Φ88.9 mm BJC-Ⅱ型氣密封特殊螺紋開發(fā)*

唐家睿，田永強(qiáng)，周新義，羅海雷，年晨陽，王 巍，汪 強(qiáng)，苑清英

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；3.寶雞鋼管西安專用管公司，西安 710200）

0 前 言

隨著天然氣的開采和社會需求量的增加，我國加大了對頁巖氣等非常規(guī)天然氣的開發(fā)力度，開始實(shí)現(xiàn)由常規(guī)天然氣開采向非常規(guī)天然氣開采的轉(zhuǎn)變。“十三五”以來，非常規(guī)油氣資源逐漸成為中國石油勘探開發(fā)的主體，非常規(guī)原油與天然氣分別占新增油氣探明儲量的70%及90%以上[1]。非常規(guī)天然氣井開采難度大、工藝復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中，氣井產(chǎn)量、壓力變化、管柱尺寸不一致、油管彎曲變形等都可能引起油管柱振動，增大管柱所受的應(yīng)力，使其應(yīng)力集中加劇，從而加劇油管柱的疲勞損傷而使其斷落入井[2]，這對油管螺紋連接接頭的綜合性能提出了較高的要求，要求其具有優(yōu)異的壓縮性能、拉伸強(qiáng)度、密封性能、彎曲性能、抗粘扣、抗高溫、抗扭矩和抗疲勞振動性能等[3-5]。

特殊螺紋連接是指有別于API 5B[6]標(biāo)準(zhǔn)的螺紋連接，其主要應(yīng)用于高溫高壓氣井、頁巖氣/油開發(fā)以及儲氣庫注采管柱等非常規(guī)油氣井開發(fā)。2017年發(fā)布的API RP 5C5：2017《套管和油管接頭試驗(yàn)程序推薦作法》[7]規(guī)定了石油天然氣工業(yè)用套管及油管螺紋連接必要的驗(yàn)證試驗(yàn)方法及接收準(zhǔn)則，該標(biāo)準(zhǔn)在油田生產(chǎn)過程中螺紋連接失效案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合不斷發(fā)展的鉆井和完井工藝需要制定，是國內(nèi)外石油公司在復(fù)雜苛刻工況油套管螺紋連接選用的首要標(biāo)準(zhǔn)[8]。

本研究在API標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程和評價(jià)原理分析基礎(chǔ)上，基于API RP 5C5：2017 標(biāo)準(zhǔn)最高等級（CAL IV 級）性能要求，利用ABAQUS 有限元軟件設(shè)計(jì)了螺紋結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)，并對螺紋連接進(jìn)行建模分析，經(jīng)過刀量具設(shè)計(jì)及現(xiàn)場調(diào)試加工，開發(fā)出規(guī)格為Φ88.9 mm×7.34 mm、鋼級為N80Q 的BJC-II 型特殊螺紋接頭油管產(chǎn)品，經(jīng)第三方全尺寸實(shí)物試驗(yàn)評價(jià)，產(chǎn)品滿足設(shè)定的接頭適用等級（API RP 5C5：2017，CAL IV 級）要求，其拉伸效率、內(nèi)壓效率、外壓效率、壓縮效率等性能指標(biāo)均滿足等管體100%的結(jié)構(gòu)和密封完整性要求，為我國非常規(guī)油氣井的開發(fā)提供了保障。

1 特殊螺紋設(shè)計(jì)

該特殊螺紋接頭包括螺紋、密封、退刀槽和扭矩臺肩四部分，螺紋連接效率均按照管體100%性能設(shè)計(jì)，從而有效保證了接頭螺紋連接的可靠性和密封結(jié)構(gòu)完整性，如圖1 所示。

圖1 高性能油管特殊螺紋接頭示意圖

1.1 螺紋牙型設(shè)計(jì)

