交變拉伸載荷下油管絲扣密封性能研究*

于法浩， 于振寧， 魏 婷， 劉 召， 王 越

（1. 中海石油（中國） 有限公司天津分公司， 天津300459；2. 渤海裝備華油鋼管公司， 河北 青縣062658；3. 中國石油集團東方地球物理探勘有限公司， 河北 涿州 072759）

0 前 言

水驅或氣驅是國內外油田提高采收率的重要手段， 井下管柱是高壓水、 氣等介質注入地層的流動通道。 為了保證注水或注氣驅油技術的安全有效， 防止高壓水、 氣等流體泄漏對井筒或地面環境的危害， 井下管柱需具有良好的密封性能。井下服役環境中， 注入管柱受自重、 高壓等影響， 會長期承受較大的拉伸載荷作用， 尤其是在多次間斷停注等工況下， 管柱會承受交變拉伸載荷， 如此復雜的井況及工況條件對油管的密封性能帶來了嚴峻的挑戰[1-3]。 井下各根油管通過絲扣連接， 絲扣與油管相比密封性能較薄弱， 因此注入井井下管柱的密封性能由油管絲扣決定[4-6]。 筆者以油田注入井常用的油管平扣、 BGT 扣及FOX扣為研究對象， 通過搭建交變拉伸載荷作用下油管絲扣密封性能試驗平臺， 模擬了不同拉伸載荷及交變載荷條件下3 種扣型油管的密封性能， 為注入井油管的合理選型提供依據。

1 油管絲扣密封機理

油田應用的油管扣型分為兩大類： 一是API扣， 即按照API 標準進行生產、 檢驗； 另一種是非API 扣， 即特殊扣[7-9]。 由于結構差異， 兩類扣型的密封機理有較大不同。 不同類型油管絲扣的結構如圖1 所示。

API 扣型主要包括圓形扣 （見圖1 （a）） 和偏梯形扣 （見圖1 （b））， 其密封形式主要體現在兩個方面[8]， 即密封脂以及螺紋牙齒過盈配合產生的接觸壓力。 受制于自身結構， API 螺紋的嚙合存在一定的間隙， 這些間隙成為潛在的泄漏通道。 圓螺紋主要在嚙合螺紋的齒頂和齒底之間形成螺旋形通道， 偏梯形螺紋主要在嚙合螺紋的導向面之間以及螺紋的齒頂和齒底之間存在螺旋形通道。 這些間隙可通過提高上扣扭矩及增大螺紋牙之間的接觸壓力進行一定的改善， 但會加劇不同位置螺紋間的應力集中， 易導致粘扣現象發生， 甚至造成扣損壞。

圖1 不同類型油管絲扣的結構示意圖

BGT 扣是一種特殊結構的扣， 由寶山鋼鐵股份有限公司開發[11]。 BGT 特殊螺紋由3 部分組成： 一是密封部分， 采用圓錐 （圓柱） 與圓錐面+圓弧過渡曲面與圓弧曲面密封， 具有氣密封能力； 二是扭矩臺肩， 采用-15°的外逆向扭矩臺肩形式， 具備抗扭矩和抗泄漏的雙重功能； 三是連接螺紋， 采用改進的偏梯形螺紋形式， 每英寸（25.4 mm） 8 牙， 內螺紋表面鍍銅， 外螺紋表面未做任何處理， 其抗滑脫強度高于API 標準要求， 并達到等同于管體的強度。

FOX 扣也是一種特殊結構扣， 由日本川崎公司開發[12]。 FOX 特殊螺紋接頭是在API 偏梯形螺紋的基礎上設計而成的， 其牙型與API 偏梯形螺紋一致， 錐度同樣是1∶16， 其最大特點是對接頭連接螺紋采取了變螺距的方法， 在全螺紋上分段采用3 種不同螺距， 其中螺距1 為標準螺距5.08 mm （0.200 in）， 前端螺距2 小于螺距1，螺距3 大于螺距1， 使螺紋旋合時越擰越緊。 密封采用球面/球面密封， 使接頭上的載荷分布更加合理， 具有較好的氣密封性能。

