套管头的工作原理及失效分析

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表1-2 双层套管头基本参数表1-3 三层套管头基本参数·2、套管头的作用套管头属井口装置的基础部分。

套管头的功能是：固定钻井井下套管柱，可靠地密封各层套管空间；控制套管空间的压力；快速而又可靠地连接套管柱；防止钻具对地表附近的套管磨损；井下温度高时使套管柱有垂直移动的可能性；通过套管头侧面的套管环空输出、输入接口，可在特殊情况下进行补灌水泥、注入压力平衡液等各种特殊作业。

·3、套管头主要部件及工作原理图1 三层套管头四川盆地主要为碳酸盐岩裂缝性油气藏，其地质复杂性决定了钻井工程的高风险，表现为多产层、多压力系统、高含硫、埋藏深等特点。

近年来随着钻井技术的发展、西气东输的推进，四川的勘探开发迎来了新的发展机遇，一些复杂构造如新场片区，大邑片区，通江片区等深井高压气藏也获得了勘探突破，为了使井口装置更加安全可靠，对于中深井我们通常选用双层套管头。

·3.1、套管头上下四通图2是四川德阳新场片区某口井的井口套管头装置图，型号为TGQ13 3/8″×10 3/4″×7 5/8″-105Mpa，它主要由套管头下四通、上四通、顶丝总成、套管悬挂器（卡瓦和芯轴）、密封总成、防磨衬套、试压取出工具及阀件等部件组成。

图2 双层套管头结构示意图套管头上下四通是承受井口压力、承坐套管悬挂器、安置环空密封件、为各种特殊作业提供套管环空出口、为防喷器等井口井控设备提供标准连接的主要部件。

套管头下四通为单法兰结构，下部加工有与表层套管相应的套管母扣螺纹与表层套管相连。

上部为API标准法兰可与防喷器井控设备相连。

套管头下四通的上部内孔还设计加工有卡瓦式套管悬挂器及主密封件的安放位置，用来坐挂技术套管和密封表层套管与技术套管之间的环形空间。

四通的左右两侧开有API标准法兰（一般为2 9/16″BX153）的旁通连接侧口，并配有相应的侧法兰和丝堵，用以连接侧口平板阀、压力表来监视井况，必要时可以连接油管进行引水、引油（气）、挤水泥、注平衡液等特殊作业。

套管头上四通为双法兰结构，配套悬挂器可为芯轴和卡瓦两种，其它结构基本和下四通相同。

·3.2、套管悬挂器装置套管悬挂器装置是用来悬挂套管管柱，密封套管之间环形空间的主要部件，它主要分为卡瓦式和芯轴式悬挂器两种。

·3.2.1、卡瓦式套管悬挂器卡瓦式套管悬挂器主要由卡瓦、补芯、导向螺钉、压板、胶圈、垫板、连接螺栓等组成。

卡瓦卡紧套管的作用是靠套管柱本身的重量所产生的轴向载荷，通过卡瓦背部锥斜角产生一个径向分力，这个径向分力使卡瓦卡紧套管。

在套管头的设计中，把这个径向分力达到挤毁套管时的值定为悬挂器的极限载荷，如果能减小这个分力，又不使套管滑脱，就可增大悬挂器的承载能力。

卡瓦悬挂器对套管安装长度要求不严，高出井口多余套管可用专用工具割掉，这给安装井口带来很多方便。

图3 卡瓦式悬挂器·3.2.2、芯轴式悬挂器芯轴式悬挂器是由芯轴、主密封金属环、主密封压环、卡簧等组成。

与卡瓦式悬挂器相比，它不但结构简单、价格便宜、不需要在井口切割套管和磨削坡口，而且不存在挤扁套管、卡瓦牙咬伤套管的问题，对于井口稍微偏斜、卡瓦不易卡紧套管的油气井尤为适用。

但它的悬挂能力较小，对套管的安装长度要求严格。

目前芯轴悬挂器下部一般设计成与套管相应的特殊母扣，上部扣型与联顶节扣型相一致。

芯轴中部外圆加工有与套管头四通内孔相适应的承载台肩用于套管管柱在套管头四通内坐挂；当套管头四通上部法兰上的10条顶丝旋紧后通过主密封压环对金属主密封环产生下压楔紧力，使特制的异型主密封金属环弹性变形来实现刚性密封；芯轴上部外圆还加工有副密封装置的安放位置与油管头二次副密封组件配合实现套管环空的二次增强密封。

·3.3、顶丝总成套管头四通的上部法兰有10个均匀分布的顶丝，主要用于在钻井时锁紧防磨衬套；在完井后压紧套管悬挂器及芯轴悬挂器上的主密封金属环使其起到密封套管环空的作用。

