B.Thov,Development of a New Spoolable Mechanical Coiled Tubing Connector.SPE 89527,Houston,TX:(March,2004).

[5] 朱峰，趙全，胡強(qiáng)法，等. 連續(xù)管可纏繞對(duì)接裝置[P].中國專利，201621473707.5，2016-12-30.

[6] 任武，趙全，譚文鋒，等. 對(duì)接裝置[P].中國專利，201721858571.4，2017-12-27.

[7] http://www.doc88.com/p-6771195368527.html

[8] Alan Reaper,Development &Application of Inline Connectors for Weight Restricted Offshore Operations.SPE 38424,Houston,TX:(April,1997).

[9] L.Link,et al.Large Diameter Coiled Tubing Becomes Available Safely Offshore Through a Newly Developed Spoolable Connector:Case Histories and Field Implementation.SPE 94163,Houston,TX:(April,2005).

[10] G.Effiong,et al.Spoolable Connector Allows Coiled Tubing Operations Offshore India.SPE 127677,Houston,TX:(Janua ry,2010).

[11] http://www. bakerhughes.com.

[12] Robert Howard,et al.Innovative Well-Intervention Solutions Using Spoolable Connector.SPE 135300,Italy,(September,2010).

[13] Asif Ehtesham,et al.Development of a High-Fatigue-Life Spoolable Connector for Offshore Applications.SPE 19228,Houston,TX:(May, 2008).

[14] Asif Ehtesham,et al.Development of a High-Performance Spoolable Connector.SPE113037,Houston,TX:(April,2008).

[15] Asif Ehtesham,et al.Spoolable Connector for Large-OD Coiled Tubing.SPE 121349,Houston,TX:(April,2009).

[16] S.O.Bolarinwa,et al.Novel Coiled-Tubing Spoolable Connector Deployment in the Norwegian Sector of the North Sea.SPE 107089,Houston,TX:(March,2007).

[17] Azwan Keong,et al.Advancement in Spoolable Dimple Connector Design Provides Reliable Coiled Tubing Interventions in Extended Reach Wells.SPE 194233,Houston,TX:(March,2019).