特殊螺紋油管與套管的上扣扭矩構成與密封性能研究

王新虎,申照熙,王建東,林 凱

(中國石油天然氣集團公司a.石油管工程技術研究院;b.石油管工程重點實驗室,西安710065) *

特殊螺紋油管與套管的上扣扭矩構成與密封性能研究

王新虎a,b,申照熙a,b,王建東a,b,林 凱a,b

(中國石油天然氣集團公司a.石油管工程技術研究院;b.石油管工程重點實驗室,西安710065)*

通過大量上卸扣試驗與氣密封試驗,研究了影響特殊螺紋上扣扭矩構成及其各部分比例與總上扣扭矩比值的因素;研究了上扣扭矩構成對特殊螺紋密封完整性及結構完整性的影響。結果表明:螺紋螺距、錐度、中徑、緊密距偏差以及螺紋粘著磨損等因素明顯影響上扣扭矩構成及其各部分比例,而較低的臺肩扭矩與總上扣扭矩比值將明顯降低拉伸載荷下的螺紋密封完整性,以及腐蝕介質存在時的螺紋結構完整性。提出了上扣扭矩構成及其各部分比例與特殊螺紋油套管的制造質量及螺紋連接質量的相關性,提出用上扣扭矩構成及其各部分比例作為評判特殊螺紋完整性的快速有效方法,用上卸扣試驗及復合載荷密封性試驗的方法確定特殊螺紋的最佳上扣扭矩及其各部分的構成比例。

套管;油管;特殊螺紋;氣密封性;上扣扭矩;密封完整性;結構完整性

氣密封特殊螺紋油套管在氣田開發(fā),特別是高溫、高壓氣田開發(fā)中使用量越來越大,目前已經應用了100多種[1]。國內外特殊螺紋的種類很多,制造廠家也很多,其設計性能與制造質量存在差別,因此螺紋性能評價、質量檢驗成為保障油套管密封完整性與結構完整性的首要工作。但目前沒有特殊螺紋油套管產品質量規(guī)范,只有國際標準ISO13679《Petroleum and natural gas industries——Procedures for testing casing and tubing connections》[2]為特殊螺紋油套管的性能評價及選擇提供了方法。全尺寸試驗費用高、時間長,而且不可能將每根套管都進行試驗,所以尋找方便有效的質量檢驗方法是保障特殊螺紋密封完整性的關鍵;油田在驗收特殊螺紋時,不僅要檢驗螺距、錐度、中徑,而且要檢驗密封結構尺寸。驗收規(guī)范由廠家提供,況且螺紋表面處理對這些螺紋參數影響很大,所以這些檢驗很難保證螺紋的密封性能[3]。目前也沒有特殊螺紋油套管使用規(guī)范,美國石油學會標準API RP 5C1[4]推薦的API標準油套管的維護和使用方法不一定適合特殊螺紋油套管,如果現場沒有正確連接特殊螺紋,就不能保證油套管的安全可靠性。

1 氣密封特殊螺紋油套管上扣扭矩的組成

油套管下井最重要的工序是螺紋上扣連接,正確的螺紋連接才能保證管柱的連接強度,API標準螺紋用上扣扭矩-位置法保障螺紋的正確連接,也就是說用最佳上扣扭矩上到合適位置才符合螺紋連接要求。但這個方法不適合特殊螺紋油套管的連接,這是因為特殊螺紋有金屬對金屬密封面及扭矩臺肩(如圖1),所以特殊螺紋總上扣扭矩由作用在螺紋上的扭矩(簡稱螺紋扭矩)、作用在密封上的扭矩(簡稱密封面扭矩)及作用在臺肩上的扭矩(簡稱臺肩扭矩)等3部分組成(如圖2),螺紋扭矩大小為、密封面扭矩大小為、臺肩扭矩大小為 T3-,則總扭矩 T3為

