水平井用套管接頭評價方法研究*

徐 凱， 唐家睿， 楊曉龍， 魏耀奇，田永強， 董 超

（1. 國家石油天然氣管材工程技術研究中心， 陜西寶雞 721008；2. 寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西寶雞 721008）

0 前 言

套管連接性能是影響井筒完整性的一個關鍵點， 因此生產(chǎn)企業(yè)會投入大量的時間和資源。廣泛的應用環(huán)境及復雜的載荷條件使得套管接頭性能評價很難采用統(tǒng)一的方法， 考慮到套管接頭作為保護含水層不受井下流體影響的屏障和進入生產(chǎn)地層管道的重要性， 必須確保套管接頭的性能評價能夠滿足現(xiàn)場施工條件， 并以適當?shù)臉藴蔬M行。

1958 年， API 發(fā)布了首個全行業(yè)標準， 作為推薦實施規(guī)程 （RP） 以及套管和油管接頭設計評價的驗證試驗程序。 隨著時間的推移， 高壓/高溫 （HPHT） 井和深井環(huán)境的挑戰(zhàn)不斷增加， 井筒設計結構復雜性也相應增加， 套管接頭制造企業(yè)認識到需要更嚴格的性能評價方法。同時， 惡劣環(huán)境下接頭性能的需求有效推動了行業(yè)有限元分析 （FEA）、 全尺寸測試技術和程序的發(fā)展。

盡管之前有公布的接頭試驗評價標準， 但ISO 13679 （第1 版） 和API RP 5C5 （第3 版） 《套管和油管接頭測試程序》 是自公布以來最受認可和廣泛使用的接頭評價標準（為清楚起見， 兩個版本在本文中均稱為ISO 13679）。 接頭制造企業(yè)已使用ISO 13679 作為許多油套管接頭評價的基礎，并且將根據(jù)本標準評價的接頭用于油井設計。

ISO 13679 的基本程序是對接頭試樣進行一系列試驗， 這些試驗代表了可能的載荷和載荷順序， 這些載荷和順序近似于接頭在使用中可能受到的載荷。 除了載荷類型外， ISO 13679 還確定了測試接頭的嚴苛等級。 這些嚴苛等級被稱為接頭應用程序級別 （CAL）， 其中CAL IV最為嚴苛的。

典型的ISO 13679 CAL IV 級試驗包括四個階段： 材料理化性能檢測、 上卸扣試驗、 密封性能檢測和極限載荷試驗。 材料理化性能檢測是為了評估管材的實際材料性能， 從管體上切下連接試樣， 在計算密封性能試驗的特定荷載點時， 相關參數(shù)將在評估程序中使用。 根據(jù)連接試樣的幾何結構進行上卸扣試驗， 試驗后的接頭可用于評估程序中剩余試驗。 在上卸扣試驗之后是三個密封性試驗系列： A 系列、 B 系列和C 系列。 A 系試驗是將接頭置于包括軸向載荷在內(nèi)的組合載荷下 （內(nèi)壓、 外壓、 拉伸和壓縮）； B 系試驗是將接頭置于內(nèi)壓下軸向拉伸或壓縮的組合載荷下， 并在關鍵載荷步驟處施加彎曲， 模擬井內(nèi)建井段的狗腿度； C 系試驗在相應的內(nèi)壓和軸向拉伸載荷下對接頭進行多次熱循環(huán)。 一旦接頭通過一系列的密封性試驗，它們將在各種不同的極限荷載組合 （如拉伸、壓縮、 內(nèi)壓、 外壓等） 下進行試驗， 達到或超過其結構承載力。

接頭不僅要經(jīng)過嚴格的試驗檢測， 而且符合相關性能標準， 這些標準有助于確定接頭是否滿足未來的施工要求。 相關性能標準有兩個：密封完整性和結構完整性。 對于CAL IV 試驗程序， 密封性能試驗系列中， 每個載荷點處限制氣體滲漏小于0.06 mL/min 的接頭被視為 “合格” 的接頭。

