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“扭不壞拉不斷”的TORQ新接頭

“扭不壞拉不斷”的TORQ新接頭

TORQ系列新型接頭遵循嚴格的協議進行設計、開發與認證,可提供卓越的性能,還能實現更快的上扣,且不會產生非生產時間。

來自丨World oil
編譯丨TOM

陸上非常規頁巖區塊的水平井通過更長的水平段,以及在壓裂期間泵入更多的支撐劑來增加產量。此外,間隔更短的壓裂射孔簇,數量更多的壓裂段,這些方法已經過優化,以增加油井的產量。這些不斷變化的趨勢給生產套管的性能提出了更高的要求。廣泛用于水平井的生產套管,現在都需要達到125ksi的屈服強度。更堅固的套管擁有更高的抗外擠與抗內壓強度。

更高強度生產套管的使用,促使作業者在壓裂期間能夠施加更高的壓力,從而提高支撐劑的載荷,并且有助于減少總泵送時間。在諸如Haynesville頁巖區塊,壓裂壓力通常為12000psi,支撐劑/砂粒數量為3000 lb/ft,甚至更高。

為了確保壓裂段的合理區域隔離,防止油氣運移,業內已制定相關措施以提高套管與井筒之間環形空間的水泥完整性。在其他技術中,旋轉套管固井作為提高水泥膠結質量的標準做法,正在獲得業界的認可。隨著下套管工具的發展,與其它耗時的做法相比,利用頂驅下套管可更容易的旋轉管柱。這使作業者能夠節省作業時間,降低成本。

隨著上述技術的發展,生產套管的接頭也承受了超出API標準接頭的額定載荷。為了滿足作業條件,需要接頭能夠在接近套管本體的極限拉伸與擠壓載荷下正常工作。在其他性能特征中,扭矩需求的增加也推動了一系列高扭矩接頭的發展。

市場發展

最近的市場趨勢表明,主要是經濟性與井型,驅動了特定類型的接頭運用于陸地油井的生產套管上。擁有金屬對金屬密封的特殊螺紋接頭主要用于干氣井; 而用于開采濕氣與石油的井主要使用半特殊螺紋接頭。

在某些情況下,由于提供了額外的公隙,因此優選使用半平接頭,而不是帶接箍的螺紋接頭。在某些情況下,使用半平接頭可以通過更小的井眼來降低建井成本。例如外徑5.5in的半平管柱可以下入至6.625in的井眼中,然而,相同外徑帶接箍的螺紋接頭只能夠下入至更大的井眼,比如7.625in的井眼。

TMK IPSCO一直是Haynesville半平接頭的重要供應商,ULTRA SF與SF2擁有超過3500萬英尺的作業記錄。因此,該公司決定增強半平接頭的能力,以滿足更高扭矩的需求。

Permian、Eagle Ford、Mid-Con與Bakken油田的油井作業者更傾向于使用T&C接頭,而且大多數油井在生產套管上使用了半特殊絲扣接頭。市場分析的結果促使TMK IPSCO公司決定在TORQ類別下開發三種接頭。

接頭細節

為測試與鑒定而開發的首個接頭被命名為SF TORQ,適用于首選半平接頭的應用。該接頭包括一個提供氣密性的中心密封,其額定扭矩高于市場上的類似接頭。與現有的半平接頭相比,該接頭具有更高的張力效率(90%),這使得它能夠運用于管柱的垂直段,取代了曾是某些管柱設計中首選的T&C接頭。

除SF TORQ外,該公司還開發了兩種T&C連接,以滿足更高張力效率(100%)的需求。當半特殊螺紋接頭滿足作業需求時,DQX TORQ是一種經濟有效的解決方案。與API或兼容API的接頭相比,此接頭為作業者提供了使用T&C接頭的靈活性,并具有更高的抗扭與密封性能。

第三種接頭QX TORQ的開發,旨在為作業者提供特殊的T&C接頭,金屬對金屬密封在極端負載條件下具有出色的氣密性(密封性)。QX TORQ符合嚴格的測試協議,適用于大位移井。圖1提供了三種接頭的照片。