但由于扭矩值 T′1、T′2無法檢測,而且扭矩值分別近似于扭矩值 T1、T2,因此總上扣扭矩T3也可以寫為

因此,雖然2螺紋接頭的總扭矩相同,但是密封面扭矩(T2-T1)及臺肩扭矩(T3-T2)可能不相等。

圖1 特殊氣密封螺紋結構

圖2 氣密封特殊螺紋上扣扭矩組成

圖3是典型的特殊螺紋套管上扣扭矩-圈數圖,由于密封面尺寸很小,且緊鄰扭矩臺肩,所以密封面扭矩與臺肩扭矩界限很難區(qū)分出來,二者合二為一,只有螺紋扭矩與這2個扭矩的界限容易辨認;圖3a中螺紋扭矩為2 373 N·m(1 750 ft-lb),圖3b中螺紋扭矩為1 456 N·m(1 074 ft-lb)。所以本文將密封面扭矩與臺肩扭矩合并簡稱為臺肩扭矩,這樣圖3a中臺肩扭矩為15 284 N·m(11 250 ft-lb),圖3b中臺肩扭矩為3 696 N·m(2 726 ft-lb)。

總上扣扭矩為螺紋扭矩與臺肩扭矩的和,即

圖3 特殊螺紋套管上扣扭矩-圈數

金屬對金屬密封面必須保持足夠的壓應力才能保證螺紋密封性。按照目前的設計結構,金屬對金屬密封面位置與扭矩臺肩相鄰,密封面應力與扭矩臺肩應力直接或間接相關,只有扭矩臺肩保持適當的壓應力,密封面才能在適當位置接觸并保持足夠的壓應力。因此,除了總上扣扭矩外,臺肩扭矩與總扭矩比值是特殊螺紋的一個很重要的參數。

2 影響氣密封特殊螺紋油套管上扣扭矩的因素

影響特殊螺紋接頭上扣扭矩的因素有:螺紋結構、螺紋參數、尺寸公差、材料性能、表面涂層、表面光潔度、螺紋脂等,顯然這些因素影響螺紋扭矩及臺肩扭矩的程度是不同的。可以用上卸扣試驗的方法考察影響臺肩扭矩與總扭矩比值的因素。

2.1 螺距偏差

對國內某大廠的特殊螺紋套管進行上卸扣試驗,如圖4所示的試驗結果反映了內、外螺紋螺距的差值對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響,顯然內外螺紋螺距的差值越大,臺肩扭矩與總扭矩的比值越小。這可能是由于內外螺紋螺距的差值越大,螺紋干涉量就越大,摩擦阻力就越大,導致螺紋部分上扣扭矩增大,在總扭矩不變的情況下,臺肩扭矩減小。

圖4 內、外螺紋螺距的差值對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響

2.2 錐度偏差

錐度偏差對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響比較復雜,這是因為錐度偏差有可能增大螺紋干涉量,也有可能減少螺紋干涉量。

對國內某主要鋼管廠及鋼廠的特殊螺紋套管進行上卸扣試驗,如圖5a所示的試驗結果表明,內螺紋錐度比外螺紋錐度越大,臺肩扭矩與總扭矩的比值越大。這可能是當內螺紋錐度大于外螺紋時,螺紋干涉量減小,導致螺紋部分上扣扭矩減小,在總扭矩不變的情況下,臺肩扭矩增大。

如圖5b所示的試驗結果表明,內螺紋錐度比外螺紋錐度越大,臺肩扭矩與總扭矩的比值呈減少趨勢。這可能是當內螺紋錐度大于外螺紋時,螺紋干涉量增大,導致螺紋部分上扣扭矩增大,在總扭矩不變的情況下,臺肩扭矩減小。

圖5 內、外螺紋錐度的差值對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響

2.3 中徑偏差

對國外某公司的特殊螺紋套管進行上卸扣試驗,如圖6所示的試驗結果反映了內、外螺紋中徑的差值對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響,內外螺紋中徑差值反映了螺紋干涉量的大小,顯然這個差值越大,臺肩扭矩與總扭矩的比值越大,這是因為當內螺紋中徑比外螺紋大時,螺紋干涉量減小,導致螺紋部分上扣扭矩減小,在總扭矩不變的情況下,臺肩扭矩增大。

