高溫高壓井特殊螺紋接頭的選用與評(píng)價(jià)試驗(yàn)*

王雙來(lái)，彭　娜，劉　卜

（1.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，陜西西安710065；2.西安市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，陜西西安710021；3.攀成伊紅石油鋼管有限責(zé)任公司，四川成都610301）

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高溫高壓井特殊螺紋接頭的選用與評(píng)價(jià)試驗(yàn)*

王雙來(lái)1，彭娜2，劉卜3

（1.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，陜西西安710065；2.西安市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，陜西西安710021；3.攀成伊紅石油鋼管有限責(zé)任公司，四川成都610301）

摘要：介紹了高溫高壓井的分類。分析了目前高溫高壓井開發(fā)中存在的問(wèn)題。探討了高溫高壓井特殊螺紋接頭的選用及測(cè)試評(píng)價(jià)。介紹了殼牌公司在高溫高壓井測(cè)試評(píng)價(jià)試驗(yàn)方面的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。分析認(rèn)為：應(yīng)對(duì)高溫高壓井用特殊螺紋接頭進(jìn)行全面的實(shí)物測(cè)試評(píng)價(jià)試驗(yàn)，以證明其具有較高的可靠性和適用性；根據(jù)使用工況選擇適當(dāng)?shù)慕宇^測(cè)試試驗(yàn)級(jí)別，并依據(jù)ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)制定補(bǔ)充試驗(yàn)評(píng)價(jià)程序；可借鑒殼牌公司在高溫高壓井用特殊螺紋接頭選用中的經(jīng)驗(yàn)，使用雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭。

關(guān)鍵詞：高溫高壓井；特殊螺紋接頭；選用；評(píng)價(jià)試驗(yàn)；雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51271146）、陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目

王雙來(lái)（1982-），男，碩士，工程師，主要從事油井管非API特殊螺紋接頭產(chǎn)品的開發(fā)及評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究。

隨著石油開采速度的加快，易開采的油氣資源已經(jīng)非常少，油氣的開采難度越來(lái)越大。隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，人們向工況更苛刻的高溫高壓井發(fā)起挑戰(zhàn)。在過(guò)去10年內(nèi)，全球范圍內(nèi)的高溫高壓井項(xiàng)目數(shù)量顯著增加，但僅占全球在產(chǎn)油氣藏的1%左右，主要分布在美國(guó)（墨西哥灣深水區(qū)域及較深的陸地高溫井）、北海、挪威海、泰國(guó)和印度尼西亞。此外，稠油熱采項(xiàng)目主要分布在加拿大、美國(guó)加利福尼亞、委內(nèi)瑞拉和東歐等地區(qū)。

我國(guó)的高溫高壓井主要分布在西北（塔里木油田）、西南（川西區(qū)塊）等區(qū)域，稠油熱采項(xiàng)目主要分布在遼河油田、克拉瑪依油田、勝利油田等［1-4］。塔里木油田的天山南坡帶狀構(gòu)造帶是世界上少有的典型超高壓氣藏富集區(qū)域，其儲(chǔ)層埋藏較深，一般為5 000 m，最高可達(dá)7 800 m；地層壓力高，一般為105 MPa，最高可達(dá)150 MPa；地層溫度高，一般為130℃，最高可達(dá)176℃，開發(fā)工況十分苛刻［5］。

1　高溫高壓井定義

目前，人們勘探開發(fā)油氣活動(dòng)越來(lái)越多地涉及到了高溫高壓井底環(huán)境下的作業(yè)，發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新的高溫高壓油氣藏可能會(huì)遇到一系列的技術(shù)難題。石油工業(yè)界已涉足高溫高壓作業(yè)環(huán)境多年，但直至目前還沒有建立起界定高溫高壓環(huán)境及其溫度和壓力之間的相互關(guān)系的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，對(duì)高溫高壓井有兩種分類：一種是國(guó)際高溫高壓協(xié)會(huì)的分類［5］，另外一種是美國(guó)斯倫貝謝公司的分類［6］。文獻(xiàn)［5］與文獻(xiàn)［6］對(duì)高溫高壓井的分類基本相同，但國(guó)際高溫高壓井協(xié)會(huì)沒有對(duì)極端高溫高壓井進(jìn)行定義。根據(jù)文獻(xiàn)［6］中的分類定義，極端高溫井的溫度在204～232℃，極端高壓井的壓力在136～170 MPa。高溫高壓井的分類見表1。

表1　高溫高壓井分類

在油井開發(fā)中，國(guó)際高溫高壓協(xié)會(huì)對(duì)高溫高壓井的應(yīng)用分類較多一點(diǎn)。國(guó)際高溫高壓井協(xié)會(huì)對(duì)高溫高壓井進(jìn)行分類時(shí)，更側(cè)重于油井的勘探開發(fā)環(huán)境，但沒有對(duì)極端高溫高壓井進(jìn)行分類。目前，極端高溫高壓井的勘探開發(fā)已經(jīng)非常少。

