直连型套管螺纹接头偏心原因分析

滕学清，吕拴录，2a，李 宁，张国营，李晓春，张昌铎

（1.塔里木油田，新疆 库尔勒841000；2.中国石油大学a.材料科学与工程系；b.机械与储运工程学院，北京102249）

直连型套管螺纹接头偏心原因分析

滕学清1，吕拴录1，2a，李 宁1，张国营2b，李晓春1，张昌铎1

（1.塔里木油田，新疆 库尔勒841000；2.中国石油大学a.材料科学与工程系；b.机械与储运工程学院，北京102249）

直连型套管螺纹接头比接箍式套管的加工难度大，常见的问题是螺纹接头偏心。在现场对某油田到货的直连型套管接头台肩壁厚进行检验，发现套管接头偏心严重。对该批套管检测结果进行了统计分析，认为套管接头偏心与管端弯曲有关。通过统计分析，认为该批套管接头产品过程能力指数不足。为了从根本上解决直连型套管接头偏心问题，提出了订货补充技术条件。该技术条件不仅使油田到货验收有了技术依据，而且也对工厂质量控制具有指导作用。

直连型套管；壁厚；偏心；椭圆度；产品过程能力指数

与接箍式套管比较，直连型套管螺纹接头的加工难度大，常见的问题是接头的几何形状偏心。某油田对214根直连型套管在现场进行检验，发现套管接头偏心严重，个别套管的内螺纹接头外台肩壁厚相差近1倍。为分析套管接头偏心的原因，本文对该批套管的测量结果进行统计分析，并提出了直连型套管的订货补充技术要求。

1 测量结果及分析

该批套管内外螺纹接头测量及分析结果如图1～6。

图1 套管内螺纹接头外台肩壁厚不匀形貌

图2 内螺纹接头不同位置镗孔直径正态分布

图3 内螺纹接头0～180°与90～270°镗孔直径之差正态分布

图4 内螺纹接头0～180°与90～270°外径之差正态分布

图5 内螺纹接头不同圆周位置外台肩壁厚正态分布

图6 外螺纹接头不同圆周部位内台肩壁厚对比正态分布

从测量和分析结果知：

1） 每根套管内螺纹接头不同圆周部位外台肩壁厚不同，0°位置壁厚最小。偏心最严重的1根套管内螺纹接头外台肩最小壁厚6.10 mm，最大壁厚11.80 mm，后者是前者的1.93倍。所有套管内螺纹接头外台肩壁厚平均值为9.15 mm。

2） 套管内螺纹接头0～180°与90～270°镗孔直径正态分布曲线偏离，平均值差0.63 mm（249.30～248.67 mm）；大多数套管内螺纹接头0～180°与90～270°镗孔直径之差为正，说明套管镗孔为椭圆，椭圆长轴在0～180°方向。

3） 套管内螺纹接头0～180°与90～270°外径之差基本符合正态分布，其平均值与理论值仅差0.01 mm。

4） 每根套管外螺纹接头不同圆周部位内台肩壁厚不同，0°位置壁厚最小。不同圆周部位正态分布曲线偏离，其平均值分别是0°为5.95 mm，90°为6.24 mm，180°为6.47 mm，270°为6.44 mm。偏心最严重的一根套管外螺纹接头内台肩最小壁厚5.56 mm，最大壁厚6.80 mm，后者是前者的1.22倍。所有套管外螺纹接头内台肩壁厚平均值为6.28 mm。