圖6 內、外螺紋中徑差值對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響

2.4 緊密距偏差

對國內某主要鋼管廠的特殊螺紋套管進行上卸扣試驗,如圖7所示的試驗結果反映了內、外螺紋緊密距的差值對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響,顯然這個差值越大,臺肩扭矩與總扭矩的比值越小,這是因為當內螺紋緊密距越大時,螺紋中徑就越小;而外螺紋緊密距越小時,螺紋中徑就越大;所以當內外螺紋緊密距的差值越大,螺紋干涉量就越大,導致螺紋部分上扣扭矩增大,在總扭矩不變的情況下,臺肩扭矩減小。

圖7 內、外螺紋緊密距差值對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響

2.5 密封面直徑偏差

對國內某主要鋼管廠的特殊螺紋套管進行上卸扣試驗,如圖8所示的試驗結果反映了內、外螺紋密封面直徑的差值對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響,內外螺紋密封面直徑的差值反映了密封面干涉量,顯然這個差值對臺肩扭矩與總扭矩的比值影響不大,這是因為螺紋密封面直徑公差不會影響螺紋部分上扣扭矩大小,所以在總扭矩不變的情況下,臺肩扭矩大小也不會變化。

2.6 粘扣

國外某特殊螺紋套管螺紋因鍍銅層顏色異常,對其進行上扣試驗,發(fā)現一些試樣的臺肩扭矩與總扭矩比值偏小(如圖9),其中8號與9號樣的比值<0.5。卸扣后發(fā)現7號試樣內螺紋第2牙30 mm長螺紋牙頂輕微擦傷,對應外螺紋牙也輕微擦傷;發(fā)現8號試樣內螺紋第2與第3牙1/3周長螺紋牙頂粘著磨損,對應外螺紋牙也發(fā)生粘著磨損;發(fā)現9號試樣內螺紋第1～3牙全周長螺紋牙頂粘著磨損。這是因為當上扣時,發(fā)生螺紋粘著磨損,螺紋摩擦力增大,導致螺紋部分上扣扭矩增大,在總扭矩不變的情況下,臺肩扭矩減小。

圖8 內、外螺紋密封直徑差值對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響

圖9 螺紋粘著磨損對臺肩扭矩與總扭矩比值的影響

3 上扣扭矩各部分構成比例對氣密封特殊螺紋油套管密封性能的影響

金屬對金屬密封性能直接或間接與作用在臺肩面上的壓縮應力有關,即與臺肩扭矩有關。如果臺肩扭矩過小,在拉伸載荷作用下,臺肩面壓應力與密封面壓應力降低過多,螺紋將失去密封性。最小臺肩扭矩就是管柱在最大容許或設計拉伸載荷作用下,能夠保障密封完整性的最小扭矩值,但臺肩扭矩值過大就會導致臺肩壓應力過大,造成臺肩變形。因此,與API標準螺紋不同,除了控制總上扣扭矩外,臺肩扭矩與總扭矩比值也應該控制在合適的范圍,才能確保特殊螺紋的結構完整性與密封完整性。

對國內某主要鋼廠的4批次19對氣密封特殊螺紋套管進行了密封試驗,只有1根套管螺紋發(fā)生了泄漏。圖10是每對套管A端和B端螺紋臺肩扭矩與總扭矩的比值,其中9號與11號的比值<0.5。在19對套管中,只有唯一的11號套管螺紋發(fā)生了泄漏,試驗時拉伸載荷為管體拉伸強度的63%,內壓為90 MPa。9號套管雖然沒有泄漏,但所在批次套管按廠家要求沒有進行拉伸載荷下的密封試驗。顯然較小的臺肩扭矩與總扭矩的比值降低了螺紋在拉伸載荷下的密封性。