由文獻(xiàn)［7］可知，美國(guó)斯倫貝謝公司僅對(duì)高溫高壓井的工況進(jìn)行了分類，沒有對(duì)深井、超深井進(jìn)行分類，側(cè)重于測(cè)井的工況。美國(guó)斯倫貝謝公司對(duì)高溫高壓井的分類主要以作業(yè)中一般會(huì)遇到的技術(shù)界限為依據(jù)，主要根據(jù)測(cè)井儀器中材料服役工作環(huán)境為界，將高溫高壓井劃分成3類。

從表1可以看出：高溫高壓井的起始井底溫度和起始井底壓力分別為150℃和69 MPa，這一界限的確定依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)彈性密封件的特性有關(guān)。超高溫高壓井是指溫度或壓力超過(guò)現(xiàn)有電子技術(shù)實(shí)際作業(yè)范圍（溫度≥205℃或壓力≥138 MPa）的那些井。目前要在超過(guò)205℃溫度條件下開展作業(yè)，電子儀器內(nèi)部必須增加散熱裝置，或者將儀器置于一個(gè)真空瓶?jī)?nèi)，以便將其與高溫環(huán)境隔離開來(lái)。極端高溫高壓井是指在最極端的作業(yè)環(huán)境（溫度≥260℃或壓力≥241 MPa）下的井；雖然此類壓力條件在可預(yù)見的未來(lái)較少遇到，但在溫度方面，一些地?zé)峋蜔岵删木诇囟纫呀?jīng)超過(guò)了260℃。

最近英國(guó)Welling & Company公司針對(duì)海底系統(tǒng)和服務(wù)的方向進(jìn)行了專項(xiàng)調(diào)查。調(diào)查顯示：在未來(lái)5～10年將要鉆的油氣井中，有11%的油氣井的起始井底溫度將超過(guò)177℃；另外有26%的被調(diào)查者認(rèn)為起始井底壓力將在69～103 MPa，而5%的被調(diào)查者認(rèn)為壓力會(huì)更高。

2　高溫高壓井開發(fā)中存在的問(wèn)題

塔里木油田是我國(guó)典型的高溫高壓超深井區(qū)塊，為了滿足高溫、高壓、超深苛刻工況地質(zhì)條件的開發(fā)，塔里木油田對(duì)高溫高壓井用特殊螺紋接頭油、套管提出更苛刻的要求［8］。特殊螺紋接頭具有較好的氣密封性能和連接強(qiáng)度，較好地解決了苛刻工況油氣藏的開發(fā)，但目前在高溫高壓井中的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題。

2.1管柱存在氣密封泄漏現(xiàn)象

油、套管特殊螺紋接頭的氣密封與壓力介質(zhì)密切相關(guān)，壓力介質(zhì)分子直徑不同，其滲透率也不一樣，氣體介質(zhì)比液體更難密封。

2.1.1國(guó)外情況

1970年，美國(guó)Loomis公司首先提出了氦氣氣密封檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)氦氣檢測(cè)技術(shù)在油田的應(yīng)用，在國(guó)外檢測(cè)井?dāng)?shù)超過(guò)2 600口。根據(jù)美國(guó)礦業(yè)管理局統(tǒng)計(jì)的8 122口井，11 498層套管生產(chǎn)中起了穩(wěn)定套壓，其中生產(chǎn)套管異常起壓井超過(guò)50%，主要由油管泄漏引起［9］。美國(guó)Loomis公司統(tǒng)計(jì)了1 053口井油管柱的泄漏情況，并按照螺紋接頭類型進(jìn)行了分類，具體見表2。

2.1.2國(guó)內(nèi)情況

目前國(guó)內(nèi)特殊螺紋接頭應(yīng)用最多的是接箍式結(jié)構(gòu)，一般每個(gè)螺紋連接由兩個(gè)外螺紋和一個(gè)內(nèi)螺紋連接組成。制造廠將工廠端的一對(duì)外螺紋和內(nèi)螺紋擰接好，現(xiàn)場(chǎng)端的一對(duì)螺紋連接需要在井場(chǎng)下井時(shí)再進(jìn)行螺紋擰接。特殊螺紋接頭的氣密封性能與密封面結(jié)構(gòu)擰接配合后的應(yīng)力狀況緊密相關(guān)，因此井場(chǎng)下井前現(xiàn)場(chǎng)端的螺紋擰接非常重要，扭矩過(guò)大或者太小都會(huì)造成氣密封性能下降甚至泄漏。為了保證每個(gè)特殊螺紋接頭在現(xiàn)場(chǎng)擰接后的氣密封性都能達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能，避免密封失效造成重大事故，國(guó)內(nèi)某油田從2008年開始要求高溫高壓井中采用的氣密封特殊螺紋接頭在下井過(guò)程中測(cè)試每一個(gè)螺紋接頭擰接后的氣密封性能。

