油套管用特殊螺紋連接密封完整性探討*

王建東，李玉飛，汪傳磊，陳禹含，朱達江，馬 力

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，陜西 西安710077；2.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都610051；3.林州鳳寶管業有限公司，河南 林州456550）

油套管標準接箍式氣密封特殊螺紋接頭具有很好的抗拉伸/內壓/外壓性能，以及高抗壓縮性能（壓縮效率60%～100%），廣泛應用于高溫高壓氣井、高內壓多段體積壓裂非常規頁巖氣/油開發以及儲氣庫注采管柱，ISO 13679《石油天然氣工業用套管及油管螺紋連接試驗程序》（即API RP 5C5《套管和油管接頭評價程序推薦作法》）是檢驗其性能是否優異的主要依據［1-7］。ISO 13679標準由國際石油公司共同起草，是在充分吸取油田生產過程中螺紋連接失效教訓的基礎上，結合不斷發展的鉆井和完井工藝需要制定的，是國內外石油公司檢驗復雜苛刻環境工況用油套管螺紋連接性能的首要標準。但是通過ISO 13679標準驗證評價的螺紋連接，在高溫高壓氣井工況使用時仍然有氣密封失效泄漏發生。本文通過分析ISO氣密封特殊螺紋檢驗標準，提出對高溫高壓氣井用氣密封特殊螺紋還需要進一步開展基于高溫材料應力松弛的密封時間效應驗證和評價分析，以進一步提高管柱的密封完整性。

1 研究方法

開展螺紋接頭的APIRP 5C5（2017版）標準CALⅣ四級密封完整性試驗，采用有限元計算方法分析螺紋密封性能變化規律。鑒于材料在高溫下會發生應力松弛，分析螺紋危險載荷點的密封性能隨時間變化的規律，確定螺紋的適用范圍，并提出補充試驗評價方法。

目前主要有兩種方法來評價氣密封特殊螺紋的性能。一是試驗評價方法，依據API RP 5C5（2017版）規定的密封準則氣體泄漏量來檢驗螺紋泄漏量，若15 min的氣體泄漏量≤0.9 cm3，則判定其密封性合格。雖然實物試驗具有檢測全面、真實有效的特點，但該試驗只能觀察接頭是否發生泄漏，不能了解其微觀受力。二是有限元計算分析方法能了解螺紋接頭的微觀受力，獲得沿密封面軸向的接觸壓力和接觸長度的分布規律，依據氣密封性能判據分析螺紋在載荷狀態下的密封性［8-12］。

目前，ISO/TR 10400∶2018《石油和天然氣工業套管、油管、鉆桿和管線管性能公式與計算》是判斷螺紋密封性能的主要標準，該標準提出螺紋接頭的最大接觸壓力應大于內壓，但沒有對密封準則泄漏速率作要求；文獻［13］基于小試樣試驗，提出接觸壓力占主導地位的氣密封性能判據，試驗研究中沒有考慮密封面直徑變化對密封性能的影響，不適用于油套管螺紋連接規格多樣化要求。

文獻［14］通過實物試驗形成了考慮密封直徑D、密封接觸壓力σ、泄漏速率Q和表面涂層、粗糙度多因素修正系數的氣密封判據，有限元分析密封能SC見公式（1），密封有效內/外壓所需的密封能SD見公式（2），密封能倍數SC/SD見公式（3），密封能倍數b≥1表明接頭具有密封性。

