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        新疆某油田熱采井套管接頭密封脂評價試驗(yàn)研究

        2020-03-21 09:27:54張益銘
        石油工程建設(shè) 2020年1期

        張益銘,韓 軍,張 樂,余 志

        中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院國家質(zhì)檢中心,陜西西安 710077

        隨著油田開發(fā)的不斷深入和常規(guī)原油產(chǎn)量的遞減,稠油開采將成為本世紀(jì)開發(fā)的重點(diǎn)。但由于稠油黏度高,流動性能差,甚至在油層條件下不流動,因而采用輕質(zhì)油開采中所使用的一般開采方式很難使稠油油藏得到經(jīng)濟(jì)有效的開采。在眾多開采稠油的方法中,向稠油井中注入溫度最高達(dá)350 ℃熱蒸氣的熱采方法是最常見的一種。因此,開采稠油井時對套管螺紋的連接強(qiáng)度、密封性、抗粘扣性、抗腐蝕性等提出了更高的要求。如果使用特殊螺紋套管,盡管可以起到密封作用,但特殊螺紋套管價格昂貴、互換性差、操作嚴(yán)苛,較難被廣泛使用。新疆某油田紅003 井區(qū)熱采井工況為:井深500 m,注采井口壓力13 MPa,注采井口溫度不超過340 ℃,使用年限6 年。采用的φ177.8 mm ×9.19 mm 偏梯型螺紋套管,鋼級為TP-95H(如圖1 所示),選用了三種螺紋脂:普通API 螺紋脂(CS-3)、TP-2189 和TRT-300 耐高溫螺紋脂,以SY/T 6128 —2012《套管、油管螺紋接頭性能評價試驗(yàn)方法》 中熱采井套管評價試驗(yàn)為基礎(chǔ),對套管接頭的密封性影響因素、材料拉伸性能、螺紋抗粘扣性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,并進(jìn)行系統(tǒng)的熱采井模擬對比實(shí)物評價試驗(yàn),為紅003 井區(qū)熱采井偏梯型螺紋套管接頭優(yōu)選適合的密封螺紋脂。

        圖1 177.8 mm ×9.19 mm 套管接頭形貌

        1 套管接頭密封性影響因素研究

        1.1 幾何尺寸影響

        對TP -95H 套管接頭涂漆進(jìn)行打磨見光后,使用游標(biāo)卡尺和超聲波測厚儀對18 根套管接頭進(jìn)行外形尺寸和壁厚測量,測量位置如圖2 所示,測量結(jié)果見表1。

        圖2 套管接頭尺寸測量位置示意

        表1 試樣外形尺寸測量結(jié)果

        從表1 測量結(jié)果可知,試樣所用18 根TP -95H 套管接頭外徑及壁厚均滿足標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5CT要求。由于本試樣研究項(xiàng)目針對熱采井套管接頭的密封性展開研究,故所用試樣的外徑不圓度和壁厚不均度均對密封性有較大影響,所以還需對試樣個體的外徑不圓度和壁厚不均度加以分析。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR 10400—2011 中對不圓度和壁厚不均度的定義,采用式(1)、(2)計(jì)算18 根管道的外徑不圓度和壁厚不均度,結(jié)果如圖3、4 所示。

        式中:Dmax、Dmin為同一橫截面上實(shí)測的最大、最小外徑值,mm;tmax、tmin為同一截面上實(shí)測的最大、最小壁厚值,mm。

        圖3 試樣外徑不圓度測量結(jié)果

        圖4 試樣壁厚不均度測量結(jié)果

        從圖3、圖4 可以看出,10#和12#試樣管的外徑不圓度較大,考慮到本次試驗(yàn)的套管接頭螺紋為偏梯型螺紋,不具備密封設(shè)計(jì),較大的外徑不圓度會增加偏梯型螺紋連接的泄漏通道,故將10#和12#試樣管排除。11#管的壁厚不均度較大,達(dá)8.2%以上,由于壁厚不均度主要影響套管接頭的抗擊毀性能,同時11#管的外徑不圓度較低,故仍可作為試驗(yàn)用管。

        1.2 螺紋參數(shù)影響

        對1#~18#管體(除10#、12#外) 外螺紋及接箍內(nèi)螺紋進(jìn)行清洗,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)API Spec5B —2017,使用工作量規(guī)、單項(xiàng)儀和普通長度量規(guī),在室溫下對管體外螺紋及接箍內(nèi)螺紋參數(shù)進(jìn)行測量,結(jié)果見表2、表3。從表2、表3 可以看出,所測試樣的各項(xiàng)螺紋參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)API Spec5B —2017 要求。