在現(xiàn)場(chǎng)下井過(guò)程中進(jìn)行管柱氣密封檢測(cè)，可檢測(cè)油、套管管柱在下井過(guò)程中受拉狀態(tài)的氣密封能力，并能同時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)端和工廠端螺紋連接，保證螺紋接頭入井前的氣密封性能。氣密封檢測(cè)依據(jù)SY/T 6872—2012《套管和油管螺紋連接氣密封井口檢測(cè)系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)氣體為氮?dú)夂秃猓钚z漏值為1×10-8Pa·m3/s。

文獻(xiàn)［10］統(tǒng)計(jì)了2008—2012年西部某油田100口井接箍式氣密封性套管的氦氣檢測(cè)結(jié)果，共計(jì)8 188根套管，3種國(guó)產(chǎn)氣密封螺紋類型，具體結(jié)果見表3。

表2　美國(guó)Loomis公司統(tǒng)計(jì)的油管柱泄漏情況

表3　國(guó)內(nèi)某油田的套管氣密封檢測(cè)結(jié)果

筆者對(duì)2008—2014年國(guó)內(nèi)某油田的143口井，共計(jì)6種螺紋類型的74 899根接箍式油管的氣密封性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體見表4。6種螺紋類型為目前油管氣密封特殊螺紋接頭用量最大的螺紋類型，密封結(jié)構(gòu)為單級(jí)金屬密封結(jié)構(gòu)。這些螺紋類型都通過(guò)了API RP 5C5—1999《油套管螺紋連結(jié)性能評(píng)價(jià)方法》及SY/T 6128—1995《套管、油管螺紋接頭性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)物評(píng)價(jià)測(cè)試試驗(yàn)，螺紋參數(shù)檢驗(yàn)在井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)全部復(fù)檢合格，但在實(shí)際下井應(yīng)用中普遍都存在泄漏現(xiàn)象。

表4　2008—2014年國(guó)內(nèi)某油田的油管氣密封檢測(cè)結(jié)果

2.2生產(chǎn)套管套壓異常

生產(chǎn)套管柱的套壓異常，長(zhǎng)時(shí)間的高壓易導(dǎo)致套管柱失效，造成氣體泄漏，為安全生產(chǎn)埋下重大隱患。文獻(xiàn)［11］統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)西部某油田投產(chǎn)1～2年不同區(qū)塊94口氣井的套管套壓情況。其中，生產(chǎn)井套管起壓比率高，有的區(qū)塊高達(dá)94.7%，有50%的氣井套管環(huán)空壓力高于油管壓力值的50%。國(guó)內(nèi)西部某油田高溫高壓井生產(chǎn)套管套壓異常統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1　國(guó)內(nèi)西部某油田高溫高壓井生產(chǎn)套管套壓異常統(tǒng)計(jì)

3　高溫高壓井螺紋接頭選用及測(cè)試評(píng)價(jià)

高溫高壓環(huán)境會(huì)使油井在整個(gè)壽命周期內(nèi)面臨一系列的技術(shù)難題。發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新的高溫高壓油氣藏可能會(huì)遇到一系列的困難，因?yàn)橛蜌忾_采者通常需要應(yīng)對(duì)惡劣的井底環(huán)境。為了滿足苛刻工況的需要，各個(gè)油井管制造企業(yè)開發(fā)了適合不同工況使用的特殊螺紋接頭。為了驗(yàn)證這些特殊螺紋接頭的適用性能，需要進(jìn)行全尺寸實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)，并依據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果繪制載荷包絡(luò)線。

生產(chǎn)套管、油管管柱承受高壓，而螺紋接頭是承受高壓載荷的高風(fēng)險(xiǎn)、最薄弱環(huán)節(jié)的部件。在油氣井的生產(chǎn)管柱中大約每12 m就有一對(duì)螺紋接頭，每一串高壓管柱中有500～600個(gè)螺紋接頭［12］。實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)可以驗(yàn)證螺紋接頭的性能是否可以達(dá)到螺紋接頭制造廠提供的接頭性能。如果接頭的性能與管體等強(qiáng)，鉆井設(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)管體的性能設(shè)計(jì)管柱；如果接頭性能低于管體，需要根據(jù)接頭性能進(jìn)行管柱設(shè)計(jì)。鉆井設(shè)計(jì)工程師應(yīng)考慮實(shí)際工況載荷，計(jì)算載荷的不確定安全設(shè)計(jì)系數(shù)，接頭測(cè)試的載荷包絡(luò)線應(yīng)確保測(cè)試載荷包絡(luò)線高于工況載荷、壓力、成倍的設(shè)計(jì)系數(shù)。對(duì)于高溫高壓井用特殊螺紋接頭，一般要求接頭的拉伸、壓縮、外壓、內(nèi)壓效率與管體相同。

