连续管可缠绕连接器国内外进展

李向伟，李伟，王维亮，荆栋，任武

（1.中石油江汉机械研究所有限公司， 湖北 荆州 434000）

（2.宝鸡石油钢管有限责任公司， 陕西 宝鸡 721008）

（3.渤海石油装备新世纪机械制造有限公司， 天津 415400）

1 引言

在石油钻探开发中，随着井深的增加以及复杂井的需要，连续管应用时需要提高其刚度从而抵达更深的目标，因此，连续管管柱变得越来越重。但受限于滚筒容量、整车超重等因素，单盘连续管长度已逐渐不能满足现场施工要求，只能延长连续管以满足各种作业需求。另外，海洋平台的局限性更为明显，起吊能力、甲板承重、空间有限等因素均限制单盘连续管不能超重[1-2]。

不考虑材料因素，将两盘以上的管子连接在一起目前看来是解决上述问题的唯一途径，对此，国内外进行了大量的研究[3-4]，研究方向主要集中在焊接和机械连接。焊接方式是伴随着连续管的生产应运而生，也是目前连续管对接的主要和首选方式，其最大优点是不改变连续管通道。尽管如此，连续管环缝焊相对来说仍然昂贵和耗时。首先，焊接需要专业人员来完成操作，且在很多时候还需要特殊作业许可和一个相对离散的施工区域；其次，很多时候应考虑安全因素，在焊接施工期间必须关闭井口；最后，焊缝需要无损检测专家以及更多的设备用以检测质量。而机械式连续管可缠绕连接器的开发最早是基于海洋平台的连续管作业需要而展开的，由于海洋平台起吊能力、甲板承重能力受限，以及施工场地狭窄、气候恶劣、需要动火作业许可等因素，使得焊接不是一个最佳实施方案，因此促使工程技术人员开展了机械连接方面的研究，其最大优点是安装便捷、检测直观。

本文简述了连续管可缠绕连接器国内外的进展情况，并对各种连接器的设计思路、结构形式、辅助安装设备等进行了介绍，以供国内设计开发连接器时借鉴。

2 可缠绕连接器概述

连续管连接分为连续管与工具连接和连续管管—管连接，其中连续管管—管连接的连接器具有可缠绕性，称之为可缠绕连接器。可缠绕连接器具有以下几个基本要求：连接器最大外径与管体外径基本一致，保证通过注入系统；内径不能过小，保证作业时的流量；连接后的管子可缠绕到滚筒上，且具有一定的疲劳性能和密封性。以上均对连接器的材料以及设计提出了很高要求，因而开发难度很大。

可缠绕连接器最初的设计是受到管道和水管的连接而启发，管道连接采用预制沟槽（凹槽或凹坑）技术，虽然预制沟槽、内外卡瓦、预制螺纹等技术均可用于机械连接，但只有预制沟槽连接后的连续管具有可缠绕性，这也是众多可缠绕连接器研发公司采用的主流技术，只是其沟槽形状和布局会有差别。

可缠绕连接器一般由三部分组成：本体部分，最大外径与连续管外径相同或略大；接头部分，表面有预制沟槽以及密封槽，是连接器的核心部位；伸入部分，伸入到连续管内部，主要作用是导向和减小应力集中。连接器安装过程如下：矫直管体、内表面整圆、去除焊筋（激光焊连续管不需要）、安装。安装时需要借助专用工具将连续管部分材料压入到沟槽部位，压入部分的连续管材料发生塑性变形，嵌入至沟槽内。

机械连接器的优点是操作快捷、不需要复杂的装备安装以及监控，但缺点是会造成内通道减小以及降低管柱整体的强度。

3 国内可缠绕连接器

国内对于连续管连接目前仍集中在采用焊接方式，西安石油大学、中石油江汉机械研究所和宝鸡石油钢管公司均进行了大量的研究，并已用于现场连续管连接。对于可缠绕连接器，国内仅中石油江汉机械研究所进行了相关方面的研究，并形成了自己的专利产品[5-6]，目前已用于现油田场。其连接器用于青海油田跃深平6井的酸化作业，在温度为110-120℃、施工压力59MPa的工况下，延长后的连接器施工时间长达15小时[7]，如图1所示。