圖10 某鋼廠4批次19對特殊螺紋套管A端和B端臺肩扭矩與總扭矩的比值

某國外超級13Cr氣密封特殊螺紋油管在井下泄漏,將油管取出,檢查發(fā)現大部分現場端螺紋發(fā)黑,有大量碳沉積,因此認為天然氣泄漏發(fā)生在現場端螺紋處,而現場端是按照工廠端85%扭矩預緊的,上扣扭矩偏低降低了螺紋現場端的密封性,天然氣泄露可能與上扣扭矩偏低有關。

同時發(fā)現40多根油管螺紋現場端扭矩臺肩腐蝕,十幾根油管螺紋現場端密封面腐蝕,而工廠端僅有2根扭矩臺肩腐蝕、密封面沒有腐蝕。這說明了上扣扭矩不足導致臺肩壓應力不足,在井下拉伸載荷作用下,臺肩面可能出現微小縫隙,腐蝕液滲入臺肩及密封面引起腐蝕,進一步降低了螺紋接頭的密封完整性與結構完整性。

將從井下取出的油管與庫存的油管做密封試驗,圖11是進行密封試驗的各試樣的臺肩扭矩與總扭矩比值,已用油管的值普遍低于未使用油管。其中2、4、7號油管在拉伸、壓縮、內壓載荷循環(huán)作用下發(fā)生了泄漏,而未使用庫存油管都沒有泄漏,這證明了臺肩扭矩明顯影響密封性能,臺肩扭矩與總扭矩比值可作為判斷螺紋密封完整性的一個重要指標。

圖11 臺肩扭矩與總扭矩比值與螺紋泄漏的關系

圖11中第3號試樣實際上與第2號試樣是同一試樣,將泄漏的第2號試樣卸扣后發(fā)現,密封面發(fā)生少量粘著磨損,對其修磨后再次上扣,總上扣扭矩提高了15%,重新進行密封試驗,沒有發(fā)生泄漏,由此說明足夠的上扣扭矩可保證螺紋的密封完整性。

長慶油田分公司長北氣田在20余口井應用VAMTOP螺紋和FOX螺紋油管,總體效果良好,但是2口井油管出現了密封失效問題,檢查發(fā)現其中幾根油管的扭矩圖異常,推斷失效原因與螺紋上扣不符合規(guī)范有關[5]。

4 保障氣密封特殊螺紋油套管結構與密封完整性的技術措施

因設計思路及螺紋結構的差異,各廠家氣密封特殊螺紋套管的密封性能與操作性能有差異,應采用上卸扣試驗與復合載荷密封性試驗的方法確定特殊螺紋的最佳上扣扭矩及其各部分的構成比例,如臺肩扭矩與總扭矩比值范圍[2]。

可以遵照國際標準 ISO13679《Petroleum and natural gas industries—Procedures for testing casing and tubing connections》[2]的規(guī)定,進行上卸扣試驗以及密封試驗。國際標準ISO13679規(guī)定的試驗是在極限公差尺寸、極端載荷及溫度下進行的,試驗時間長、費用高,有些在油田使用很好的管子不一定能通過 ISO13679規(guī)定的試驗。因此,也可以根據油井工況制定比較簡單的試驗方案,進行包括拉伸載荷條件下的密封試驗。拉伸載荷明顯降低氣密封特殊螺紋油套管螺紋密封面壓應力[6],所以試驗程序必須包括拉伸載荷下的密封試驗。

現場上扣條件與試驗室是有差別的,最明顯的就是管子軸向載荷的差別。研究表明,無論是壓縮載荷還是拉伸載荷,對氣密封特殊螺紋油套管臺肩扭矩影響不大[7]。但溫度會影響螺紋脂的摩擦因數,所以對上扣扭矩影響較大。研究表明,溫度下降10℃,螺紋部分扭矩增大20%[7],在總扭矩不變的情況下,臺肩扭矩將下降,所以溫度下降時,應該增大總上扣扭矩。

如果現場油套管的臺肩扭矩與總扭矩比值超出試驗確定的范圍,那就應該卸扣檢查油套管是否粘扣,在確認螺紋完好后,將螺紋清理干凈,涂抹適量螺紋脂,重新上扣。如果臺肩扭矩與總扭矩比值仍然超出試驗確定的范圍,那么可以判斷該螺紋質量可能存在問題,應剔除出管柱,選用另外管子。用這種方法不但可確保正確連接油套管螺紋,而且可將質量不合格管子排除在管柱以外,保證管柱密封完整性與結構完整性。

