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套管头的工作原理及失效分析
摘要:在钻井作业和油气测试过程中,必须安装一套安全可靠的井口装置,以便能有效地控制井内作业和生产。套管头属于井口装置的基础部分,是安装在套管管柱上端用来悬挂各层套管管柱、密封各层套管之间的环形空间并能为防喷器组、采气树等其他井控设备提供标准连接、为各种特殊作业提供套管环空出入接口的一种永久性石油、天然气井口装置。
主题词:井口装置套管头密封环空连接
·前言
过去,我国各油气田很少使用套管头,在五十年代只有玉门、四川等少数油气田用过国外进口的卡瓦式套管头。从六十年代起,我国普遍采用焊环形铁板而不采用套管头。对于浅井和低压井来说,焊环形铁板也可以起到密封套管环形空间和悬挂套管的作用。但是,由于井深的增加,套管柱对环形铁板的载荷加重引起了环形铁板的严重变形,密封性能和悬挂能力都大大降低,严重影响了井身的质量。特别是近年来,能开发的低压浅井越来越少,采气井口装置面临的工作环境极为严酷。
对于四川地区来说,主要以天然气为主,天然气中的水分,硫化物,二氧化碳等含量也不相同,有时井口装置还处于高压下工作,这就对我们井口装置提出了更高的要求,能在高温、高压、高含硫等恶劣环境下提供可靠的密封性能。同样,为了保证井身的安全,在深井中越来越多地使用P110、13Cr110、TP125、140V等高钢级套管,焊接性能差,焊接后很容易因为焊接应力而开裂。特别是高气压井及含硫化氢的气井,对焊口非常敏感,常因氢脆断裂导致焊口质量不高。同时,焊环形铁板的井口,套管环形空间与地面是不相通的,没有用以引水引气挤水泥的旁通管线,在实施高压酸化压裂作业时没有平衡液体的通道。
就是在这种情况下,能适应各种恶劣环境且安全可靠的套管头井口装置逐步发展并取代原始的焊环形铁板。
·1、套管头简介
根据套管头与表层套管的连接方式可将套管头分为焊接式、螺纹式、卡瓦式,配用套管悬挂器有卡瓦式和芯轴式两种,侧出口的连接方式有螺纹式、栽丝法兰式和法兰式,通常在套管四通的底部设有套管二次密封机构和密封测试口。通常,随着井深的增加,需要封隔井下地层的层数增多,下入井内的套管长度也相应增加。因此,套管头有单层、双层和三层之分。
常用单层套管头基本参数见表1-1
常用双层套管头基本参数见表1-2
常用三层套管头基本参数见表1-3
表1-1 单层套管头基本参数
连接套管外径D
悬挂套管外径D1
本体额定工作压力MPa
本体垂直通径Dt(mm)
mm(in)
(7-5/8)
(4-1/2)
14
178
21
(9-5/8)
127(5) (5-1/2) (7)
14
230
21
35
(10-3/4)
(5-1/2) (7)
14
254
21
35
(13-3/8)
(5-1/2) (7) (7-5/8) (9-5/8)
14
318
21
35
表1-2 双层套管头基本参数
连接套管外径D mm(in)
悬挂套管外径
下部本体工作压力(MPa)
下部本体垂直通经Dt(mm)
上部本体工作压力(MPa)
上部本体垂直通径Dt(mm)
D1
D2
下法兰
上法兰
(13-3/8)
(7)
(5) (5-1/2)
14
318
21
21
164
21
35
35
35
70
70
(13-3/8)
(9-5/8)
(5) (5-1/2) (7)
14
318
21
21
230
21
35
35
35
70
70
表1-3 三层套管头基本参数
连接套管外径mm(in)
悬挂套外径mm(in)
下部本体工作压力(MPa)
下部本体垂直通径Dt(mm)
中部本体工作压力(MPa)
中部本体垂直通径Dt1(mm)
上部本体工作压力(MPa)
上部本体通径Dt2 (mm)
D
D1
D2
D3
上法兰
下法兰
上法兰
下法兰
(13-3/8)
(9-5/8)
(7)
(5)
14
318
21
14
230
35
21
164
14
35
21
70
35
21
70
35
105
70
(16)
(13-3/8)
14
390
21
14
318
35
21
14
35
21
70
35
21
70
35