隨著油井設計的不斷發(fā)展， 接頭和管材性能的要求在不斷變化， 油套管作業(yè)者和制造企業(yè)都意識到ISO 13679 標準存在一些限制， 因此行業(yè)專家致力于更新ISO 13679 標準， 以反映目前油井的新設計要求和載荷條件， 例如海上高壓井，接頭的失效可能帶來非常嚴重的影響。

由于ISO 和API 標準不再是等效的技術文件， 2017 年API RP 5C5 （RP 5C5） 第4 版發(fā)布， 同時ISO 13679 也在持續(xù)更新。 在大多數(shù)情況下， API RP 5C5 建立了與ISO 13679 相同的試驗類型， 但是， 在CAL IV 級試驗中， 接頭密封性能試驗順序按B-C-A 系列進行。 此外， 單獨的密封性能試驗 （特別是A 系列） 規(guī)定接頭需要承受環(huán)境溫度和高溫下的組合載荷， 這是接頭評價試驗的新要求。

雖然API RP 5C5 現(xiàn)在是評價大多數(shù)接頭設計的標準， 但API RP 5C5 中的載荷順序側重于靜態(tài)海上高壓井條件， 并未涉及到多段水平壓裂井 （MFHW） 中的特定載荷。 此外， 完成API RP 5C5 CAL IV 測試項目的成本很高， 如果評價過程不能反映現(xiàn)場應用情況， 相關人員通常不愿意進行大量的研究和開發(fā)投資。

1 壓裂水平井接頭評價的出現(xiàn)

在北美地區(qū)， 鑒于壓裂水平井（MFHW） 行業(yè)的增長， 運營商和接頭制造企業(yè)一直在共同努力， 以確定如何評估MFHW 應用程序中的接頭連接性能。 針對MFHW 的接頭設計也越來越普遍， 制造企業(yè)正在創(chuàng)建定制的測試程序， 以模擬水力壓裂井的典型現(xiàn)場條件。

2015 年， 美國石油學會發(fā)布了API RP 100-1《水力壓裂-油井完整性和裂縫控制》， 為行業(yè)提供了水力壓裂井設計指南和參考。 API RP 100-1第5.3 節(jié)闡述了套管設計， 并總結了選擇MFHW套管接頭時需要考慮的關鍵荷載因素， 包括壓裂增產(chǎn)載荷、 回流載荷、 采氣載荷、 套管下入載荷、 連接彎曲強度、 抗壓和抗拉承載力、 氣密密封能力（如有要求）、 疲勞載荷。

許多上述荷載未在API RP 5C5 中表示出來。這種情況之前也出現(xiàn)過， 因為其他非典型井應用都有具體的評價方法， 如熱采井應用、 蒸汽輔助重力排水井（SAGD） 和循環(huán)蒸汽吞吐井（CSS）。由于該行業(yè)認識到在ISO 13679 標準中沒有表述溫度驅(qū)動的應變載荷 （API RP 5C5 標準的最終更新中也沒有該內(nèi)容）， 故發(fā)布了熱井套管連接驗證標準ISO/PAS 12835。

2 針對MFHW 接頭評價開發(fā)的工業(yè)協(xié)議

2016 年， 根據(jù)API WI 3081 成立了一個行業(yè)專家委員會， 以解決MFHW 相關評價協(xié)議的分歧。 針對MFHW 井中存在的工藝驅(qū)動循環(huán)載荷， 該委員會制定了一個MFHW 井所用接頭的評價協(xié)議。

MFHW 應用的一個獨特方面是井下環(huán)境的臨界載荷， 這是特殊應用， 與現(xiàn)有井下環(huán)境條件相比， 作業(yè)者的井筒設計、 完井和增產(chǎn)策略以及產(chǎn)量對接頭性能的影響可能更大。 鑒于此，針對MFHW 應用的任何行業(yè)開發(fā)協(xié)議都必須是靈活的， 并且是針對運營商的實際需要而專門構建的， 創(chuàng)建一個 “一刀切” 的方法不切實際。