目前，油井管螺紋接頭測(cè)試主要依據(jù)ISO 13679∶2002《石油天然氣工業(yè)套管和油管接頭測(cè)試評(píng)價(jià)程序》［13］。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)分為4個(gè)等級(jí)，用戶可根據(jù)特定的服役條件確定接頭的適用等級(jí)。

（1）接頭級(jí)別Ⅳ（8個(gè)試樣）：適用于最苛刻的環(huán)境，適用于氣井生產(chǎn)和注采用的油管、套管。用氣體做試驗(yàn)壓力介質(zhì)。

（2）接頭級(jí)別Ⅲ（6個(gè)試樣）：適用于苛刻的環(huán)境，適用于油、氣井生產(chǎn)和注采用的油管、套管。用氣體做試驗(yàn)壓力介質(zhì)。

（3）接頭級(jí)別Ⅱ（4個(gè)試樣）：適用于較不苛刻的環(huán)境，適用于油、氣井生產(chǎn)和注采并承受有限外壓的油管、套管及技術(shù)套管。用氣體做試驗(yàn)壓力介質(zhì)。

（4）接頭級(jí)別Ⅰ（3個(gè)試樣）：適用于最不苛刻的環(huán)境，適用于油井的油管和套管。用液體做試驗(yàn)壓力介質(zhì)。

目前，實(shí)物試驗(yàn)測(cè)試的復(fù)合載荷包括四個(gè)象限的VME等效應(yīng)力（內(nèi)壓/外壓、拉伸/壓縮）加彎曲的包絡(luò)線試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)和極限載荷破壞試驗(yàn)。ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)提供了測(cè)試接頭試驗(yàn)的等級(jí)，載荷包絡(luò)線主要根據(jù)管體的規(guī)格、壁厚、鋼級(jí)及螺紋接頭的性能、測(cè)試試驗(yàn)等級(jí)來(lái)確定測(cè)試壓力、軸向載荷、溫度等。

由于ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)苛刻工況與不苛刻工況沒有明確的劃分，因此用戶在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)選用試驗(yàn)級(jí)別有一定的困惑，而油田用戶和制造廠商又存在一定的分歧。對(duì)于如何選用高溫高壓井螺紋接頭試驗(yàn)等級(jí)問(wèn)題，可以參考國(guó)外相關(guān)油田公司的成熟經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)具體井的實(shí)際工況參數(shù)、用途及失效造成的影響綜合進(jìn)行選擇。

4　國(guó)外螺紋接頭選用經(jīng)驗(yàn)及泄漏分析

4.1加強(qiáng)高溫高壓井的實(shí)物評(píng)價(jià)試驗(yàn)程序

殼牌公司在高溫高壓井的開發(fā)中積累了很成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。殼牌公司的螺紋接頭評(píng)價(jià)程序主要采用ISO 13679∶2002和補(bǔ)充試驗(yàn)程序。

4.1.1試驗(yàn)等級(jí)的選用

（1）IV級(jí)試驗(yàn)等級(jí)用于壓差ΔP∧82.74 MPa的一級(jí)屏障壓力管柱。

（2）III級(jí)試驗(yàn)等級(jí)用于壓差ΔP在55.16～82.74 MPa的一級(jí)屏障壓力管柱。

（3）IV級(jí)試驗(yàn)等級(jí)用于壓差ΔP∧103.42 MPa的二級(jí)屏障壓力管柱。

（4）III級(jí)試驗(yàn)等級(jí)用于壓差ΔP在82.74～ 103.42 MPa的二級(jí)屏障壓力管柱。

由文獻(xiàn)［14］可知，在油氣井的使用壽命內(nèi)確保井筒完整性需要2個(gè)獨(dú)立的井身屏障，以阻止油氣以非常規(guī)方式從產(chǎn)層泄漏到地表。第一級(jí)屏障包括泥漿柱、封隔器、油管、尾管和井下安全閥等，第二級(jí)屏障包括技術(shù)套管、井口、采油樹等。確保井筒完整性的典型井身屏障如圖2所示。套管和油管被認(rèn)為是井身屏障的組成元素，因此完井后的一級(jí)壓力屏障管柱包括封隔器、油管、尾管和井下安全閥，二級(jí)壓力屏障管柱包括技術(shù)套管、井口、采油樹等。

4.1.2補(bǔ)充試驗(yàn)程序

殼牌公司在高溫高壓井螺紋接頭評(píng)價(jià)試驗(yàn)中增加了以下補(bǔ)充試驗(yàn)程序，試驗(yàn)條件應(yīng)根據(jù)特定井的載荷和壓力確定。