式中l——密封接觸長度，mm；

n——密封能加權指數，取1.95；

A——密封常數；

K——表面處理影響系數，取0.8；

m——表面粗糙度影響系數，取-0.033；

P——密封有效壓力，MPa。

1.1 API評價標準分析

氣密封特殊螺紋的密封完整性評價一直都是國際石油界關注的熱點和難點。中國石油塔里木油田公司高溫高壓氣井用油套管的氣密封失效分析表明，現用特殊螺紋接頭油套管通過了API RP 5C5（1996版）標準CALⅡ級+TGRC1+TGRC2試驗評價（SY/T 6128—1995《油套管螺紋連接性能評價方法》中的TGRC1和TGRC2試驗分別是85%VME內壓恒定試驗和外壓擠毀試驗，VME是指馮·米塞斯等效應力），但油田現場的多口井油管柱發生泄漏，套壓升高。有些井剛開始投產時，套管的壓力就出現異常上升情況。塔里木油田的DN2-8井，第一次下的完井管柱發生泄漏，套壓高達78.7 MPa。失效分析發現，DN2-8井所用的多根油管在接頭現場端和工廠端發生泄漏，說明該特殊螺紋接頭油管不適用于塔里木油田的工況。對DN2-8井所用油管進行模擬井況實物試驗，該特殊螺紋接頭油管全部通過了試驗。因此，最終投產后的油套管柱是否泄漏是檢驗評價試驗方案是否科學的唯一標準［15］。這說明基于工況載荷的模擬試驗評價是一種不考慮現場操作和井下載荷波動不確定性以及安全使用余量的試驗評價方法。API RP 5C5（1996版）針對氣密封特殊螺紋接頭的密封完整性檢測試驗評價只有封堵管端內壓和熱循環試驗、室溫下拉伸壓縮+內壓氣密封試驗，不符合井下油管柱設計三軸全包絡線校核。

國際石油公司與全球知名油套管生產制造企業共同成立了API WG2工作組，制定了氣密封螺紋連接檢測評價方法。2017年美國石油學會發布了API RP 5C5（2017版），采用實測材料屈服強度和幾何尺寸計算的等管體性能極限包絡線承載能力檢驗螺紋完整性，為管柱設計系數安全余量的確定提供了充分依據。該試驗評價方法已成為各石油公司選擇螺紋產品的首要標準。API全尺寸實物試驗評價標準發展見表1，通過對比分析API全尺寸實物試驗評價標準規定的最高評價等級可以反映檢測的苛刻程度。

由表1可知：①螺紋完整性試驗評價是伴隨油氣田生產勘探開發的需要而發展起來的，2000年以前世界石油勘探開發主要以油為主且多為低壓淺井，主要采用API標準螺紋油套管；2000年以后隨著深井、超深井及水平井等日益復雜苛刻工況和鉆井新工藝的發展，需要更高性能的螺紋接頭；②螺紋性能評價指標從單一結構完整性向密封完整性發展，也為井下管柱三軸設計校核提供依據；③試驗評價方法從單一滿足低壓恒載荷密封驗證向等管體密封性驗證以及滿足井下生產、高溫環境下螺紋密封完整性驗證評價發展。

表1 API全尺寸實物試驗評價標準發展

1.2 密封完整性的試驗研究

依據APIRP 5C5（2017版）評價Φ88.9 mm×6.45 mm 110SS油管的標準接箍式氣密封特殊螺紋。選取極限公差配合的1號試樣來檢驗螺紋密封面的密封完整性，對1號試樣進行A系包絡線試驗，1號試樣的螺紋高過盈、密封低過盈，外螺紋臺肩端面刻槽（破壞臺肩密封作用）。螺紋A端1次上扣，B端10次上扣9次卸扣，未發生螺紋黏結現象。A系包絡線試驗載荷譜見表2。螺紋密封完整性試驗評價結果如圖1（c）和圖2～3所示。由試驗結果可知，1號試樣經A系包絡線載荷溫度循環未發生螺紋泄漏和結構失效。

圖1 API全尺寸實物試驗評價方法

圖2 CAL四級A系室溫90%VME載荷循環試驗

圖3 CAL四級A系室溫95%VME載荷循環試驗

表2 A系包絡線試驗載荷譜

1.3 密封完整性的有限元分析

依據1號試樣實測螺紋參數和管體幾何尺寸以上扣扭矩對圈數曲線，進行有限元建模，采用軸對稱模型四邊形軸對稱單元CAXA4，軸對稱模型及載荷邊界條件如圖4所示。

圖4 軸對稱模型及載荷邊界條件

決定密封性能的主要因素是密封接觸壓力和密封接觸長度，通過密封判據分析可知螺紋在不同載荷狀態下的密封性。1號試樣在A系包絡線載荷循環時的密封能如圖5～8所示，在A系包絡線載荷2次循環的密封能降低量如圖9～10所示。圖6所示，載荷點13c的密封能SD為67 m·MPa1.95，載荷點22e的密封能SD為75 m·MPa1.95，數值接近。