在設計MFHW 協(xié)議時， 還應當考慮另一個與應用相關的要素， 即有些井可能穿過地層表層上方的敏感含水層， 有些井可能擁有大狗腿度（DLS） 的建井段， 進而進入大位移水平生產(chǎn)層段。 對于每個接頭， 每個應用程序可能需要不同的標準。

委員會認識到， 提供一致的試驗方法和允許準則能夠讓使用者靈活制定盡可能代表現(xiàn)場條件的試驗方案。 由于委員會希望得到的協(xié)議是一個指南而不是一個要求， 因此會選擇將其作為技術報告 （TR） 而不是推薦規(guī)程 （RP） 進行開發(fā)，API 將其命名為API TR 5SF。

3 API TR 5SF 的一般理念

API TR 5SF 將使評價人員能夠創(chuàng)建一個定制的檢測程序， 以滿足他們的實際需求。 試驗程序?qū)⒂杀环Q為試驗程序元素 （TPE） 的單個組件組成， 每個測試程序元素側重于代表油井作業(yè)中特定過程或階段的特定載荷。 與API RP 5C5 相比， API TR 5SF 接頭評價的一個重要區(qū)別在于，API TR 5SF 沒有規(guī)定廣泛的性能標準， 也未采用CAL 類型的系統(tǒng)來定義評價程序的嚴苛程度。沒有規(guī)定數(shù)量的試樣必須按照API TR 5SF 進行試驗， 具體參數(shù)由試驗人員確定。 與油井設計的許多方面一樣， 接頭性能適用性要求試驗人員進行工程判斷， 不僅要了解試驗程序如何能夠代表MFHW 應用， 還要了解試驗程序在現(xiàn)場全面評估接頭性能所有方面的能力如何受到限制。

盡管API TR 5SF 允許試驗人員選擇試驗程序要素， 但其推薦遵循接頭上卸安裝載荷、 壓裂載荷、 采氣載荷的加載順序。 加載順序很重要，因為MFHW 應用中的大部分載荷可能會對接頭結構（可能還有密封） 及性能產(chǎn)生累積影響。 因此， 在試驗過程中應盡可能模擬現(xiàn)場的工況條件， 特別是在循環(huán)載荷方面， 因為它會導致接頭連接處局部發(fā)生屈服。

委員會制定API TR 5SF 的另一個目標是通過引用其他API 文件中的相關信息， 進而減少來自API 文件 （如API RP 5C5） 的重復信息。這種方法的另一個好處是確保引用的信息取自最新版本， 從而降低文件之間信息不一致的風險。

4 試驗程序要素

API TR 5SF 提出的試驗程序要素包含四類載荷， 以及油井施工、 增產(chǎn)和生產(chǎn)各階段的循環(huán)載荷條件。 試驗程序旨在模擬現(xiàn)場工況條件， 因此沒有規(guī)定軸向載荷、 DLS 目標曲率等參數(shù)， 而是由試驗人員確定。

4.1 接頭上卸扣試驗

試驗程序的第一步是接頭上卸扣試驗， 包括試驗人員是否希望在標準接頭組件之外增添補充試驗選項。

如果試驗人員想在最終接頭上卸扣前進行多次上卸扣， 他們可以對試樣進行抗粘扣試驗。API TR 5SF 中未規(guī)定抗粘扣試驗程序， 但參考API RP 5C5 中的試驗程序； 由試驗人員確定是否將API RP 5C5 抗粘扣性能的驗收標準引入本試驗程序。

如果檢驗人員要模擬下套管作業(yè)中出現(xiàn)的過扭矩情況， 接頭試樣應當夾持短節(jié)進行上扣， 這樣可以模擬試樣受到上扣后的過扭矩情況。 但是在螺紋和接箍連接的情況下， 這種上扣方式會引起接箍的滑動。 雖然在典型的抗粘扣試驗中（API RP 5C5） 要避免這種情況， 但它更能代表在下套管過程中過扭矩對接頭的影響。

4.2 下套管載荷

下套管載荷會對接頭試樣產(chǎn)生循環(huán)載荷。 這些測試元素是為了模擬套管從地面下入至指定位置過程中所經(jīng)歷的載荷。 多段壓裂水平井設計通常包含穿過產(chǎn)層的長水平套管或襯管， 這可能需要一個或多個造斜段來調(diào)整井眼方向。 套管單靠重力作用不能通過這種軌跡復雜的井眼， 施工人員會通過旋轉套管或上提下放來克服井眼的摩阻。