（1）每個(gè)接頭需要進(jìn)行螺紋和密封極限公差組合的最差配合工況的螺紋擰接與卸載試驗(yàn)，以驗(yàn)證其螺紋黏結(jié)敏感性。

（2）有彈性密封環(huán)的螺紋接頭，需要根據(jù)ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)對(duì)第9根試樣進(jìn)行補(bǔ)充螺紋擰接與卸載試驗(yàn)，確保沒有一點(diǎn)螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。螺紋接頭公差配合為：螺紋高過(guò)盈+密封高過(guò)盈+最小體積密封環(huán)+外螺紋最陡錐度/內(nèi)螺紋最緩錐度，螺紋低過(guò)盈+密封高過(guò)盈+最小體積密封環(huán)+外螺紋最緩錐度/內(nèi)螺紋最陡錐度。

圖2　確保井筒完整性的典型井身屏障示意

（3）外壓用氣體介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。

（4）對(duì)于海洋井應(yīng)用工況，重復(fù)完成最終的C系循環(huán)試驗(yàn)（拉伸和內(nèi)壓條件下的熱循環(huán)試驗(yàn)），試驗(yàn)溫度為4.4℃。

（5）B系試驗(yàn)（第I和第II象限的載荷包絡(luò)線試驗(yàn)）在實(shí)際使用的工況溫度下進(jìn)行。

（6）外壓試驗(yàn)應(yīng)在接箍上開小孔，外壓載荷直接加載在金屬密封面上。

（7）在測(cè)試金屬密封試驗(yàn)的加載載荷時(shí)，應(yīng)根據(jù)管體實(shí)際內(nèi)徑來(lái)計(jì)算管端封堵端部效應(yīng)產(chǎn)生的載荷。為了避免接頭載荷過(guò)載，殼牌勘探開發(fā)公司使用接箍扭矩臺(tái)肩頂點(diǎn)的最大內(nèi)徑來(lái)計(jì)算內(nèi)壓載荷作用的端部載荷有效面積。這樣計(jì)算的原因是，過(guò)高的軸向載荷作用時(shí)接箍和外螺紋的扭矩臺(tái)肩是分離的。當(dāng)測(cè)試彈性密封計(jì)算試驗(yàn)載荷，由于泄漏檢測(cè)孔在接箍上，在計(jì)算中使用接箍螺紋減少槽的直徑。

在螺紋接頭測(cè)試過(guò)程中，尤其是高溫高壓井工況中使用，殼牌公司會(huì)實(shí)行全程的項(xiàng)目管理和監(jiān)督試驗(yàn)。所有的試驗(yàn)工作都依據(jù)ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)，并以ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)制定螺紋接頭測(cè)試質(zhì)量計(jì)劃。

4.2使用雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭

殼牌勘探開發(fā)公司在高溫高壓井用管柱內(nèi)壓壓差大于55.16 MPa時(shí)，選用2個(gè)獨(dú)立的通過(guò)了測(cè)試試驗(yàn)的具有密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭。殼牌公司其他特殊工況的區(qū)塊也使用雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)的螺紋接頭。自1981年以來(lái)，隨著油井開發(fā)壓力的逐漸增大，殼牌勘探開發(fā)公司在高溫高壓井中開始使用雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭，即金屬密封和彈性密封組成的雙級(jí)密封接頭。補(bǔ)充試驗(yàn)方案要求對(duì)螺紋接頭的每一個(gè)密封結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)密封結(jié)構(gòu)都需要獨(dú)立通過(guò)苛刻的試驗(yàn)程序檢測(cè)。由文獻(xiàn)［15］可知，在過(guò)去的20年里，殼牌勘探開發(fā)公司在高溫高壓井中已經(jīng)成功地應(yīng)用了1 700萬(wàn)個(gè)特殊螺紋接頭，僅有4個(gè)螺紋接頭失效，失效發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)旋合擰接過(guò)程中。

國(guó)外文獻(xiàn)也有較多對(duì)高溫高壓井接頭選用的介紹。文獻(xiàn)［16］介紹了關(guān)于氣密封螺紋接頭的密封性能，大多數(shù)的高溫高壓井用氣密封特殊螺紋接頭至少選用一個(gè)徑向的金屬密封，一部分選用多重的金屬密封結(jié)構(gòu)，還有選擇彈性密封作為輔助密封和金屬主密封進(jìn)行復(fù)合的雙重密封結(jié)構(gòu)。在高溫高壓鉆井及完井中使用的特殊螺紋接頭，其徑向的金屬過(guò)盈密封是克服高壓流體通過(guò)屏障的最主要組成部分。4.2.1雙重金屬密封結(jié)構(gòu)