2 套管偏心原因分析

套管接头偏心与套管不圆［1］和管端弯曲等有关。

2.1 套管管体外壁不圆导致套管接头偏心的可能性

测量和分析结果表明，内螺纹接头0～180°与90～270°外径之差符合正态分布，即套管管体外壁圆度没有问题。因此，可以排除套管管体不圆导致接头偏心的可能性。

2.2 管端弯曲导致套管接头偏心的可能性

如果管端弯曲，管端与管体不同轴，最终导致加工的内外螺纹接头与管体不同轴，接头台肩壁厚不同。在不考虑卡盘夹持变形的情况下，接头镗孔应当为圆。

实际在3爪卡盘夹持管端加工螺纹接头时有1爪在管端偏离轴线最远的外壁位置夹持力太大，导致该位置弹性变形凹下。卡盘松开后套管接头弹性恢复，故镗孔由圆变为椭圆。

该批套管大多数内螺纹接头镗孔为椭圆，椭圆长轴在0～180°方向。在0°位置套管接头台肩壁厚最薄，说明套管接头沿着0→180°平面向0°方向弯曲。

套管内螺纹接头镗孔直径为螺纹参数之一，依据不同位置套管内螺纹接头镗孔直径测量结果（如图2）判断，套管内螺纹接头偏心。

套管外螺纹接头内台肩壁厚为螺纹参数之一，依据不同位置套管外螺纹接头内台肩壁厚测量结果（如图6）判断，套管外螺纹接头也偏心。

2.3 套管接头偏心对使用性能的影响

套管接头偏心会导致内外螺纹接头连接之后不同轴。当套管受到轴向载荷时会产生附加弯矩，容易发生失效事故［2-9］。

3 套管订货技术要求

3.1 技术要求

在油田与厂家签订的直连型套管技术协议中，对套管接头偏心没有任何要求。依据套管测量结果，厂家认为这种直连型套管内螺纹接头外台肩壁厚tsmin≥6.00 mm为合格。

为防止此类质量问题再次发生，保证订购的套管质量，用户应当对厂家给出的标准合理性进行分析，并对直连型套管接头提出订货技术要求。

塔里木油田要求接箍式套管管体同一截面壁厚不均度为

式中：tmax为最大壁厚；tmin为最小壁厚；t为公称壁厚。

设壁厚公差为±x，带入式（1）得：

螺纹段长度Lb＝114.62 mm，锥度1：16估算，螺纹段直径分量为7.16 mm，半径方向分量为3.58 mm。下面按照直连型套管接头（如图7）台肩壁厚（ts）为套管管体扣除螺纹段半径方向分量之后剩余壁厚之1／2，即ts＝0.5（t－3.58），对其接头台肩壁厚不匀度予以分析。

1） 接头台肩壁厚（ts）公差取±y，y＝0.5x，带入式（2）得y≤0.03t。

2） 接头台肩壁厚（ts）公差取±y，y＝x，带入式（2）得y≤0.06t。

图7 直连型套管接头示意

3.2 技术要求验证

3.2.1 内螺纹接头外台肩

①取内螺纹接头外台肩壁厚公差为±0.5x（管体壁厚公差1／2）。该批265.13 mm×22.0 mm直连型套管内螺纹接头外台肩测量平均壁厚为9.15 mm。按照ts＝9.15 mm，带入式（3）～（4）得：

tsmax＝1.06ts＋0.11＝1.06×9.15＋0.11＝9.81 mm

tsmin＝0.94ts－0.11＝0.94×9.15－0.11＝8.49 mm

②取内螺纹接头外台肩壁厚公差为±x（管体壁厚公差）。该批265.13 mm×22.0 mm直连型内螺纹接头外台肩测量平均壁厚为9.15 mm。按照ts＝9.15 mm，带入式（5）～（6）得：

该批直连型套管内螺纹接头外台肩壁厚测量值为6.10～11.88 mm，远超出本节①和②计算的公差范围。由此可见，厂家规定该种直连型套管内螺纹接头外台肩壁厚tsmin≥6.00 mm是不合要求的。

3.2.2 外螺纹接头内台肩

①取外螺纹接头内台肩壁厚公差为±0.5x（管体壁厚公差之半）。该批直连型套管外螺纹接头内台肩测量平均壁厚为6.28 mm。按照ts＝6.28 mm，带入式（3）～（4）得：

tsmax＝1.06ts＋0.11＝1.06×6.28＋0.11＝6.77 mm tsmin＝0.94ts－0.11＝0.94×6.28－0.11＝5.79 mm