用于非常規(guī)油氣井開發(fā)的特殊螺紋油管，需要等管體的連接強(qiáng)度以及優(yōu)異的抗粘扣等性能。目前市場上特殊螺紋接頭大多采用偏梯形螺紋設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)螺紋接頭內(nèi)、外螺紋承載面均采用負(fù)角度，大大增強(qiáng)了螺紋的連接強(qiáng)度[9]。接頭采用內(nèi)外螺紋不同的齒高參數(shù)和合理的齒側(cè)間隙設(shè)計(jì)，有利于螺紋脂在螺紋內(nèi)部的流動，降低了上扣過程中螺紋脂內(nèi)部壓力。內(nèi)螺紋采用組合導(dǎo)向面，與外螺紋導(dǎo)向面相適配，有利于增大螺紋內(nèi)部間隙，大大提高抗粘扣性能，同時(shí)具有易引扣、現(xiàn)場操作方便等特點(diǎn)。接頭的螺紋齒頂和齒底平行于管體軸線，上扣時(shí)有自動調(diào)偏功能，現(xiàn)場上扣容易；內(nèi)螺紋與外螺紋均為小錐度圓錐螺紋，相比其他大錐度螺紋，可以增加完整螺紋的長度。同時(shí)，該螺紋接頭的接箍內(nèi)螺紋收尾處設(shè)置退刀槽，方便使用多齒刀加工工藝，提高加工效率；內(nèi)螺紋退刀槽與外螺紋過渡面形成儲油槽，可儲存多余的螺紋脂，從而有效改善油管接頭在復(fù)合載荷下的應(yīng)力分布。

1.2 密封面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前普遍采用的密封形式主要有錐面/錐面、球面/錐面、球面/柱面等，其密封機(jī)理是通過接頭在密封面上過盈配合，使接觸面上產(chǎn)生一定的接觸長度和接觸壓力，組織氣體通過密封面溢出，從而實(shí)現(xiàn)氣密封[10]。本設(shè)計(jì)接頭密封結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由圖2 可知，該接頭的密封結(jié)構(gòu)采用了雙級金屬過盈密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)螺紋主密封球面和外螺紋主密封錐面配合形成主密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)螺紋副密封錐面和外螺紋副密封錐面配合形成副密封結(jié)構(gòu)，足夠的密封過盈長度及接觸壓力可以保證螺紋接頭在拉伸/壓縮、彎曲、內(nèi)壓/外壓、沖擊、疲勞振動等復(fù)合載荷下密封性能的安全可靠性；主密封結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離扭矩臺肩，扭矩臺肩對密封的影響大大減小，增強(qiáng)抗拉和抗連續(xù)壓縮能力，同時(shí)可以減少端面腐蝕對密封的影響；副密封結(jié)構(gòu)靠近扭矩臺肩，可以大大降低臺肩位置的應(yīng)力集中，同時(shí)可以起到輔助密封的作用。同時(shí)，接頭設(shè)置密封導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，上扣時(shí)保護(hù)主密封結(jié)構(gòu)不受損壞；主密封結(jié)構(gòu)位置靠近螺紋，避免管體密封結(jié)構(gòu)在檢測、運(yùn)輸、現(xiàn)場作業(yè)和管柱服役過程中受到損傷。

1.3 扭矩臺肩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臺肩的常見結(jié)構(gòu)形式為負(fù)角度臺肩/直角臺肩[11]。該接頭采用-15°的負(fù)角度臺肩，可以保證上扣定位的準(zhǔn)確性，防止密封面因過擰導(dǎo)致過盈超預(yù)期，合理的扭矩臺肩高度受到過扭矩作用時(shí)能確保結(jié)構(gòu)完整性。同時(shí)，接箍抗扭矩臺肩與管體抗扭矩端面金屬過盈接觸可以提供輔助氣密封能力。

1.4 管端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該接頭通過對管體端部進(jìn)行縮徑處理，增加管體端面厚度，減小管端橢圓度，可提升接頭的抗拉伸、壓縮性能[12]。

接頭采用的密封結(jié)構(gòu)和螺紋結(jié)構(gòu)的配合保證了接頭在承受拉伸、壓縮、彎曲、內(nèi)壓、外壓、高溫等復(fù)合載荷時(shí)，能有良好的連接強(qiáng)度和密封完整性，可滿足高溫高壓超深氣井等非常規(guī)氣井對接頭的嚴(yán)苛要求。