        表2 管體外螺紋參數(shù)檢測結(jié)果

        表3 接箍內(nèi)螺紋參數(shù)檢測結(jié)果

        1.3 套管接頭材料拉伸性能測試

        1.3.1 常溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

        沿10#試樣管體縱向截取一段25.4 mm×50 mm拉伸試樣,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370 — 2017,使用UH -F500K1 試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn);沿10#試樣接箍縱向切取φ6.25 mm×25 mm 的圓棒拉伸試樣,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370—2017,室溫下在CMT 5105 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果見表4。

        表4 常溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

        1.3.2 高溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

        沿10#試樣管體縱向截取一段25.4 mm×50 mm拉伸試樣,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) ASTM A370—2017,使用UH-F500K1 試驗(yàn)機(jī)在350 ℃進(jìn)行高溫拉伸,結(jié)果見表5。

        表5 高溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

        1.4 熱采井套管上/卸扣試驗(yàn)研究

        依據(jù)1.2 中螺紋參數(shù)測量結(jié)果,根據(jù)套管螺紋的螺紋錐度和緊密距配對,組成三種耐高溫密封螺紋脂試驗(yàn)用試樣,見表6。

        表6 上/卸扣試驗(yàn)試樣配對

        依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6128—2012,使用上/卸扣試驗(yàn)系統(tǒng),在室溫下對6 組配對好的試驗(yàn)進(jìn)行上/卸扣試驗(yàn),上/卸扣實(shí)驗(yàn)條件為:上扣次數(shù)1 ~3 次,上扣位置為三角形標(biāo)記底邊,上扣速度為5 ~10 r/min,螺紋脂涂抹均勻,結(jié)果見表7 ~9。3Z、1Y、2T、3T 試樣在卸扣后出現(xiàn)輕微粘扣現(xiàn)象,如圖5 所示。

        表7 上/卸扣試驗(yàn)結(jié)果 (TRT-300 螺紋脂)

        由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出,三種螺紋脂涂抹后進(jìn)行上/卸扣試驗(yàn),套管短節(jié)均發(fā)生不同程度的粘扣現(xiàn)象。

        1.5 三種螺紋脂熱采模擬實(shí)物評價試驗(yàn)

        對用普通API 螺紋脂(CS-3)、TP-2189螺紋脂和TRT-300 耐高溫螺紋脂上扣連接好的試樣進(jìn)行熱采模擬實(shí)物評價試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康模涸u價使用三種不同螺紋脂的接頭在紅003 井區(qū)工況下的氣體(N2) 密封性能。

        表8 上/卸扣試驗(yàn)結(jié)果 (CS -3 螺紋脂)

        表9 上/卸扣試驗(yàn)結(jié)果 (TP -2189 螺紋脂)

        圖5 試樣卸扣后形貌

        依據(jù)熱采井實(shí)際工況并參照SY/T 6128—2012確定熱采模擬參數(shù):試驗(yàn)壓力13 MPa,壓力介質(zhì)為N2,溫度340 ℃,使用年限6 年(12 個周期),高溫下拉伸/壓縮循環(huán)載荷為50%的管體屈服強(qiáng)度,室溫下內(nèi)壓及拉伸/壓縮整體等效應(yīng)力為65%VME(三軸等效復(fù)合應(yīng)力),試驗(yàn)過程及結(jié)果如下:

        (1) 三組試樣加熱到340 ℃,保溫12 h,然后冷卻。對保溫冷卻后的試樣在室溫下進(jìn)行保壓試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)壓為13 MPa,壓力介質(zhì)為N2,保壓時間30 min,均無泄漏發(fā)生,說明此時三種螺紋脂均具有密封性。

        (2) 將試樣裝載至全尺寸實(shí)物加載系統(tǒng),加熱至340 ℃,按圖6 所示施加拉伸和壓縮載荷循環(huán),拉伸/壓縮載荷為管體在該溫度下50%的屈服強(qiáng)度,即1 484 kN,拉伸/壓縮載荷循環(huán)8 個周期。所有試樣均未發(fā)生滑脫或斷裂失效。

        圖6 熱注采井模擬試驗(yàn) (高溫)

        (3) 待試樣冷卻至室溫,按圖7 所示施加內(nèi)壓及拉伸/壓縮復(fù)合載荷循環(huán),試驗(yàn)內(nèi)壓為13 MPa,壓力介質(zhì)為N2,試樣施加拉伸/壓縮載荷,使其整體等效應(yīng)力為管體的65%VME,拉伸/壓縮載荷循環(huán)4 個周期,檢驗(yàn)螺紋接頭的氣體密封性能,試驗(yàn)結(jié)果表明所有試樣均發(fā)生泄漏失效,如圖8所示。

