徐 凱， 唐家睿， 楊曉龍， 魏耀奇，田永強(qiáng)， 董 超

（1. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西寶雞 721008；2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)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(guān)鍵點(diǎn)， 因此生產(chǎn)企業(yè)會投入大量的時間和資源。廣泛的應(yīng)用環(huán)境及復(fù)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(hù)含水層不受井下流體影響的屏障和進(jìn)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(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1958 年， API 發(fā)布了首個全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 作為推薦實(shí)施規(guī)程 （RP） 以及套管和油管接頭設(shè)計評價的驗(yàn)證試驗(yàn)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(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜性也相應(yīng)增加， 套管接頭制造企業(yè)認(rèn)識到需要更嚴(yán)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(shù)和程序的發(fā)展。

盡管之前有公布的接頭試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)， 但I(xiàn)SO 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(rèn)可和廣泛使用的接頭評價標(biāo)準(zhǔn)（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(chǔ)，并且將根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)評價的接頭用于油井設(shè)計。

ISO 13679 的基本程序是對接頭試樣進(jìn)行一系列試驗(yàn)， 這些試驗(yàn)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(yán)苛等級。 這些嚴(yán)苛等級被稱為接頭應(yīng)用程序級別 （CAL）， 其中CAL IV最為嚴(yán)苛的。

典型的ISO 13679 CAL IV 級試驗(yàn)包括四個階段： 材料理化性能檢測、 上卸扣試驗(yàn)、 密封性能檢測和極限載荷試驗(yàn)。 材料理化性能檢測是為了評估管材的實(shí)際材料性能， 從管體上切下連接試樣， 在計算密封性能試驗(yàn)的特定荷載點(diǎn)時， 相關(guān)參數(shù)將在評估程序中使用。 根據(jù)連接試樣的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)， 試驗(yàn)后的接頭可用于評估程序中剩余試驗(yàn)。 在上卸扣試驗(yàn)之后是三個密封性試驗(yàn)系列： A 系列、 B 系列和C 系列。 A 系試驗(yàn)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(yàn)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(guān)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(yàn)在相應(yīng)的內(nèi)壓和軸向拉伸載荷下對接頭進(jìn)行多次熱循環(huán)。 一旦接頭通過一系列的密封性試驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)， 達(dá)到或超過其結(jié)構(gòu)承載力。

接頭不僅要經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)檢測， 而且符合相關(guān)性能標(biāo)準(zhǔn)， 這些標(biāo)準(zhǔn)有助于確定接頭是否滿足未來的施工要求。 相關(guān)性能標(biāo)準(zhǔn)有兩個：密封完整性和結(jié)構(gòu)完整性。 對于CAL IV 試驗(yàn)程序， 密封性能試驗(yàn)系列中， 每個載荷點(diǎn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)存在一些限制， 因此行業(yè)專家致力于更新ISO 13679 標(biāo)準(zhǔn)， 以反映目前油井的新設(shè)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(yán)重的影響。

由于ISO 和API 標(biāo)準(zhǔn)不再是等效的技術(shù)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(yàn)類型， 但是， 在CAL IV 級試驗(yàn)中， 接頭密封性能試驗(yàn)順序按B-C-A 系列進(jìn)行。 此外， 單獨(dú)的密封性能試驗(yàn) （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(yàn)的新要求。

