李玲霞, 鄧敘燕, 穆增利

(1.達(dá)力普石油專用管有限公司，滄州 061000; 2.河北省石油專用管工程技術(shù)研究中心， 滄州 061000)

φ139.7 mm×7.72 mm J55低壓氣密封螺紋套管接頭性能

李玲霞1,2, 鄧敘燕1,2, 穆增利1,2

(1.達(dá)力普石油專用管有限公司，滄州 061000; 2.河北省石油專用管工程技術(shù)研究中心， 滄州 061000)

對(duì)自行設(shè)計(jì)的φ139.7 mm×7.72 mm J55低壓氣密封螺紋套管接頭進(jìn)行了上卸扣、熱循環(huán)氣密封、彎曲條件下氣體內(nèi)壓拉伸、拉伸至失效、加內(nèi)壓至失效等試驗(yàn)。結(jié)果表明：該接頭的抗粘扣性能良好;135 ℃,35 MPa條件下的氣密封性能和低壓30 MPa、彎曲狗腿度10°/(30 m)、拉伸載荷為80%材料名義屈服強(qiáng)度條件下的氣密封性能均合格;接頭的泄漏失效內(nèi)壓和抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

套管接頭；低壓氣密封；上卸扣試驗(yàn)；熱循環(huán)試驗(yàn)；拉伸失效試驗(yàn);內(nèi)壓失效試驗(yàn)

伴隨著油氣工業(yè)的快速發(fā)展，氣井的開采量在不斷增加，普通的API圓螺紋油套管接頭的氣密封性能較差，不能滿足開采要求，而且油套管接頭泄漏是油套管失效的一個(gè)主要原因[1-3]，因此氣密封特殊螺紋接頭已經(jīng)成為我國油套管企業(yè)研究的重點(diǎn)。目前很多企業(yè)已經(jīng)成功開發(fā)了深井、超深井及高溫高壓氣井用氣密封特殊螺紋接頭[4-7]，該類接頭具有密封性能良好、連接強(qiáng)度高等特點(diǎn)，但其對(duì)螺紋幾何尺寸要求高，加工效率低，制造成本高，將其用于低壓、低滲、低產(chǎn)氣井的開采并不經(jīng)濟(jì)。我國的蘇里格油田采用API長圓螺紋+CATTS101特殊密封脂的方案進(jìn)行氣井的開采，CATTS101是以聚合物為基體,以云母、特殊石墨粉等無機(jī)材料為填料，結(jié)合現(xiàn)代膠黏劑技術(shù)制成的一種特殊密封脂，可增加接頭的氣密封性，但使用該種密封脂接頭的上扣速率較慢，且其一旦凝固就不能卸扣后再次擰接，給現(xiàn)場(chǎng)操作帶來很大不便。

圖1 低壓氣密封螺紋連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of low pressure gas-tight thread connection

為克服現(xiàn)有螺紋連接的缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一種低壓氣密封螺紋，如圖1所示。在API長圓螺紋的基礎(chǔ)上通過內(nèi)螺紋變錐方式提高接頭的連接強(qiáng)度，增強(qiáng)其密封性能，該螺紋接頭在上扣時(shí)只需要采用普通密封脂，不設(shè)置密封面和臺(tái)肩。有限元分析發(fā)現(xiàn)[8]，內(nèi)螺紋的變錐，減小了螺紋兩端的應(yīng)力集中，使每個(gè)螺牙受力均勻，達(dá)到了增大連接強(qiáng)度的目的，而部分內(nèi)螺紋錐度的增大，也減小了內(nèi)、外螺紋齒頂與齒底之間的間隙，從而增強(qiáng)了其密封性能。不設(shè)置密封面和臺(tái)肩，采用普通密封脂，可實(shí)現(xiàn)該螺紋與API圓螺紋的互換，減小現(xiàn)場(chǎng)操作難度，提高其利用率。筆者主要對(duì)該低壓氣密封螺紋套管接頭的抗粘扣能力、氣密封性能和連接強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)試驗(yàn)，為其應(yīng)用于氣井開采提供參考。

1 試驗(yàn)試樣與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)試樣

1.1.1 試樣規(guī)格及接頭參數(shù)