對(duì)于雙重金屬密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭，其金屬密封面之間的過(guò)盈配合接觸壓力能夠有效、可靠地阻止氣體介質(zhì)通過(guò)。密封接觸壓力能量存在于螺紋接頭旋轉(zhuǎn)擰接后產(chǎn)生的徑向過(guò)盈中，決定了接頭在氣井使用中的氣密封性能。這種接觸壓力必須考慮到螺紋旋合擰接過(guò)程中可能存在的金屬密封面黏結(jié)的影響。密封面的接觸壓力越高，金屬?gòu)较蜻^(guò)盈量就越大，從而增加了密封面黏結(jié)的敏感性，特別是在酸性環(huán)境中使用的抗腐蝕合金材料。對(duì)于雙重密封結(jié)構(gòu)的機(jī)械過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)，其密封面接觸壓力的真實(shí)作用是克服管柱中流體介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓或外壓壓力。這就是很多特殊螺紋結(jié)構(gòu)在鋼管鼻端設(shè)計(jì)內(nèi)密封結(jié)構(gòu)抵抗鋼管內(nèi)部的壓力，在接箍端面設(shè)計(jì)一個(gè)外密封結(jié)構(gòu)克服外部壓力的真正原因。很多接箍式特殊螺紋接頭也設(shè)計(jì)有兩個(gè)金屬密封結(jié)構(gòu)，其位置接近接箍端面或者在螺紋中間，用于阻止外部高壓流體介質(zhì)的通過(guò)。法國(guó)VAM公司的Ф273.05mm×24.52 mm VM100SS VAM HP SC80特殊螺紋接頭已在北海成功應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它是一個(gè)雙重金屬密封結(jié)構(gòu)，第二級(jí)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在連接螺紋的中間部位。

圖3　Ф273.05 mm×24.52 mm VM100SS VAM HP SC80雙重金屬密封結(jié)構(gòu)的接箍式特殊螺紋接頭

4.2.2金屬密封和彈性密封的復(fù)合雙重密封結(jié)構(gòu)

為了增加金屬?gòu)较蛎芊獾目煽啃裕械膹S家設(shè)計(jì)了彈性密封結(jié)構(gòu)作為金屬密封結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充。金屬密封和彈性密封復(fù)合雙重密封結(jié)構(gòu)的接箍式特殊螺紋接頭如圖4所示。彈性密封圈通常被放置在接箍的一個(gè)內(nèi)凹槽中，彈性密封圈的材質(zhì)為添加了玻璃纖維改良的聚四氟乙烯。使用彈性密封結(jié)構(gòu)時(shí)，必須全面考慮接頭應(yīng)力分布的合理性；不僅要考慮彈性密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，還要綜合分析彈性密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力大小對(duì)接頭整體應(yīng)力的影響，不能過(guò)多地減小金屬?gòu)较蛎芊饨Y(jié)構(gòu)的接觸壓力。需注意的是：對(duì)于金屬密封和彈性密封復(fù)合的雙重密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭，應(yīng)單獨(dú)測(cè)試其每個(gè)密封結(jié)構(gòu)的密封性能而不是整體進(jìn)行，具體參考ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)的附錄J。這一點(diǎn)能夠確保彈性密封結(jié)構(gòu)真正起到金屬密封的輔助補(bǔ)充密封作用。VAM PRO RS是一種典型的金屬密封和彈性密封復(fù)合雙重密封結(jié)構(gòu)特殊螺紋接頭，外螺紋鼻端對(duì)頂特殊螺紋接頭如圖5所示。文獻(xiàn)［16］指出，Ф202.44 mm× 28.52 mm P110鋼級(jí)VAM PRO RS特殊螺紋接頭的彈性密封最高壓力為170 MPa，最高溫度為218℃。Ф202.44 mm×28.52 mm P110鋼級(jí)VAM PRO RS外螺紋鼻端對(duì)頂特殊螺紋接頭形貌如圖6所示，接頭測(cè)試試驗(yàn)性能見表5。