雖然API RP 5C5 現(xiàn)在是評價大多數(shù)接頭設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)， 但API RP 5C5 中的載荷順序側(cè)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(xiàng)目的成本很高， 如果評價過程不能反映現(xiàn)場應(yīng)用情況， 相關(guān)人員通常不愿意進(jìn)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(yùn)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(yīng)用程序中的接頭連接性能。 針對MFHW 的接頭設(shè)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(xué)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(shè)計指南和參考。 API RP 100-1第5.3 節(jié)闡述了套管設(shè)計， 并總結(jié)了選擇MFHW套管接頭時需要考慮的關(guān)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(qiáng)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?yàn)槠渌堑湫途畱?yīng)用都有具體的評價方法， 如熱采井應(yīng)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(rèn)識到在ISO 13679 標(biāo)準(zhǔn)中沒有表述溫度驅(qū)動的應(yīng)變載荷 （API RP 5C5 標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(yīng)用的一個獨(dú)特方面是井下環(huán)境的臨界載荷， 這是特殊應(yīng)用， 與現(xiàn)有井下環(huán)境條件相比， 作業(yè)者的井筒設(shè)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(yīng)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(yùn)營商的實(shí)際需要而專門構(gòu)建的， 創(chuàng)建一個 “一刀切” 的方法不切實(shí)際。

在設(shè)計MFHW 協(xié)議時， 還應(yīng)當(dāng)考慮另一個與應(yīng)用相關(guān)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(jìn)而進(jìn)入大位移水平生產(chǎn)層段。 對于每個接頭， 每個應(yīng)用程序可能需要不同的標(biāo)準(zhǔn)。

委員會認(rèn)識到， 提供一致的試驗(yàn)方法和允許準(zhǔn)則能夠讓使用者靈活制定盡可能代表現(xiàn)場條件的試驗(yàn)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(shù)報告 （TR） 而不是推薦規(guī)程 （RP） 進(jìn)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(shí)際需求。 試驗(yàn)程序?qū)⒂杀环Q為試驗(yàn)程序元素 （TPE） 的單個組件組成， 每個測試程序元素側(cè)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(biāo)準(zhǔn)， 也未采用CAL 類型的系統(tǒng)來定義評價程序的嚴(yán)苛程度。沒有規(guī)定數(shù)量的試樣必須按照API TR 5SF 進(jìn)行試驗(yàn)， 具體參數(shù)由試驗(yàn)人員確定。 與油井設(shè)計的許多方面一樣， 接頭性能適用性要求試驗(yàn)人員進(jìn)行工程判斷， 不僅要了解試驗(yàn)程序如何能夠代表MFHW 應(yīng)用， 還要了解試驗(yàn)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(yàn)人員選擇試驗(yàn)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?yàn)镸FHW 應(yīng)用中的大部分載荷可能會對接頭結(jié)構(gòu)（可能還有密封） 及性能產(chǎn)生累積影響。 因此， 在試驗(yàn)過程中應(yīng)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?yàn)樗鼤?dǎo)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(biāo)是通過引用其他API 文件中的相關(guān)信息， 進(jìn)而減少來自API 文件 （如API RP 5C5） 的重復(fù)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(fēng)險。

4 試驗(yàn)程序要素

API TR 5SF 提出的試驗(yàn)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(yàn)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(biāo)曲率等參數(shù)， 而是由試驗(yàn)人員確定。

4.1 接頭上卸扣試驗(yàn)

試驗(yàn)程序的第一步是接頭上卸扣試驗(yàn)， 包括試驗(yàn)人員是否希望在標(biāo)準(zhǔn)接頭組件之外增添補(bǔ)充試驗(yàn)選項(xiàng)。

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

如果檢驗(yàn)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(yīng)當(dāng)夾持短節(jié)進(jìn)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(yàn)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(shè)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(fù)雜的井眼， 施工人員會通過旋轉(zhuǎn)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(yàn)人員需要驗(yàn)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(dá)到100%管體效率的接頭尤為重要。 拉伸載荷試驗(yàn)用來模擬卡瓦到造斜點(diǎn)之間的套管對接頭的載荷作用。