用于低壓氣密封螺紋接頭試樣的公稱外徑為139.7 mm，壁厚為7.72 mm，實(shí)測(cè)最小壁厚為7.44 mm；套管接箍公稱外徑為154.0 mm，名義壁厚為14.0 mm，實(shí)測(cè)最小壁厚為13.7 mm。試樣內(nèi)、外螺紋接頭按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)加工，接頭螺紋尺寸測(cè)量按照API SPEC 5B-2008《套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范》要求進(jìn)行，在企業(yè)加工能力范圍內(nèi)進(jìn)行試樣配對(duì)，每個(gè)試樣由兩個(gè)一端帶螺紋的管體和與之配對(duì)的兩端帶(A端和B端)螺紋的接箍組成，配對(duì)原則和實(shí)測(cè)螺紋參數(shù)見表1，其中實(shí)測(cè)錐度和實(shí)測(cè)中徑值為A端和B端測(cè)得值范圍。如表1所示：1號(hào)內(nèi)螺紋中徑偏小，外螺紋中徑偏大，同時(shí)內(nèi)螺紋錐度偏小，外螺紋錐度偏大，測(cè)試其中徑低過盈情況下的氣密封性能；2號(hào)為螺紋過盈量中值工況；3號(hào)則與1號(hào)試樣相反，主要目的為測(cè)試其抗粘扣性能的同時(shí)測(cè)試其氣密封性能。

表1 接頭試樣螺紋參數(shù)

1.1.2 試樣材料

采用J55鋼級(jí)套管，在套管管體和接箍上分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2和表3，可見管體和接箍的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合API SPEC 5CT-2011《套管和油管規(guī)范》技術(shù)要求。

表2 J55石油套管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表3 J55石油套管的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

加工套管實(shí)物短節(jié)作為評(píng)價(jià)試樣，參照ISO 13679-2002《石油和天然氣套管和管連接的測(cè)試程序》設(shè)計(jì)試驗(yàn)程序，為模擬套管服役條件，3組試樣在不同極限條件下失效，評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括：接頭的抗粘扣性能、熱循環(huán)氣密封性能、復(fù)合載荷氣密封性能、內(nèi)屈服強(qiáng)度及連接強(qiáng)度。試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test flow

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 上卸扣試驗(yàn)

上卸扣試驗(yàn)參考ISO 13679-2002中規(guī)定，A端模擬工廠端1次上扣，3個(gè)試樣扭矩控制分別為最小、最佳和最大扭矩；B端模擬現(xiàn)場(chǎng)端3次上扣、2次卸扣，上扣扭矩見表4。上扣前清洗并檢查內(nèi)、外螺紋是否有缺陷或粘扣現(xiàn)象，采用Shell Type Ⅲ螺紋脂涂抹均勻后使用直立式上卸扣試驗(yàn)機(jī)上扣。由表4可見，B端卸扣后螺紋均未發(fā)現(xiàn)粘扣現(xiàn)象，經(jīng)2次上扣、2次卸扣后接頭的內(nèi)、外螺紋形貌見圖3。

表4 上卸扣試驗(yàn)程序和結(jié)果

圖3 1號(hào)試樣經(jīng)2次上扣、2次卸扣后接頭內(nèi)外螺紋形貌Fig.3 Morphology of joint internal and external thread after two times of making up and two times of breaking out test of sample 1: a) the external thread; (b) the internal thread

2.2 熱循環(huán)氣密封試驗(yàn)

熱循環(huán)氣密封試驗(yàn)在熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，加壓介質(zhì)為干燥氮?dú)?，采用氣泡瓶檢測(cè)試樣泄漏情況，封堵方式采用焊接堵頭。試驗(yàn)載荷為內(nèi)壓35 MPa(5 075 psi)，保壓時(shí)間為15 min，熱循環(huán)加載程序見表5。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在整個(gè)熱循環(huán)試驗(yàn)過程中套管接頭未發(fā)生泄漏，接頭氣密封性能良好。

表5 熱循環(huán)氣密封試驗(yàn)加載程序和結(jié)果

2.3 復(fù)合加載氣密封試驗(yàn)

在復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲條件下的氣體內(nèi)壓拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷計(jì)算依據(jù)如下：名義外徑139.7 mm，95%名義壁厚7.334 mm，屈服強(qiáng)度379 MPa，螺紋拉伸效率0.8。按照室溫、內(nèi)壓30 MPa、彎曲狗腿度10°/(30 m)、拉伸載荷為80%材料名義屈服強(qiáng)度及95%名義壁厚加載，試驗(yàn)加載載荷、保持時(shí)間和結(jié)果見表6，試驗(yàn)過程中未發(fā)生泄漏。

表6 室溫下復(fù)合加載氣密封試驗(yàn)程序和結(jié)果

2.4 極限失效載荷試驗(yàn)

在復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)上對(duì)2號(hào)試樣進(jìn)行拉伸至失效試驗(yàn)，在靜水壓試驗(yàn)機(jī)上對(duì)1號(hào)和3號(hào)試樣進(jìn)行不同條件下的內(nèi)壓失效試驗(yàn)，加壓介質(zhì)為水，試驗(yàn)結(jié)果見表7。拉伸至失效后的試樣形貌見圖4。