2 有限元結(jié)構(gòu)模擬分析

為了驗(yàn)證螺紋設(shè)計(jì)的合理性，根據(jù)螺紋結(jié)構(gòu)尺寸及過盈量，對設(shè)計(jì)的油管特殊螺紋接頭進(jìn)行不同載荷下的有限元分析計(jì)算和設(shè)計(jì)評估，為后續(xù)的試驗(yàn)和安全使用提供科學(xué)論據(jù)[13]。根據(jù)螺紋接頭的特點(diǎn)，采用ABAQUS有限元軟件，對規(guī)格為Φ88.9 mm×7.34 mm、鋼級為N80Q 的BJC-II型特殊螺紋油管進(jìn)行建模。為提高分析精度，需對接觸部位進(jìn)行細(xì)化，其中螺紋部位網(wǎng)格細(xì)化大小為0.2 mm，密封面及臺肩部位網(wǎng)格細(xì)化大小為0.1 mm，采用CAX4 四節(jié)點(diǎn)四邊形單元，接觸模式為面對面接觸，油管有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。模擬的油管主要參數(shù)見表1，依據(jù)API RP 5C5：2017 CAL IV級標(biāo)準(zhǔn)，采用最低密封過盈1#極限公差試樣進(jìn)行完整A系試驗(yàn)受力分析，載荷點(diǎn)分析結(jié)果見表2。

表1 有限元模擬的油管螺紋接頭主要參數(shù)

表2 有限元模擬A系典型載荷點(diǎn)分析結(jié)果

圖3 油管有限元網(wǎng)格模型

特殊螺紋接頭的密封性能常用密封面的密封指數(shù)進(jìn)行評估。為此，油套管制造企業(yè)開展了基于小試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)（試樣表面粗糙度Ra=0.25 μm，無表面涂層）的擬合密封判據(jù)研究[14]。Tenaris 提出的接觸壓力占主導(dǎo)地位的加權(quán)指數(shù)與長度的積分氣密封準(zhǔn)則公式為

式中：Pcn——密封面接觸壓力，MPa；

l——接觸長度，mm；

Pgas——?dú)饷芊鈨?nèi)壓力，MPa；

Patm——大氣壓力，MPa；

m——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，m=0.838。

公式（1）中，無螺紋脂時(shí)n=1.4，有螺紋脂時(shí)n=1.2。

BJC-II 型特殊螺紋接頭在高溫A 系試驗(yàn)中各載荷點(diǎn)的等效應(yīng)力分布如圖4 和圖5 所示。螺紋接頭主密封和臺肩處的等效應(yīng)力較高，但低于油管管體的實(shí)際屈服強(qiáng)度，而螺紋部分的等效應(yīng)力相對較低。各載荷點(diǎn)的密封面接觸壓力及接觸長度如圖6 所示，密封面接觸面積如圖7 所示。螺紋接頭在10e90～21e90載荷點(diǎn)高溫條件拉伸/壓縮+內(nèi)壓載荷下的接觸長度為2～3 mm，接觸壓力為250～750 MPa，接觸面積為650～1 400 MPa·mm，曲線呈兩邊高、中間低的形狀，最小密封接觸面積與最大試驗(yàn)內(nèi)壓的比值遠(yuǎn)大于7。而通常情況下，接觸面積與內(nèi)壓比值大于5即表示密封性良好，因此，螺紋接頭具有良好的密封性。

圖4 上扣條件下特殊螺紋油管接頭的等效應(yīng)力分布

圖5 高溫A系試驗(yàn)各載荷點(diǎn)密封面及臺肩的等效應(yīng)力分布

圖6 各載荷點(diǎn)的密封面接觸壓力及接觸長度變化

圖7 各載荷點(diǎn)的密封面接觸面積變化

3 實(shí)物評價(jià)試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)開發(fā)的BJC-II 型特殊螺紋油管接頭連接強(qiáng)度和密封完整性，根據(jù)API RP 5C5：2017 CAL IV 級標(biāo)準(zhǔn)，對Φ88.90 mm×7.34 mm、鋼級為N80Q 的特殊螺紋油管進(jìn)行了全尺寸實(shí)物評價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)用試樣共5 根，試驗(yàn)流程如圖8所示。