2 交變拉伸載荷下油管絲扣密封性能試驗

以73.025 mm （2-7/8in） J55 平扣、 J55 BGT扣及JFE-13Cr80 FOX 扣型的油管為研究對象，在室內搭建油管絲扣密封性能試驗平臺， 模擬井下工況。 同時合理選擇配套試驗設備， 制定針對性的試驗步驟， 分別開展了10 t、 20 t、 30 t、 40 t和50 t 五種交變拉伸載荷下的油管絲扣密封性能測試[13-15]。

2.1 試驗設備及試樣加工

2.1.1 試驗設備

交變拉伸載荷下油管絲扣密封性能試驗平臺應包括高壓氣體注入流程裝置、 交變拉伸載荷施加流程裝置以及載荷及氣壓測試裝置。 按照以上要求， 搭建的試驗設備如圖2 所示。

為了保證試驗在制定的流程下順利實施， 優選了試驗所需的氮氣氣瓶、 高壓活塞容器、 氣動增壓泵、 拉力機、 壓力傳感器等設備， 各設備的關鍵參數及作用見表1。

圖2 交變拉伸載荷下油管絲扣密封性能試驗設備示意圖

表1 油管絲扣密封性能試驗設備參數及功能

2.1.2 試樣設計加工

不同類型油管絲扣是試驗的研究對象。 由于設備內部空間有限， 實際下井用單根油管或油管柱無法放置， 因此需要對試驗用油管進行重新設計和加工。 結合試驗設備（拉力機、 增壓泵） 對油管結構的要求進行以下改進： ①設計油管試樣長度70 cm， 中間為帶有3 種扣型的接箍， 能夠順利放置在拉力機內部； ②試樣兩端焊接與拉力機拉伸裝置配套的圓柱形帶孔拉伸桿， 滿足拉力機向油管試樣施加載荷要求； ③試樣側面設計一個進氣孔， 使增壓泵向試樣內注氣。 試驗用拉力機拉伸裝置及加工的油管試樣照片如圖3 所示。

圖3 試驗用拉力機拉伸裝置及加工的油管試樣照片

2.2 試驗步驟

試驗時， 應首先開展無載荷下油管密封性能試驗， 確定油管密封性能。 在此基礎上， 對油管施加交變拉伸載荷， 獲取不同交變拉伸載荷下油管的密封性能。

2.2.1 無載荷條件下油管密封性能測試步驟

（1） 將油管試樣 （平扣、 BGT 扣、 FOX 扣油管試樣） 分別放置于水槽中， 連接好油管試樣、 壓力傳感器以及高壓活塞容器。

（2） 通過高壓活塞容器不斷向油管試樣中充入高壓氣體直至有氣泡冒出， 并繼續升高壓力至3 MPa 以上。

（3） 設置1 h 為時間間隔， 記錄24 h 內壓力表的數值。 若在24 h 內觀測到壓力明顯降低到某一值后保持穩定， 則該壓力用來表征該條件下油管絲扣的密封性能。

2.2.2 交變拉伸載荷下油管密封性能測試步驟

（1） 將油管試樣放置在拉力機上， 用銷子將試樣固定好。

（2） 啟動拉力機， 向油管試樣施加軸向拉力， 并通過高壓活塞容器向試樣中充入高壓氣體， 當試樣內壓力稍微超過無拉力條件下測得密封性能值時， 停止加壓。

（3） 設置1 h 為時間間隔， 記錄24 h 內壓力表的數值。 若在24 h 內觀測到壓力明顯降低至某一值后保持穩定， 則該壓力即為該條件下油管的密封性能； 若在24 h 內觀測到壓力無明顯降低， 則繼續加壓至3 MPa 以上， 然后停止加壓， 以1 h 為時間間隔， 記錄24 h 內壓力表的數值， 此過程不斷重復直至能觀測到在24 h 內油管內壓力明顯降低并保持穩定為止。

（4） 放掉試樣內的氣體， 撤銷拉力機的軸向拉力， 將試樣取出。

（5） 卸扣后重新上扣， 將試樣重新固定到拉力機上， 并施加相同的軸向拉力， 然后通過高壓活塞容器向試樣中充入高壓氣體， 當試樣內壓力稍微超過無拉力條件下測得的密封性能值時， 停止加壓。