总体而言，国内可缠绕连接器并未形成系列化、自动化、专业化的整套配置，其辅助安装工具相对简单，还需要进一步从成型机理、配套安装工具等方面加大研究力度。

图1 江汉机械研究所可缠绕连接器用于青海油田

4 国外可缠绕连接器

1997年BJ公司[8]进行了机械连接器的研制，并于2003年开发出第一款商用连续管可缠绕连接器[9]，随后国外各大油服公司，如哈里伯顿和斯伦贝谢均开始研发自己的专利产品。目前国外的可缠绕连接器相对较为成熟，连接范围从1-1/4到2-7/8英寸，并且相关配套的安装设备齐全、自动化程度高。

4.1 BJ公司可缠绕连接器

BJ公司是最早研发连续管可缠绕连接器的厂家，于2003年推出第一代产品DuraLink，并且获得了美国2008年度12项石油工程技术创新特别奖，其外形结构如图2。随后在北海区域试验时出现中部聚合物脱落情况，但总体应用较为成功，随即决定采用铝合金隔环代替聚合物，如图3所示。

图2 第一代DuraLink连接器

图3 第一代DuraLink连接器改进版

2010年，BJ公司在印度西海岸进行了改进版连接器的现场试验，试验过程中发现即使隔环改进为铝合金材质，在与井下安全阀（SSSV）接触时仍导致破损，但对使用效果没有明显影响，仍成功地提起了井下连续管。随后在第二口井试验时去掉铝合金隔环，最初担心去掉隔环后在连接器通过防喷盒时压力泄漏，后发现去掉隔环并不影响其压力完整性[10]，因而后续最新产品去掉了隔环。

美国专利US10394392、US7562909B2具体介绍了第一代改进版的连接器，根据内容描述，其设计原理分为两部分：结构设计方面，连接器和连续管之间的弯曲刚度EI、塑形弯矩相匹配；材料方面，采用高塑性应变比和冷加工硬化率、抗拉强度、断裂韧性低的材料，如Inconel X-750。

历经数次改进后，BJ公司目前已形成系列化的连接器产品，如表1所示，可以看出该系列连接器最大型号为2.875英寸[11]，图4为改进后的连接器。除此之外，BJ公司同时开发了整套的安装工具、安装工艺流程以及判废原则制定，安装工具均采用手动方式，连接器的失效判定则主要是通过肉眼检测和测量连续管的椭圆度和膨胀来实现的。

表1 DuraLink系列连接器

图4 最新DuraLink连接器

4.2 哈里伯顿公司可缠绕连接器

哈里伯顿公司从2005年开始研发可缠绕连接器，经历了数代更新[12]。其第一代产品示意图及安装后的效果如图5所示，连接部位采用了较为常见的凹坑式。但在其第一次实物试验时发现其拉伸强度不够而放弃了这一设计思路，随后进行了第二代产品的尝试设计，如图6所示，其设计较为复杂，采用内卡瓦以及中部的铰链球，内卡瓦的作用是补偿弯曲，铰链球的作用是在弯曲时可以更好地适应管子的弯曲，但在最后试验时发现压不住井从而放弃。

图5 哈里伯顿第一代机械连接器示意图及安装效果图

图6 哈里伯顿第二代机械连接器示意图及安装效果图

图7 哈里伯顿第三代机械连接器安装效果图

2008年，哈里伯顿公司改变之前的试错法研发思路，采用有限元设计，利用材料的弯曲行为、连接器本体的刚度分布以及连接后所产生的应变来解决疲劳问题，图7为哈里伯顿第三代产品。

美国专利US7677302B2具体介绍了哈里伯顿第三代可缠绕连接器，不同于常规的凹坑式、环形槽连接，而是在环形槽的基础上创新地设计了三个或多个30°～270°范围的半环形槽，这样设计的优势是既保留了环形槽拉伸强度较高的优点又可以承受一定的扭矩，但对于安装提出了较高要求。与BJ产品类似，端头部位的连接器厚度采用渐变的方式，也是为了减小连接器刚度和更易弯曲，其本体材料选择AISI4130合金。

从现有资料看，哈里伯顿的连接器外径尺寸规格从1.75in到2.875in，拉伸强度和扭矩依次可达到本体的70%-80%、55%-70%[13]。同时也开发了相关的安装配套工具，且部分工具采用气动式[14-15]，值得一提的是其所有的安装工具均可打包为一个小型包裹，人工即可搬动。