圖5 1號試樣在高溫A系90%VME載荷循環時的密封能

圖6 1號試樣在A系13c～22e載荷溫度循環時的密封能

圖7 1號試樣在室溫A系90%VME載荷循環時的密封能

圖8 1號試樣在室溫A系95%VME載荷循環時的密封能

（1）結合圖1（c）、圖5和圖9可知，在高溫環境90%VME載荷包絡線第2次循環時，“拉伸+內壓”載荷點（12e～15e）密封能顯著降低，最大拉伸載荷點12e的密封能降低量最大（為75%），密封能倍數為4.3；隨著內壓的增加，載荷點13e的密封能降低量減少到50.3%，密封能倍數為4.8，相同拉伸載荷下，內壓增大，外螺紋密封脹大提高了接觸壓力，表明在“高拉伸+低內壓”工況下易發生泄漏，需要控制最大拉伸載荷。載荷點14e的密封能降低量為48%，密封能倍數4.8；最大內壓載荷點15e的密封能降低量為70%，且密封能倍數最小（僅為3.4）。這表明高內壓下降低拉伸載荷對密封沒有顯著影響，需要控制最大內壓載荷。

圖9 1號試樣在高溫A系90%VME載荷2次循環的密封能降低量

（2）結合圖2、圖7和圖10可知，在室溫環境90%VME載荷包絡線第2次循環時，密封能降低量均小于16.4%。“拉伸+內壓”載荷點15a的密封能降低量最大（為14.1%），密封能倍數為3.5；“拉伸+外壓”載荷點25a的密封能降低量最大（為16.4%），密封能倍數為1.38；載荷點26a的密封能倍數為0.66，存在外壓泄漏的可能性，需要控制拉伸載荷使用范圍；載荷點24a的密封能倍數為2.4。由此可知，1號試樣在軸向壓縮狀態具有更好的外壓密封性。

圖10 1號試樣在室溫A系包絡線載荷2次循環的密封能降低量

（3）結合圖3、圖8和圖10可知，室溫環境95%VME載荷包絡線第2次循環時，“拉伸+內壓”載荷點12a的密封能降低量最大（為77.5%），密封能倍數為3.8；“拉伸+外壓”載荷點25a和26a的密封能降低量分別為40%和51%，密封能倍數分別是0.60和0.11，存在外壓泄漏的可能。外壓試驗時（介質液壓油）未發生泄漏，其主要原因是采用“氣密封泄漏量”作為密封判據時需要更大的密封能SC。因此，通過密封能分析可以判定載荷點25a和26a是危險載荷點。

（4）從圖6可以看出，載荷點13c（室溫）～22e（高溫）的5次循環密封能無變化，載荷點13c密封能倍數為4.5，載荷點22e的密封能倍數為9.2。由此可知，氣密封螺紋連接在室溫90%VME“拉伸+內壓”和高溫90%VME“壓縮+外壓”工況下具有優異的密封性。

有限元分析結果表明，通過標準密封性試驗評價的氣密封特殊螺紋，在環境溫度和包絡線載荷循環狀態下，其密封能顯著降低，存在危險載荷點。因此，需要進一步研究危險載荷點密封性能隨時間的衰減規律，為油套管螺紋在井下的安全使用提供依據。

1.4 螺紋在高溫時的密封持久性分析

金屬材料在承載狀態下的總應變保持不變，但應力會隨時間的延長而逐漸降低，這種現象叫應力松弛。材料在高溫條件下會出現明顯的應力松弛現象。隨著時間的延長，一部分彈性變形轉變為塑性變形，即彈性應變不斷減小，所以材料中的應力相應地降低。蠕變與松弛在本質上差別不大，可以把松弛現象看作是應力不斷降低時的多級蠕變，但用蠕變數據來估算松弛數據還是很困難的。因為應力松弛表達了材料在不同初始應力狀態和一定溫度下經規定時間后的剩余應力。蠕變是在恒定應力狀態下材料的塑性應變不斷增加直至發生斷裂失效，不能反映應力的降低程度。因此，用蠕變分析密封接觸壓力的變化是不科學的。