·3.4、密封总成近年来，为了增强套管头对套管间环形空间的密封能力，以图1双层套管头上四通为例，在设计中采用了主密封与副密封分列设置的双重密封形式。

主密封在芯轴式套管悬挂器上，它是通过套管头双法兰四通上部法兰上10条均匀分布的顶丝的旋紧来压紧主密封压环使特制的主金属密封环涨开双唇来实现密封的。

副密封则是分装在双法兰四通下部法兰上的胶件密封，由两道Y 型密封胶圈组成，通过向四通下部法兰内孔上的Y型胶圈底槽挤入密封脂，使Y型胶圈受压后推动Y型密封胶圈抱紧套管外壁来实现二次密封的，大大增强了套管环形密封性能。

·3.5、防磨衬套及试压取出工具防磨衬套作用是在钻井过程中保护套管头内孔的台肩，防止套管头四通内孔发生偏磨，下套管固井时将防磨套取出。

防磨套需要专门的取送工具送入和取出，取送工具也可做试压堵塞器，其两端加工有钻杆接头螺纹。

取送防磨套时可将取送工具连接到钻杆上，使其侧面销螺钉卡入防磨套的J型槽内，然后，送入或取出防磨衬套。

用作试压堵塞器时，使其颠倒使用即可。

作为防喷器组的试压工具，在钻井过程中可随时对防喷器组及节流管汇等进行试压检测。

·4、套管头密封失效原因分析在使用过程中，不同类型结构的套管头密封失效原因不同，针对此种情况，我们以目前常用的两种结构的套管头为例进行具体分析。

·4.1、芯轴式悬挂器套管头失效原因分析目前生产主要使用芯轴式悬挂器套管头，这种套管头采用螺纹连接形式，其结构简单，使用方便，但其使用条件要求较高，容易造成密封失效。

·4.1.1、悬挂器坐封后与套管头本体相对歪斜在室内试压时，悬挂器与坐挂的承载面都比较干净，悬挂器坐封后用顶丝挤压矫正，悬挂器能够居中，与承载台阶面配合良好，试压成功率达98%。

而在钻井施工现场，施工条件与室内试压条件相差很大，承载台阶面上可能存在岩屑、沙粒或其他异物，导致悬挂器与本体发生相对歪斜，密封圈不能密封环空，影响正常施工作业。

·4.1.2、悬挂器密封圈损坏或脱落由于悬挂器密封圈大部分是橡胶制品，橡胶有遇压变形、遇热膨胀、遇挂受损的特性，所以在悬挂器坐封过程中，悬挂器下放速度过快或为防止套管发生粘卡而来回提拉套管时，会导致密封圈与防喷器、套管头法兰面发生摩擦挂损，甚至会发生密封圈脱落，使密封失效。

·4.1.3、套管头本体密封面受损在钻井过程中，由于使用套管头防磨套不当或未及时更换受损防磨套甚至未装防磨套，导致套管头本体受到偏磨损伤，在悬挂器坐封后不能产生有效密封。

·4.1.4、井口不正、偏斜位移过大有可能导致悬挂器坐封不到位一开后安装井口装置时，因为套管偏斜会使井口、转盘和天车不在一条直线上，这样在完井作业时，由于井口太偏，悬挂器坐封面就很有可能坐封不到位，导致密封失效。

·4.1.5、自锁压力不够，密封圈不能充分变形产生密封效果在完井固井作业时，大部分井队采用开放式固井法，这种方法操作方便，但在固井过程中，悬挂器要上提进行循环，由于上提高度过高或因为固井后套管粘卡，悬挂器下放坐封后受到的拉力减小，甚至不能坐封到承载台阶面上，密封圈不能充分受压变形产生有效密封。

·4.2、卡瓦式悬挂器套管头失效原因分析·4.2.1、卡瓦主密封失效卡瓦式悬挂器通过镶在下部的密封圈受压后变形，与承载密封面进行结合，形成有效密封。

但在坐封过程中，由于偏斜或其他原因，密封圈上部卡瓦受力不均，使密封圈产生变形不均匀，导致内外套管之间不能产生有效的密封。

·4.2.2、BT密封（辅助密封）失效BT密封一般是通过液压方式在环内注入密封脂使BT密封圈膨胀变形，从而在内外套管间形成有效密封。

但在带有BT密封的套管头四通坐封时，由于坐封面不光滑或因为倒角面粗糙会造成BT密封圈受到损坏，不能受压变形产生有效的密封，也有可能由于BT密封脂压力或试压压力大于内套管抗外挤压力，造成内套管受压变形，也不能产生有效的密封。

·参考文献：[1]孙明光.《钻井、完井工程》石油工业出版社. 2002年12月.[2]汪亚南.国外套管头产品介绍江汉石油管理局钻采设备研究所试采设备研究室.[3]钟功祥.张天津.肖力彤等.采油（气）井口装置现状及发展趋势.[4]重庆新泰、江苏信得、宝鸡石油等生产厂家产品资料介绍.。