“扭不壞拉不斷”的TORQ新接頭

圖1. TORQ接頭(A)SF TORQ,(B)DQX TORQ與(C)QX TORQ。

接頭設計

這一系列接頭是圍繞“燕尾”或“楔形”螺紋形式設計的。楔形螺紋已經使用了40多年,并且具有顯赫的應用歷史。螺紋形式的選擇主要是為了提高抗扭性能。這些螺紋具有負載側與入扣側,在上扣時可提供徑向鎖定。當施加的扭矩增加時,這種設計有助于保持螺紋的完整性(防止分離)。

在使用高-低2K因子方法進行FEA(有限元分析)與DOE(實驗設計)之后,建立了螺紋的精確輪廓。這種方法加快了研發過程,只在幾個月而不是幾年內就成功地完成了開發工作。有限元分析的結果突出了實驗設計評估所需要考慮的前三個參數。在這種情況下,側面角,楔形速度與螺紋根/螺紋牙頂干擾被認為是設計中的關鍵變量。表1顯示了實驗設計的參數與結果,它基于多個加工的樣品,以及為抗扭測試而進行的接扣,目的是達到最高抗扭能力。

“扭不壞拉不斷”的TORQ新接頭

表1. 實驗設計矩陣以及得到的抗扭結果

接卸扣測試結果

接頭的初步測試與評估包括接卸扣測試,多次上扣以確保沒有磨損。而且,在測試期間,通過觀察屈服現象,來確定接頭的扭矩額定值?;谏峡叟c卸扣時獲得的扭矩值,開發出用于現場的接頭規范,以優化鉆機的上扣作業。多數情況下,需要上扣扭矩圖來指導現場正確施工。

一旦接頭成功滿足接卸扣測試的要求,將會執行進一步的測試,利用加載系統來評估接頭在壓力、溫度以及軸向載荷下的性能。根據API RP 5C5與/或EMCEP(??松梨诮宇^評估協議)中定義的規定進行測試。通常用戶可根據自身的要求來制定測試協議,并且可以執行比實際井況更嚴苛的評估。

氣密性

根據預期用途,對TORQ系列接頭進行了不同協議的評估。SF TORQ與QX TORQ是金屬對金屬密封的特殊螺紋接頭,使用氣體作為測試介質,按API 5C5以及EMCEP協議進行評估。

DQX TORQ主要運用于油井,為了建立該接頭的VME (等效應力包線),使用液體介質進行了類似的測試。

接卸扣測試與氣密性測試的結果驗證了該系列接頭的設計性能。測試完成后,又執行了工廠實驗,以制定工作與檢驗程序,并建立生產能力基準。作為開發工作的一部分,表2總結了各種接頭接受的不同測試以及驗證工作。

“扭不壞拉不斷”的TORQ新接頭

表2. 不同TORQ接頭的合格性測試總結

循環載荷疲勞測試

為了評估管柱的載荷與旋轉,對接頭使用壽命限制的影響,使用共振疲勞測試裝置進行了疲勞測試。這些測試被認為是“適合使用”,并且在不同條件下限制了旋轉次數,因此不會超過管柱的使用壽命。過去的研究表明,狗腿嚴重程度是疲勞表現的重要因素。SF TORQ測試證實了彎曲引起的彎曲應力的影響,特別是在較高的扭矩下。

自2018年3月推出SF TORQ以來,已成功應用于5口井的下套管作業。在轉速高達40RPM的情況,成功完成接扣,沒有發生任何異常。到目前為止,現場報告表明,在下套管期間沒有損失作業時間。這些井的總深度在18000~24000英尺之間。

TORQ接頭的優勢

TMK IPSCO公司在TORQ系列下提供的新一代高扭矩接頭,為非常規頁巖以及大位移井的管柱提供了極大的靈活性。這些接頭使用嚴格的協議進行設計、開發與認證,并可提供卓越的性能?,F場應用證實了該系列接頭的堅固性,沒有觀察到任何作業損壞,而且還能實現更快的上扣以及不會產生非生產時間。這些結果進一步驗證了新型接頭具有更強悍的性能。

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