對于采用金屬對金屬的氣密封特殊螺紋，決定密封的主要因素是密封接觸壓力和密封接觸長度。因此，材料在高溫條件下經應力松弛后的剩余接觸壓力是決定密封持久性的關鍵因素之一。筆者對110SS油管材料進行了高溫應力松弛試驗，基于螺紋在載荷狀態下密封面的平均塑性應變，施加初始應力進行高溫下材料應力松弛試驗。經高溫180℃環境包絡線載荷2次循環有限元分析可知：90%VME最大內壓載荷點15e的密封能倍數最小，該載荷點是危險泄漏點。1號試樣在上扣和15e載荷點的等效塑性應變如圖11～12所示，平均塑性應變為2.26%。密封面的平均塑性應變是影響密封性能的重要因素；因此，對110SS油管材料進行180℃高溫環境下的應力松弛試驗，試驗結果如圖13所示，應力松弛擬合方程見公式（4）。

圖11 1號試樣在上扣時的等效塑性應變

圖12 1號試樣在15e載荷點的等效塑性應變

圖13 110SS油管材料在180℃高溫環境下的應力松弛試驗結果及擬合結果

110SS油管材料的應力松弛擬合方程是根據應力松弛試驗結果和Cowper-Symonds法則［16］擬合出來的。其中，σs為穩態強度，MPa；x和y為應力松弛常數；E為彈性模量，MPa；t為保持時間，min；σ0為初始應力，MPa。由公式（4）可確定110SS油管材料的應力松弛參數，具體見表3。

表3 110SS油管材料的應力松弛參數

由圖13可知，110SS油管的初始塑性應變越大，初始階段速率變化越顯著，初始塑性應變3.0%時，試驗30 min后的初始應力從803 MPa降到734 MPa，下降速率為2.3 MPa/min；初始塑性應變為0.7%時，試驗230 min后的初始應力從781 MPa降到545 MPa，下降速率為1.03 MPa/min，后期應力松弛趨于緩慢。因此，對于氣密封特殊螺紋密封設計，應控制密封面在載荷狀態下的塑性應變小于材料高溫屈服應變，使材料具有更大的應力松弛抗力和更低的松弛速率，提高密封穩定性。

基于110SS油管材料高溫應力松弛試驗結果擬合的應力松弛方程，采用有限元方法分析氣密封螺紋在高溫180℃載荷點15e的密封能隨時間變化規律，結果如圖14所示，變化分析見表4。分析可知，密封能在保載初期10 h變化最大（下降了16.0%），保載1個月后的降低量為22.0%，保載6個月后的降低量為22.4%，降低量隨保載時間的增加而緩慢變化；保載6個月后的氣密封螺紋密封能倍數為2.62，說明螺紋仍然具有密封性能。如果管柱三軸設計系數提高30%，可以抵消高溫環境長期載荷降低的密封性能。氣密封螺紋按照API RP 5C5（2017版）標準進行四級評價的保載時長238 h是指在室溫和高溫環境B、C、A三個系列試驗中保載時間總和，載荷點最長保載時間1 h。經過上述分析可知，API標準密封性能試驗評價是基于材料強度驗證螺紋密封性能的評價方法，沒有充分考慮高溫應力松弛時間效應的影響。為確保油套管螺紋在高溫高壓氣井的長期安全使用，應增加基于時間效應的試驗評價和有限元密封性分析。

表4 110S油管氣密封螺紋在高溫載荷點15e的密封能隨時間變化分析

圖14 110S油管氣密封螺紋在高溫載荷點15e的密封能隨保載時間的變化規律

2 結 論

（1）模擬工況載荷的試驗評價是一種不考慮現場操作和井下載荷波動不確定性以及安全使用余量的試驗評價方法。API RP 5C5標準密封性能試驗評價是一種依據材料強度驗證螺紋密封性能的評價方法，沒有充分考慮材料高溫應力松弛時間效應的影響。為確保油套管螺紋在高溫高壓氣井的長期安全使用，應增加基于時間效應的試驗評價和有限元密封性分析。

（2）高溫和室溫環境下不同等效全包絡線載荷2次循環的密封能倍數變化規律表明：氣密封特殊螺紋連接密封性對高溫（180℃）和室溫95%VME包絡線載荷循環極其敏感，密封能降低量較大；室溫90%VME包絡線載荷循環下密封能降低量較小。

（3）對于通過了API RP 5C5標準密封完整性試驗評價的氣密封特殊螺紋，還需采用有限元方法分析危險載荷點在高溫環境下的材料應力松弛情況與密封性隨時間變化的規律，從而為合理設計三軸安全系數提供理論依據。