②取外螺纹接头内台肩壁厚公差为±x（管体壁厚公差）。该批265.13 mm×22.0 mm直连型套管外螺纹接头内台肩测量平均壁厚为6.28 mm。按照ts＝6.28 mm，带入式（5）～（6）得：

tsmax＝1.12ts＋0.21＝1.12×6.28＋0.21＝7.24 mm

tsmin＝0.88ts－0.21＝0.88×6.28－0.21＝5.32 mm

该批直连型套管外螺纹接头内台肩壁厚测量值为5.56～6.94 mm，超过本节①计算的公差范围，符合本节②计算的公差范围。

3.3 产品过程能力指数分析［10］

3.3.1 产品过程能力指数

过程能力C p是用来度量一个过程满足标准要求的程度，C p愈大说明过程能力愈充足，过程加工合格品的能力愈高。

产品过程能力指数

产品过程能力指数说明如表1。

表1 产品过程能力指数说明

3.3.2 内螺纹接头外台肩过程能力指数分析

依据测量结果，套管内螺纹接头外台肩壁厚的标准差σ＝0.982 354。

按照第3.2.1节①设定的公差，tsmax＝9.81 mm，tsmin＝8.49 mm，σ＝0.982 354，代入式（7）得：

C p＝（9.81－8.49）／（6×0.982354）＝0.22

按照3.2.1节②设定的公差，tsmax＝10.46 mm，tsmin＝7.84 mm，σ＝0.982 354，代入式（7）得：

C p＝（10.46－7.84）／（6×0.982 354）＝0.44

通过将3.2.1①和②设定的公差计算的过程能力指数C p的计算结果与表3进行对比，可以看出，内螺纹接头外台肩壁厚加工过程能力严重不足，应停止生产，检查原因，并且对产品严加检验。

3.3.3 外螺纹接头内台肩过程能力指数分析

依据测量结果，外螺纹接头内台肩壁厚的标准差σ＝0.288 812

按照3.2.2节①设定的公差，tsmax＝6.77 mm，tsmin＝5.79 mm，σ＝0.288 812，代入式（7）得：

C p＝（6.77－5.79）／（6×0.288 812）＝0.57

按照3.2.2节②设定的公差tsmax＝7.24 mm，tsmin＝5.32 mm，σ＝0.288 812，代入式（7）得：

C p＝（7.24－5.32）／（6×0.288812）＝1.11

通过将3.2.2①设定的公差计算出的过程能力指数C p与表1进行对比，可知外螺纹接头内台肩壁厚加工过程能力严重不足，应停止生产，检查原因，并且对产品严加检验。通过将3.2.2②设定的公差计算出的过程能力指数C p与表1进行对比，可知外螺纹接头内台肩壁厚发生不合格的概率增大，需加强对设备等的检查。

4 结论

1） 直连型套管接头台肩偏心原因是管端弯曲所致。

2） 建议直连型套管内、外螺纹接头台肩壁厚最大值tsmax＝1.06ts＋0.21 mm，最小值tsmin＝0.94ts－0.21 mm（ts为台肩公称宽度）。加强产品质量检验，进行弯曲度测量。

3） 针对该批套管，建议按照特殊螺纹接头套管要求进行上卸扣试验，首次上扣后测量接头部位的弯曲度。

［1］ 吕拴录，姬丙寅，杨成新，等.244.5 mm套管偏梯形螺纹接头L4长度公差分析及控制［J］.石油矿场机械，2012，41（6）：63-66.

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Cause Analysis on Off-centre of Integral Joint Casing

TENG Xue-qing1，LV Shuan-lu1，2a，LI Ning1，ZHANG Guo-ying2b，LI Xiao-chun1，ZHANG Chang-duo1
（1.Tari m Oil f iel d，Korl a 841000，China；2.a.Material Science and Engineering Depart ment；b.College of Mechanical and Tr ansportation Engineering，China University of Petroleu m，Beijing 102249，China）

The t hreading of integral joint casing is more difficult t han t hat of coupling connection casing，and joint off-centre is common quality problem of integral joint casing.The connection end t hickness f or the integral joint casing in one oil field is inspected and it is f ound t hat t he integral joint casings were off-centre.It is considered that the casing process capability index is not enough per statistics analysis.The co mplementar y delivery technical conditions f or integral joint casing is given in order to prevent casing joint from being off-centre.It is not only on the basis of technique f or check and accepted by user，but also the guidance f or manuf actory to contr ol pr oduct quality.Key words：integral joint casing；thickness；off-centre；ovality；product process capability index

TE931.2

A

1001-3482（2014）06-0049-04

2013-12-25

滕学清（1965-），男，青海德令哈人，高级工程师，1989年毕业于中国石油大学（华东）钻井专业，现从事石油钻井和完井工程技术工作。