圖4　金屬密封和彈性密封復(fù)合雙重密封結(jié)構(gòu)的接箍式特殊螺紋接頭示意

圖5　VAM PRO RS外螺紋鼻端對(duì)頂特殊螺紋接頭示意

圖6　Ф202.44 mm×28.52 mm P110鋼級(jí)VAM PRO RS外螺紋鼻端對(duì)頂特殊螺紋接頭形貌

表5　Ф202.44 mm×28.52mm P110鋼級(jí)VAM PRO RS接頭測(cè)試試驗(yàn)性能

聚四氟乙烯彈性密封材料具有一系列優(yōu)良的使用性能：耐高溫（200～260℃）環(huán)境長(zhǎng)期使用，耐低溫（在-100℃時(shí)仍柔軟）；耐腐蝕，耐王水和一切有機(jī)溶劑；耐氣候，在塑料中具有最佳的老化壽命；高潤(rùn)滑，在塑料中的摩擦因數(shù)（0.04）最小；不黏性，在固體材料中的表面張力最小，不黏附任何物質(zhì)。聚四氟乙烯材質(zhì)的彈性密封圈具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、抗老化耐力，能在-180～250℃溫度下長(zhǎng)期工作。油井管用彈性密封圈的材質(zhì)為添加玻璃纖維的聚四氟乙烯，增加了硬度，提高了彈性密封面之間的接觸壓力。在油套管螺紋接頭中，應(yīng)用彈性密封圈較多的接頭有日本川崎制鐵公司的FOX RS彈性密封特殊螺紋接頭，其接箍形貌如圖7所示；美國(guó)格蘭特公司的Grant Prideco FL-4S、RTS-6、TC-4S等接頭也都采用了管端金屬-金屬密封結(jié)構(gòu)和彈性密封相結(jié)合雙重密封結(jié)構(gòu)，TC-4S特殊接頭螺紋結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7　日本川崎制鐵公司FOX RS彈性密封特殊螺紋接頭接箍形貌

圖8　格蘭特公司Prideco TC-4S特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)示意

4.3泄漏原因分析

從文中及文獻(xiàn)［5-9］統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出：國(guó)內(nèi)外高溫高壓井的套壓異常及管柱泄漏現(xiàn)象普遍存在，這也是開發(fā)高溫高壓井面臨的挑戰(zhàn)。殼牌公司在開發(fā)高溫高壓井方面積累了成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其失效的概率非常低，因此可以借鑒其相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。殼牌公司在內(nèi)壓壓差ΔP∧55.16 MPa時(shí)，選用兩個(gè)獨(dú)立的、已通過(guò)密封測(cè)試試驗(yàn)的特殊螺紋接頭，在高溫高壓井中選用金屬密封和彈性密封復(fù)合的雙重密封結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用效果非常好。英國(guó)北海區(qū)塊的高壓高壓井中也成功應(yīng)用VAM HP雙重金屬密封結(jié)構(gòu)。金屬密封和彈性密封復(fù)合的雙重密封結(jié)構(gòu)，如法國(guó)VAM公司的Ф202.44 mm×28.52 mm P110鋼級(jí)VAM PRO RS接頭，其單獨(dú)測(cè)試的彈性密封和金屬密封的氣密封性能非常好，適用于高溫、高壓井的苛刻工況。

在高壓氣井中，管柱泄漏概率顯著增大的原因是：高壓管柱由大量的螺紋接頭相互連接組成，每對(duì)螺紋接頭連接里每個(gè)螺紋連接都存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，一旦有螺紋出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，整個(gè)管柱的抗泄漏壓力屏障將不能滿足整個(gè)管柱所需的密封功能要求，從而造成管柱泄漏。為了控制和降低整個(gè)管柱泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，必須降低每個(gè)螺紋泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

殼牌公司在高溫高壓井中使用兩個(gè)獨(dú)立的、已通過(guò)密封測(cè)試試驗(yàn)的特殊螺紋結(jié)構(gòu)，其每個(gè)密封結(jié)構(gòu)失效的概率很低。由于油套管應(yīng)用工況中經(jīng)常有腐蝕介質(zhì)，鑒于金屬表面存在潛在的腐蝕，殼牌勘探開發(fā)公司在其所有的高壓井中使用兩種不同類型的螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)，即金屬密封和彈性密封相結(jié)合的雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)。這種將兩個(gè)相互獨(dú)立、但都必須獨(dú)立通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的復(fù)合密封結(jié)構(gòu)（金屬密封和彈性密封）特殊螺紋接頭，其失效概率是每個(gè)獨(dú)立密封結(jié)構(gòu)螺紋接頭泄漏概率的平方，大大降低了接頭的失效概率。

目前，國(guó)內(nèi)的高溫高壓氣井普遍選用單級(jí)金屬密封結(jié)構(gòu)特殊螺紋接頭，存在油管柱泄漏概率高，環(huán)空帶壓比例高的情況。其泄漏概率高的可能原因是：

（1）在由500個(gè)螺紋接頭組成的管柱中，只有一小部分螺紋接頭可能承受極其苛刻的壓力、軸向載荷、彎曲等復(fù)合載荷組合，它們的服役條件比較苛刻，因此泄漏的風(fēng)險(xiǎn)較高。

（2）對(duì)于一個(gè)單級(jí)密封結(jié)構(gòu)的螺紋接頭，不管其測(cè)試試驗(yàn)的結(jié)果多么好，檢驗(yàn)和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)處理得多么好，也不可能比兩個(gè)獨(dú)立的高性能雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)具有更低的泄漏概率。在雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭中，第二級(jí)密封屏障能夠起到輔助密封，保證第一級(jí)密封失效后的密封可靠性，提高整個(gè)管柱的氣密封性能及安全可靠性。