5 結論

螺紋螺距、錐度、中徑、緊密距偏差以及螺紋粘著磨損等因素明顯影響特殊螺紋的上扣扭矩構成及其各部分比例,而較低的臺肩扭矩與總上扣扭矩比值明顯降低了拉伸載荷下的螺紋密封完整性,以及腐蝕介質存在時的螺紋結構完整性。上扣扭矩構成及其各部分比例反映了特殊螺紋油套管的制造質量及螺紋連接質量,異常的上扣扭矩構成及其各部分比例說明螺紋制造質量出現問題,或螺紋沒有正確連接。因此上扣扭矩構成及其各部分比例可作為評判特殊螺紋完整性的快速有效方法。

[1] 孔寒冰,王新虎.正確選用套管,提高深井和超深井套管的安全性[J].石油鉆采工藝,1998,20(4):16-20.

[2] International organization for standardization.ISO13679: 2002,Petroleum and natural gas industries—Procedures for testing casing and tubing connections[S].2002.

[3] 劉衛(wèi)東,呂拴錄,韓 勇,等.特殊螺紋接頭油套管驗收關鍵項目及影響因素[J].石油礦場機械,2009,38 (12):23-26.

[4] American petroleum institute.API RP 5C1:1999,recommended practice for care and use of casing and tubing,eighteen edition[S].1999.

[5] 王定峰,林 勇,巨滿成.長北氣田優(yōu)質油井管螺紋類型及其應用[J].石油礦場機械,2009,38(11):85-87.

[6] Gabriel Carcagno.The design of tubing and casing premium connection forHTHP wells[M].2005 SPE workshop in high pressure/high temperature sour design.TX,U.S.A.,2005:17-19.

[7] Eiji Tsuru,Kazushi Maruyama.Allowable Torque of Tubular Connection UnderSimulated Running and Working Conditions[S].1995 SPE/lADC Drilling Conference.American,28 February-2 March 1995: 205-214.

Study on the Makeup Torque Constitutes and Seal Integrity of Tubing and Casing Premium Connection

WANG Xin-hua,b,SHEN Zhao-xia,b,WANGJian-donga,b,LIN Kaia,b
(a.Tubular Goods Research Center;b.Key L aboratory f or Mechanical and Environmental Behaviors of Tubular Goods,China N ational Petroleum Corporation,Xi’an710065,China)

Through many makeup and gas seal testing,this paper studies the factors of affecting the makeup torque constitutes and the ratio of its portion with each other for example the ratio of the shoulder torque to overall torque of premium connection,and the way of the constitutes of makeup torque affecting seal and structure integrity.The results showed the tolerance of lead and taper and pitch diameter and standoff and also galling affect the makeup torque constitutes and the ratio of its portion with each other,and the lower ratio value of the shoulder torque to overall torque decrease the seal integrity under tension loads and the structure integrity of premium connection at corrosion environment.It is put forward that makeup torque constitutes and the ratio of its portion with each other are related with the manufacturing quality and connecting quality of premium connection,and the make up testing and gas seal testing of premium connection should be carry through according to ISO13679 or work condition in well to make sure the overall make up torque range and its constitute which may be used to judge the seal and structure integrity of premium connection.

casing;tubing;premium connection;gas seal capability;makeup torque;seal integrity; structure integrity

1001-3482(2010)12-0045-06

TE931.2

A

2010-06-12

中國石油天然氣集團公司應用基礎研究項目“復雜氣井套管柱的安全性及優(yōu)化設計研究”(06A40101)與“石油管應用基礎研究”(2008A-3005)資助

王新虎(1962-),男,陜西扶風人,教授級高級工程師,碩士,主要從事石油管失效分析、技術服務與產品開發(fā)工作,E-mail:wangxh66@163.com。