在加載循環(huán)載荷之前， 試驗人員需要驗證接頭試樣的抗拉伸性能。 這對于半直連接頭、 直連接頭或其他不能達到100%管體效率的接頭尤為重要。 拉伸載荷試驗用來模擬卡瓦到造斜點之間的套管對接頭的載荷作用。

旋轉和彎曲的復合載荷是這個測試單元的基礎。 這種復合作用模擬了套管在抵達預定位置過程中接頭所受的載荷。 旋轉下套管時， 接頭在大狗腿度的多段壓裂水平井中會出現(xiàn)顯著的局部拉伸-壓縮交替載荷。

針對旋轉-彎曲復合試驗， API TR 5SF 給出了多種選擇。 例如： 試驗人員可以根據(jù)設備條件等來選擇長周期或短周期的循環(huán)試驗， 同時在旋轉-彎曲試驗中選擇性地增加內(nèi)壓、 軸向載荷和扭矩。

4.3 壓裂載荷

與其他油氣開發(fā)技術比， MFHW 的顯著特點是需要重復進行水力壓裂。 多段壓裂水平井的設計發(fā)展非常迅速， 為了獲得更高的產(chǎn)量， 生產(chǎn)的管柱越來越長， 壓裂段數(shù)越來越多。 在水力壓裂過程中， 接頭會受到大量的高強度及高速率的壓力循環(huán)， 這可能會影響接頭的性能。

壓力循環(huán)載荷是測試單元的基礎。 壓力循環(huán)載荷試驗需要對試樣施加可以代表MFHW 工藝的多個壓力循環(huán)。 壓力循環(huán)試驗中， 壓力的變化速度比常規(guī)接頭變化速度更快， 但試驗設備很難產(chǎn)生與實際水力壓裂作業(yè)中同樣的壓力峰值。 與旋轉-彎曲載荷試驗相同， 在壓力循環(huán)試驗中， 試驗人員也可以選擇性地增加軸向載荷或大狗腿度。

4.4 生產(chǎn)載荷

與套管下入和壓裂載荷相比， 多段壓裂水平井中的生產(chǎn)載荷相對平穩(wěn)。 API TR 5SF 委員會認為， API RP 5C5 中的試驗能夠代表生產(chǎn)載荷；但試驗人員必須確定相應的試驗程序。 API TR 5SF 文件中未給出生產(chǎn)載荷測試單元中的密封性閾值的許可標準， 這就需要試驗人員必須在試驗期間評估接頭性能的適用性。

5 創(chuàng)建定制的API TR 5SF 試驗程序

測試人員可以根據(jù)API TR 5SF 來定制試驗程序以滿足特定需求。 與其它試驗文件不同，API TR 5SF 中既沒有測試樣本最少數(shù)量的要求，也沒有測試程序中必須包含的測試單元系列要求。 下面兩個案例介紹了如何根據(jù)不同的試驗目的來設計試驗程序進而評估接頭的性能， 分別是： 大位移井的建設方和新設計的半直連接頭制造方。

5.1 大位移井套管接頭試驗程序設計示例

在此案例中， 建設方有一口大狗腿度（DLS） 的大位移井。 在固井程序中， 套管需要進行旋轉和上提下放， 以提高固井質(zhì)量。 該井的水平段有80 個壓裂段， 并且建設方希望采用單一直徑井眼設計（同種接頭、 同種套管， 套管從井口下到井底不使用懸掛器）。 建設方要在生產(chǎn)段注水泥， 他們非常關心水平段的井眼軌跡或尺寸變化引起的水泥空隙。 一旦出現(xiàn)空隙， 壓裂液將會沿著生產(chǎn)管柱傳播， 進而使套管段承受高外壓。 由于地層溫度較高， 套管的材料性能可能也會受到影響。