        圖7 熱注采井模擬試驗(yàn) (室溫)

        圖8 試樣漏泄失效形貌

        以上結(jié)果表明,在模擬紅003 井區(qū)熱采井工況的條件下,三種螺紋脂均無法滿足高溫下的密封性。

        選取發(fā)生泄漏的3Z、2Y 和3T 試樣,將螺紋連接處沿縱向剖開,截取寬80 mm×200 mm 螺紋試樣對試驗(yàn)后的螺紋脂形貌進(jìn)行觀察分析,螺紋脂形貌見圖9。

        圖9 實(shí)物試驗(yàn)后外螺紋螺紋脂形貌

        對熱采井模擬實(shí)物評價試驗(yàn)后的三種螺紋脂在內(nèi)、外螺紋上的形貌進(jìn)行觀察表明,普通API 螺紋脂(CS-3)、TP-2189 螺紋脂和TRT-300 耐高溫螺紋脂經(jīng)過試驗(yàn)后均結(jié)塊破碎或呈粉末狀,無法有效地堵塞泄漏通道,故無法到達(dá)試驗(yàn)所要求的密封要求。

        2 分析與討論

        所有的套管接頭試樣中,除10#和12#外,其余套管接頭的幾何尺寸與各項(xiàng)螺紋參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5CT—2011 與 API Spec 5B—2017 的要求。試樣管拉伸性能試驗(yàn)表明,拉伸強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求。

        三種螺紋脂上/卸扣試驗(yàn)結(jié)果表明,套管接頭均發(fā)生不同程度的粘扣現(xiàn)象。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6128—2012,卸扣后內(nèi)外螺紋若出現(xiàn)粘扣,可進(jìn)行修復(fù)并記錄在案后繼續(xù)使用。而螺紋的抗粘扣性能與很多因素有關(guān),主要包括使用的螺紋脂類型、螺紋的表面處理方式、上扣的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、上扣前的清理、扣型的加工精度等。螺紋脂對于螺紋抗粘扣性能的影響本文暫不作深入研究。此外,由于偏梯型螺紋自身的特點(diǎn),在上扣和拉伸載荷作用下,各齒面上的接觸壓力分布嚴(yán)重不均勻以及螺紋配合后泄漏通道面積要大于圓螺紋,導(dǎo)致其密封性能較差。上文中,三組試樣加熱到340 ℃,保溫12 h,冷卻后進(jìn)行的保壓試驗(yàn)均未發(fā)生泄漏。因此,輕微的粘扣現(xiàn)象并不會對偏梯型螺紋的密封性能造成嚴(yán)重的影響。

        對熱采井模擬實(shí)物評價試驗(yàn)后,三種螺紋脂均無法滿足高溫下的密封性能要求。觀察三種螺紋脂在內(nèi)、外螺紋上的形貌發(fā)現(xiàn),普通API 螺紋脂CS-3、TP-2189 螺紋脂和TRT-300 耐高溫螺紋脂經(jīng)過試驗(yàn)后均結(jié)塊破碎或呈粉末狀。CS-3 是一種普通油基脂螺紋脂,由于API 偏梯型螺紋本身就有泄漏間隙,用普通油基螺紋脂來堵塞該間隙,高溫下會流失部分成分,最后呈干涸粉末狀,試驗(yàn)證明確實(shí)無法堵塞泄漏間隙。而耐高溫螺紋脂的主要組成材料為高分子,且含有部分溶劑及其他小分子成分,隨著溫度的升高,部分溶劑和小分子組成流失,螺紋脂在高溫下可能發(fā)生固化,導(dǎo)致其彈性不足[10],因而無法有效地堵塞泄漏通道,故無法達(dá)到試驗(yàn)所要求的密封性能。

        3 結(jié)論

        (1) 10#和12#套管接頭試樣的外徑不圓度較大,不再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。其余套管接頭試樣的幾何尺寸、各項(xiàng)螺紋參數(shù)及拉伸強(qiáng)度均符合API Spec 5CT—2011、API Spec 5B—2017 標(biāo)準(zhǔn)要求。

        (2) 使用 API 螺紋脂 (CS-3)、TP-2189 螺紋脂和TRT-300 耐高溫螺紋脂的套管接頭試樣均發(fā)生不同程度的粘扣現(xiàn)象。

        (3) 普通 API 螺紋脂 (CS-3)、TP-2189 螺紋脂和TRT-300 耐高溫螺紋脂在進(jìn)行熱采模擬實(shí)物評價試驗(yàn)后均結(jié)塊破碎或呈粉末狀,無法有效地堵塞泄漏通道,因而無法達(dá)到試驗(yàn)所要求的密封性能。

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