3.1 上卸扣試驗(yàn)

根據(jù)API RP 5C5：2017 CAL IV 標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)計(jì)開發(fā)的螺紋接頭進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，以驗(yàn)證其抗粘扣性能。接箍內(nèi)螺紋表面進(jìn)行磷化表面處理，螺紋脂采用 Bestolife2000，具體上卸扣參數(shù)見表3。試驗(yàn)后上扣扭矩曲線符合設(shè)計(jì)要求，內(nèi)外螺紋表面均未發(fā)生粘扣現(xiàn)象，符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖9 所示。

表3 上/卸扣試驗(yàn)參數(shù)

圖9 5#極限樣螺紋接頭上卸扣試驗(yàn)后形貌及上扣扭矩曲線

3.2 復(fù)合載荷試驗(yàn)

復(fù)合載荷試驗(yàn)主要是根據(jù)油田現(xiàn)場的實(shí)際情況模擬不同的使用環(huán)境（在水、氣、升溫等條件），對油套管施加復(fù)合載荷（拉伸、壓縮、彎曲、內(nèi)壓、外壓等），進(jìn)行油套管的全尺寸檢測試驗(yàn)，完成API RP 5C5、ISO 13679 等標(biāo)準(zhǔn)要求的油套管實(shí)物性能試驗(yàn)，為油井管生產(chǎn)和產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)提供技術(shù)支持[15]。

根據(jù)API RP 5C5：2017 CAL IV 標(biāo)準(zhǔn)，對1#～4#極限樣進(jìn)行復(fù)合加載試驗(yàn)，先后進(jìn)行B 系、C系、A 系試驗(yàn)，高溫A 系試驗(yàn)裝置如圖10 所示。根據(jù)前期1#～5#極限樣的室溫及高溫拉伸試驗(yàn)得到的實(shí)測屈服強(qiáng)度及試樣的實(shí)測幾何尺寸繪制試驗(yàn)載荷譜，試驗(yàn)載荷譜如圖11 所示，由圖11 可知，1#～4#極限樣經(jīng)B 系、C 系、A 系試驗(yàn)評價(jià)未發(fā)生結(jié)構(gòu)和密封失效。

圖10 高溫A系試驗(yàn)裝置

圖11 API RP 5C5：2017 標(biāo)準(zhǔn)B、C、A系試驗(yàn)載荷譜

3.3 極限失效載荷試驗(yàn)

依據(jù)API RP 5C5：2017 CAL IV 標(biāo)準(zhǔn)對1#～5#極限樣分別進(jìn)行極限載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)條件及結(jié)果見表4，試驗(yàn)載荷譜如圖12 所示，結(jié)果表明，1#～5#極限樣試驗(yàn)結(jié)果均超過管體屈服強(qiáng)度，符合API RP 5C5：2017 CAL IV標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 極限失效試驗(yàn)載荷譜

圖12 極限載荷試驗(yàn)載荷譜

4 結(jié) 論

（1）采用負(fù)角度承載面、不同內(nèi)外螺紋齒高參數(shù)和齒頂齒底平行于管體軸線的牙型設(shè)計(jì)、合理的雙級金屬密封結(jié)構(gòu)和負(fù)角度扭矩臺肩設(shè)計(jì)的BJC-II 型高性能油管螺紋接頭，具有良好的螺紋抗粘扣性能及優(yōu)異的氣密封性能。

（2）通過有限元模擬分析方法和實(shí)物評價(jià)試驗(yàn)，根據(jù)API RP 5C5：2017 CAL IV 級標(biāo)準(zhǔn)一致驗(yàn)證了BJC-II 型特殊螺紋接頭拉伸效率、內(nèi)壓效率、外壓效率、壓縮效率均滿足等管體100%的結(jié)構(gòu)和密封完整性，為我國非常規(guī)油氣井的開發(fā)提供了產(chǎn)品保障。