表7 極限失效試驗(yàn)程序和結(jié)果

圖4 拉伸失效后的試樣形貌Fig.4 Morphology of the tensile failure sample

2.5 討論

試驗(yàn)結(jié)果表明:φ139.7 mm×7.72 mm J55鋼級(jí)低壓氣密封套管接頭的理化性能符合API SPEC 5CT-2011技術(shù)要求；螺紋經(jīng)3次上扣、2次卸扣未發(fā)生粘扣現(xiàn)象，說明其抗粘扣性能良好；另外接頭還滿足135 ℃，35 MPa條件下的氣密封性能和低壓30 MPa、彎曲狗腿度10°/(30 m)、拉伸載荷為80%材料名義屈服強(qiáng)度條件下的氣密封性能。

有研究指出[9]，當(dāng)套管接箍的屈服強(qiáng)度與管體接近時(shí)，套管的薄弱環(huán)節(jié)為接箍部分，在水壓爆破試驗(yàn)過程中，接箍承載能力低于管體，接箍首先脹大變形，最后發(fā)生失效。試驗(yàn)接箍試樣的屈服強(qiáng)度低于管體的，如采用承載能力強(qiáng)的接箍，可進(jìn)一步提高螺紋的抗內(nèi)壓強(qiáng)度。2號(hào)試樣拉伸失效載荷為1 558 kN，高于API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長圓螺紋接頭的失效載荷1 099 kN，從拉伸失效后的螺紋形貌可以看出，接頭表面存在多處牙型撕裂，說明在拉伸過程中多牙受力，整個(gè)螺紋受力比較均勻，達(dá)到了提高接頭抗拉強(qiáng)度的效果。API BULL 5C2-1999規(guī)定：φ139.7 mm×7.72 mm J55長圓螺紋接頭的泄漏抗力是36.7 MPa，而長圓螺紋全尺寸試樣試驗(yàn)結(jié)果表明，靜水壓壓力未達(dá)到20.7 MPa就出現(xiàn)從接頭部位發(fā)生泄漏的情況[9]，1號(hào)和3號(hào)試樣內(nèi)壓失效試驗(yàn)的壓力分別為70.9 MPa和73.7 MPa，遠(yuǎn)高于API規(guī)定值。

3 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)的低壓氣密封螺紋套管接頭的抗粘扣性能良好，135 ℃，35 MPa條件下的氣密封性能和低壓30 MPa、彎曲狗腿度10°/(30 m)、拉伸載荷為80%材料名義屈服強(qiáng)度條件下的氣密封性能均合格。

(2) 設(shè)計(jì)的低壓氣密封螺紋套管接頭在拉伸至失效過程中多牙受力，整個(gè)螺紋受力比較均勻，可提高接頭的抗拉強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于API標(biāo)準(zhǔn)同規(guī)格長圓螺紋套管接頭的規(guī)定值。

(3) 設(shè)計(jì)的低壓氣密封螺紋套管接頭不設(shè)置密封面和臺(tái)肩，采用普通密封脂，可實(shí)現(xiàn)與API圓螺紋套管接頭的互換，減小現(xiàn)場(chǎng)操作難度，提高其利用率。

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Performances ofφ139.7 mm×7.72 mm J55 Low Pressure Gas-Tight Threaded Casing Joints

LI Lingxia1,2, DENG Xuyan1,2, MU Zengli1,2

(1. Dalipal Pipe Company, Cangzhou 061000, China; 2. Hebei OCTG Engineering Technology Research Center, Cangzhou 061000, China)

Making up and breaking out tests, thermal cycle gas-tight tests, internal pressure and tension tests under bending condition, tension to failure tests, and internal pressure to failure tests were carried out toφ139.7 mm×7.72 mm J55 low pressure gas-tight casing joint samples. The results show that the anti-gluing property of the joints was good, the sealing capability was qualified both under the condition of the temperature of 135 ℃ and the pressure of 35 MPa and under the condition of the pressure of 30 MPa, the bending dogleg angle of 10°/(30 m) and the tension load of 80% nominal yield strength. The leakage failure internal pressure and the tension strength of the joints were all much higher than those of the standard technical requirements.

casing joint; low pressure gas-tight; making up and breaking out test; thermal cycle test; tension to failure test; internal pressure to failure test

10.11973/lhjy-wl201708008

2015-06-10

李玲霞(1984-)，女，高級(jí)工程師，主要從事油井管產(chǎn)品開發(fā)研究，daxue-xiaocao@163.com

TE931.2

A

1001-4012(2017)08-0573-04