在高溫高壓井時(shí)，殼牌公司優(yōu)先選用雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)，即金屬密封和彈性密封復(fù)合的雙級(jí)密封特殊螺紋接頭，并加強(qiáng)實(shí)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)程序，實(shí)施全程的過(guò)程監(jiān)督等方法，取得了成功應(yīng)用。采用通過(guò)獨(dú)立測(cè)試試驗(yàn)的雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)螺紋接頭，其失效概率可以降低到與管體失效概率相同的水平。與單級(jí)密封結(jié)構(gòu)特殊螺紋接頭的管材相比，雖然進(jìn)行性能測(cè)試評(píng)價(jià)試驗(yàn)的雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)螺紋接頭管材的價(jià)格高一點(diǎn)，但是增加的成本與一口井失效后的處理成本相比而言是相當(dāng)?shù)奈⑸伲貏e是在高溫高壓井中。因此，選擇高溫高壓井用特殊螺紋接頭應(yīng)綜合考慮特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)類型、價(jià)格、安全可靠性及失效后的風(fēng)險(xiǎn)。

5　結(jié)　語(yǔ)

高溫高壓井對(duì)特殊螺紋接頭提出更高的要求，螺紋接頭制造廠不僅應(yīng)重視前期規(guī)劃階段準(zhǔn)備工作、螺紋接頭設(shè)計(jì)、質(zhì)量保證程序，并且要貫穿于產(chǎn)品加工、運(yùn)輸及到井場(chǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。高溫高壓井用螺紋接頭需要進(jìn)行全面的實(shí)物測(cè)試評(píng)價(jià)試驗(yàn)，以證明其具有較高的可靠性和適用性。應(yīng)根據(jù)使用工況接頭測(cè)試試驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)級(jí)別，依據(jù)ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)制定補(bǔ)充試驗(yàn)評(píng)價(jià)程序，提供可靠的載荷包絡(luò)線試驗(yàn)。在高溫高壓井用特殊螺紋接頭的選用和評(píng)價(jià)方面，殼牌公司有以下經(jīng)驗(yàn)值得借鑒：

（1）通過(guò)IV級(jí)試驗(yàn)等級(jí)的高溫高壓井用管柱接頭用于壓差ΔP∧82.74 MPa的一級(jí)屏障壓力管柱，III級(jí)試驗(yàn)等級(jí)用于55.16 MPa∧ΔP∧82.74 MPa的一級(jí)屏障壓力管柱。

（2）應(yīng)根據(jù)特定高溫高壓井的載荷和壓力，確定高溫高壓井螺紋接頭評(píng)價(jià)試驗(yàn)中需要增加補(bǔ)充試驗(yàn)的程序。

（3）高溫高壓井中管柱內(nèi)壓壓差ΔP∧55.16 MPa時(shí)，選用兩個(gè)獨(dú)立的通過(guò)了測(cè)試試驗(yàn)的具有密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭。

（4）通過(guò)單獨(dú)對(duì)雙級(jí)密封的螺紋接頭的每個(gè)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)試驗(yàn)，可以大大降低整個(gè)管柱的泄漏概率。

（5）通過(guò)獨(dú)立測(cè)試的雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭將比單個(gè)密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭更少受質(zhì)量保證、質(zhì)量控制、運(yùn)輸環(huán)節(jié)失誤的影響。

（6）雖然購(gòu)買雙級(jí)密封結(jié)構(gòu)的螺紋接頭管材的價(jià)格略高一點(diǎn)，但是這些增加的成本，與一口井失效后控制處理或井噴處理成本相比是相當(dāng)?shù)奈⑸伲绕涫窃诟邷馗邏嚎量痰臍饩小?/p>

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Selection of Premium Connection as Used in HPHT Well and Relevant Evaluation Test Methods

WANG Shuanglai1，PENG Na2，LIU Bo3
（1. Xi’an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China；2. Xi’an Energy-saving Technical Service Center，Xi’an 710021，China；3. Pancheng Yihong Pipe Co.，Ltd.，Chengdu 610301，China）

Abstract：Described in the paper are the category of the HPHT oil/gas wells，and the problems as currently staying with exploitation of such wells. Also discussed are selection and evaluation testing of the premium connections as used in the said wells. Elaborated here are the experience of SHELL in successful application of such evaluation testing. The analysis leads to the conclusion as follows. Overall physical evaluation testing should be conducted to the premium connections for HPHT wells to prove their rather high reliability and suitability；Based on the actual service conditions，proper connection testing class should be chosen，and relevant supplementary test evaluation procedures should be made as per ISO 13679∶2002；and furthermore，SHELL’s experience in selection of premium connections for HPHT wells should be used for reference，i.e.，using the premium connection with 2-step seal structure.

Key words：HPHT oil/gas well；premium connection；selection；evaluation testing；2-step seal structure

收稿日期：（2015-07-08；修定日期：2015-09-01）

中圖分類號(hào)：TG62；TE921+.2搖

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B搖

文章編號(hào)：1001-2311（2016）01-0064-08