4.3 斯伦贝谢公司可缠绕连接器

斯伦贝谢公司从2007年开始研发可缠绕连接器，研发初期进行了大量的评估试验，最终选择凹坑式连接方式，随后也采用有限元模拟方法进行连接器的设计，并且提出了较高的技术要求：连接器连接后的抗拉强度、扭转强度最低要达到本体的80%[16]。不同于BJ公司和哈里伯顿公司，斯伦贝谢公司在连接器材料选择时考虑到了酸性环境使用，因而其连接器材料与连续管本体材料相接近，且其长度也要明显小于前两者。图8是斯伦贝谢公司2019年前后开发的最新可缠绕连接器。

从现有资料看，斯伦贝谢的可缠绕连接器尺寸规格最大为2.875in，其验收标准为24MPa下须承受15个循环（90次弯曲）不发生开裂等，同时斯伦贝谢公司也相应开发了系列完整的配套安装工具，如矫直机、气动去焊筋设备等。连接器的失效判定主要是通过测量中部硬质合金台阶尺寸以及凹坑深度变化来确定[17]。

图8 斯伦贝谢可缠绕连接器

5 结束语

与焊接技术相比，机械式可缠绕连接器具有安装方便、疲劳性能下降较少等优点，有望成为连续管现场连接的主要方式。国外各大油服公司均有自己的专利产品以及配套安装工具，且仍处于不断更新中。随着连续管工艺在国内大面积应用，连续管连接必定会频繁地使用。对此，国内应加强这方面的研究，尽快形成专业系列化产品和安装工具。

◆参考文献

[1] Allan Zhong,Asif Ehtesham,and Robert Howard,Successful Development of Coiled-Tubing Connectors Using Virtual Testing.2009 SIMULIA Customer Conference.2019.

[2] Asif Ehtesham,Robert Howard & Joseph Hriscu,Extending Life and Usage of CT Strings by High-Performance Spoolable Connector.international Petroleum Technology Conference.IPTC 12256.

[3] 张燕娜，石凯，刘彦明，等. 现场连续油管对接全位置自动焊技术探讨[J].热加工工艺，2010，(7)：110-112.

[4] H.B.Luft,SPE,L.E.Laun and P.B.Thov,Development of a New Spoolable Mechanical Coiled Tubing Connector.SPE 89527,Houston,TX:(March,2004).

[5] 朱峰，赵全，胡强法，等. 连续管可缠绕对接装置[P].中国专利，201621473707.5，2016-12-30.

[6] 任武，赵全，谭文锋，等. 对接装置[P].中国专利，201721858571.4，2017-12-27.

[7] http://www.doc88.com/p-6771195368527.html

[8] Alan Reaper,Development &Application of Inline Connectors for Weight Restricted Offshore Operations.SPE 38424,Houston,TX:(April,1997).

[9] L.Link,et al.Large Diameter Coiled Tubing Becomes Available Safely Offshore Through a Newly Developed Spoolable Connector:Case Histories and Field Implementation.SPE 94163,Houston,TX:(April,2005).

[10] G.Effiong,et al.Spoolable Connector Allows Coiled Tubing Operations Offshore India.SPE 127677,Houston,TX:(Janua ry,2010).

[11] http://www. bakerhughes.com.

[12] Robert Howard,et al.Innovative Well-Intervention Solutions Using Spoolable Connector.SPE 135300,Italy,(September,2010).

[13] Asif Ehtesham,et al.Development of a High-Fatigue-Life Spoolable Connector for Offshore Applications.SPE 19228,Houston,TX:(May, 2008).

[14] Asif Ehtesham,et al.Development of a High-Performance Spoolable Connector.SPE113037,Houston,TX:(April,2008).

[15] Asif Ehtesham,et al.Spoolable Connector for Large-OD Coiled Tubing.SPE 121349,Houston,TX:(April,2009).

[16] S.O.Bolarinwa,et al.Novel Coiled-Tubing Spoolable Connector Deployment in the Norwegian Sector of the North Sea.SPE 107089,Houston,TX:(March,2007).

[17] Azwan Keong,et al.Advancement in Spoolable Dimple Connector Design Provides Reliable Coiled Tubing Interventions in Extended Reach Wells.SPE 194233,Houston,TX:(March,2019).