試驗人員制定了一個評價方案， 包括一部分測試單元， 這個評價方案可以處理井身設計和關鍵載荷中會影響接頭在服役過程中整體性能的多個因素。 接頭試樣的數(shù)量應該能夠驗證井下不同位置接頭的性能， 或者能夠驗證試驗結果的可重復性， 然而考慮經(jīng)濟性可能會減小試驗程序中某些重復性的試驗程序單元。 在這個案例中， 試驗人員制定了一個包括3 組試樣的評價方案， 每組試樣包含一系列的測試單元來檢驗接頭在井下不同位置的性能。 每組試樣的試驗步驟如圖1 所示。

圖1 根據(jù)API TR 5SF 制定的大位移井套管接頭試驗程序

在本案例中， 接頭試樣1 代表井口位置，這一部分套管不會經(jīng)過造斜段， 因此不必進行旋轉-彎曲試驗， 但是它要進行壓裂載荷試驗和生產(chǎn)載荷試驗。 考慮到接頭在井眼中的位置， 生產(chǎn)載荷測試單元沒有選擇大狗腿度； 但是為了模擬高溫產(chǎn)出流體， 生產(chǎn)載荷測試單元選擇了高溫。

接頭試樣2 代表造斜位置， 這部分套管要經(jīng)歷大量的旋轉-彎曲循環(huán)， 并且在生產(chǎn)階段還要保持彎曲狀態(tài)。 接頭試樣3 代表產(chǎn)層位置， 這部分套管已經(jīng)穿越了造斜段， 回到了伸直狀態(tài)。 雖然接頭試樣3 與其他兩個試樣同樣會承受內(nèi)壓，但是試驗人員選擇性地評價了它的抗外壓性能。

5.2 新型半直連型套管接頭試驗程序設計示例

第二個案例來自一家接頭制造企業(yè)， 他們開發(fā)了一種新的半直連型接頭， 并對它在MFHW 中的性能進行評價。 他們想知道旋轉-彎曲復合載荷會對接頭有什么樣的影響， 還想知道接頭在失效前可以承受多少次旋轉-彎曲載荷循環(huán)。 由于這是對接頭性能的初步評估， 制造企業(yè)不想在初期試驗中投入太多的試樣， 后續(xù)的設計可能會根據(jù)初期試驗結果而改變。 API TR 5SF 標準試驗程序如圖2 所示。 在本案例中，試驗人員為試樣1 和試樣2 進行非常相近的試驗程序 （1 號樣增加了抗粘扣試驗）， 以驗證試驗結果可重復。 在按照API RP 5C5 系列B系試驗程序進行試驗之前， 兩個接頭試樣都承載了相同的套管下入和壓裂載荷試驗。 試樣3 是試驗人員為了向接頭制造企業(yè)提供關于接頭結構的性能范圍信息。 因此， 試樣3 與其他兩個試樣一樣，在進行了低周旋轉-彎曲試驗 （40 000 次循環(huán)）后， 將其安裝至高周旋轉-彎曲試驗系統(tǒng)中， 對試樣3 進行超過500 000 次的高周循環(huán)或直至試樣失效。

圖2 根據(jù)API TR 5SF 制定的半直連型套管接頭試驗程序

6 結束語

API TR 5SF 目標是為接頭在多段壓裂水平井中的適用性評估提供一個框架。 多年來， 試驗人員和制造商都有制定滿足不同目的的試驗方案， 但是沒有一個統(tǒng)一的框架作為試驗方案的基礎， 不同接頭在不同領域中的性能對比非常困難。 由于API TR 5SF 還在開發(fā)中， 因此它的一些內(nèi)容在最終出版前還會發(fā)生變化， 但是委員會已經(jīng)明確了一點， 須制定有代表性的試驗方案。對于任何接頭的評價方案， 試驗人員和用戶都要根據(jù)工程評價意見來確定給定的接頭是否適用特定的多段壓裂水平井。 如果API TR 5SF 的目標可以實現(xiàn)， 那么它的出版會增加接頭評價的一致性。

致謝：對原文作者以及C-FER 技術公司和阿納達科石油公司的研究表示感謝。