（6） 重復上述步驟（3）。

（7） 重復上述步驟（4） ～ （6）， 直到完成5 次加、 卸載過程。

（8） 改變拉力機軸向拉力值， 重復上述步驟（1） ～ （7） 直至完成不同拉力、 不同加卸載次數條件下油管密封性能測試。

3 密封性能試驗結果分析

按照以上試驗步驟， 分別測試了3 種類型油管絲扣在無載荷及交變拉伸載荷條件下的密封性能。 每種扣型進行25 組試驗， 每組記錄測試壓力點25 個， 3 種扣型總計75 組， 記錄壓力點1 875 個， 得出不同拉力條件下交變載荷次數對平扣、 BGT 扣、 FOX 扣氣密封性能的影響規律。無載荷條件下3 種扣型油管密封性能如圖4 所示， 不同交變拉伸載荷下平扣、 BGT 扣、 FOX扣油管密封性能如圖5 所示。

圖4 無載荷條件下3 種扣型油管的密封性能

圖5 不同交變拉伸載荷下3 種扣型油管的密封性能

由圖5 可以看出， 對于3 種扣型的油管， 在施加相同的拉伸載荷下， 隨著載荷施加次數的增加油管的密封性能不斷降低； 拉伸載荷越大， 載荷施加次數對密封性能的影響越顯著， 油管的密封性能降低越明顯。

對于平扣油管， 分別施加10 t、 20 t、 30 t、40 t 和50 t 拉伸載荷5 次， 進行密封性能試驗。與無載荷時相比， 油管密封性能分別下降6.04%、 11.55%、 26.66%、 42.29%和60.98%。由此可見， 交變載荷對平扣油管密封性能的影響較為顯著， 這是由于平扣其自身螺紋存在缺陷， 上扣后螺紋應力分布不均勻， 存在嚴重的應力集中現象， 部分嚙合螺紋應力大于屈服強度， 產生粘扣甚至局部失效， 螺紋的泄漏抗力下降， 從而影響了螺紋的密封性。

對于BGT 扣油管， 施加10 t、 20 t、 30 t、40 t 和50 t 拉伸載荷5 次， 與無載荷時相比， 油管密封性能分別下降3.11%、 4.57%、 8.36%、13.33%和19.16%。 交變載荷對BGT 扣油管密封性能有一定的影響， 但由于BGT 扣油管金屬與金屬之間的主密封采用柱面、 球面密封結構形式， 并增加了扭矩臺肩的輔助密封， 使得在交變載荷和拉力作用下氣密封性能仍能保持較為理想的數值。

對于FOX 扣油管， 施加10 t、 20 t、 30 t、40 t 和50 t 拉伸載荷5 次， 與無載荷時相比， 油管密封性能分別下降2.5%、 3.72%、 6.05%、7.82%和9.3%。 交變載荷次數對FOX 扣油管密封性能影響較小， 這主要是由于FOX 扣油管采用了改進的API 偏梯形螺紋和球面對球面金屬密封， 該密封球面同時還起扭矩臺肩的作用， 提高了接頭的抗過扭矩緊螺紋能力。

在試驗模擬的最大拉伸載荷和交變載荷次數下， 平扣、 BGT 扣、 FOX 扣最終的密封性能分別為5.67 MPa、 32.69 MPa 和73.67 MPa。 平扣基本上無法滿足注入井的密封要求， BGT 扣及FOX 扣在交變載荷下能夠保持較高的密封性能，能夠滿足注入井的密封要求。

4 結 論

（1） 搭建了交變拉伸載荷下油管密封性能試驗平臺， 試驗測試得到了平扣、 BGT 扣、 FOX扣油管在不同拉伸載荷及交變載荷次數下密封性能的變化規律。 3 種扣型油管的密封性能為：FOX 扣>BGT 扣>平扣。

（2） 平扣、 BGT 扣及FOX 扣因自身密封機理不同， 交變拉伸載荷作用下密封性能的保留率差異也較大。 平扣無法滿足注入井的密封要求，而BGT 扣及FOX 扣能夠滿足。 對于注入井的注氣管柱， 平扣油管可組配在中部承受載荷較小的位置， BGT 扣和FOX 扣組配在井口附近。

（3） 注入井管柱在井下服役環境下， 除承受拉伸交變載荷外， 還承受壓縮、 彎曲、 溫度及內外壓等交變載荷作用， 多種交變載荷共同作用下油管密封性能研究是下一步需要開展的重點工作。