旋轉(zhuǎn)和彎曲的復(fù)合載荷是這個測試單元的基礎(chǔ)。 這種復(fù)合作用模擬了套管在抵達(dá)預(yù)定位置過程中接頭所受的載荷。 旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)-彎曲復(fù)合試驗(yàn)， API TR 5SF 給出了多種選擇。 例如： 試驗(yàn)人員可以根據(jù)設(shè)備條件等來選擇長周期或短周期的循環(huán)試驗(yàn)， 同時在旋轉(zhuǎn)-彎曲試驗(yàn)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(shù)比， MFHW 的顯著特點(diǎn)是需要重復(fù)進(jìn)行水力壓裂。 多段壓裂水平井的設(shè)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(qiáng)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(chǔ)。 壓力循環(huán)載荷試驗(yàn)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(yàn)中， 壓力的變化速度比常規(guī)接頭變化速度更快， 但試驗(yàn)設(shè)備很難產(chǎn)生與實(shí)際水力壓裂作業(yè)中同樣的壓力峰值。 與旋轉(zhuǎn)-彎曲載荷試驗(yàn)相同， 在壓力循環(huán)試驗(yàn)中， 試驗(yàn)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(rèn)為， API RP 5C5 中的試驗(yàn)?zāi)軌虼砩a(chǎn)載荷；但試驗(yàn)人員必須確定相應(yīng)的試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)， 這就需要試驗(yàn)人員必須在試驗(yàn)期間評估接頭性能的適用性。

5 創(chuàng)建定制的API TR 5SF 試驗(yàn)程序

測試人員可以根據(jù)API TR 5SF 來定制試驗(yàn)程序以滿足特定需求。 與其它試驗(yàn)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(yàn)?zāi)康膩碓O(shè)計試驗(yàn)程序進(jìn)而評估接頭的性能， 分別是： 大位移井的建設(shè)方和新設(shè)計的半直連接頭制造方。

5.1 大位移井套管接頭試驗(yàn)程序設(shè)計示例

在此案例中， 建設(shè)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)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(shè)方希望采用單一直徑井眼設(shè)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(shè)方要在生產(chǎn)段注水泥， 他們非常關(guān)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(jìn)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(yàn)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(shè)計和關(guān)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(yīng)該能夠驗(yàn)證井下不同位置接頭的性能， 或者能夠驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性， 然而考慮經(jīng)濟(jì)性可能會減小試驗(yàn)程序中某些重復(fù)性的試驗(yàn)程序單元。 在這個案例中， 試驗(yàn)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(yàn)接頭在井下不同位置的性能。 每組試樣的試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)-彎曲試驗(yàn)， 但是它要進(jìn)行壓裂載荷試驗(yàn)和生產(chǎn)載荷試驗(yàn)。 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(zhuǎn)-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(yàn)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(yàn)程序設(shè)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(jìn)行評價。 他們想知道旋轉(zhuǎn)-彎曲復(fù)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(zhuǎn)-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(yàn)中投入太多的試樣， 后續(xù)的設(shè)計可能會根據(jù)初期試驗(yàn)結(jié)果而改變。 API TR 5SF 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序如圖2 所示。 在本案例中，試驗(yàn)人員為試樣1 和試樣2 進(jìn)行非常相近的試驗(yàn)程序 （1 號樣增加了抗粘扣試驗(yàn)）， 以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)。 在按照API RP 5C5 系列B系試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)。 試樣3 是試驗(yàn)人員為了向接頭制造企業(yè)提供關(guān)于接頭結(jié)構(gòu)的性能范圍信息。 因此， 試樣3 與其他兩個試樣一樣，在進(jìn)行了低周旋轉(zhuǎn)-彎曲試驗(yàn) （40 000 次循環(huán)）后， 將其安裝至高周旋轉(zhuǎn)-彎曲試驗(yàn)系統(tǒng)中， 對試樣3 進(jìn)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(yàn)程序

6 結(jié)束語

API TR 5SF 目標(biāo)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(yàn)人員和制造商都有制定滿足不同目的的試驗(yàn)方案， 但是沒有一個統(tǒng)一的框架作為試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)， 不同接頭在不同領(lǐng)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(diǎn)， 須制定有代表性的試驗(yàn)方案。對于任何接頭的評價方案， 試驗(yàn)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(biāo)可以實(shí)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(shù)公司和阿納達(dá)科石油公司的研究表示感謝。