氣密螺紋油套管優(yōu)選要點(diǎn)

劉 標(biāo)，田樹(shù)亞，樊金俠

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司天津石油專用管分公司，天津 300280）

0 引言

油套管是一種油井井壁的鋼管，采用的是螺紋連接，單根套管通過(guò)螺紋接頭相互連接在一起形成套管柱。螺紋連接部位是管柱中最薄弱的部位，油套管中約有80%的失效產(chǎn)生在螺紋連接處。API 標(biāo)準(zhǔn)（American Petroleum Institute，美國(guó)石油學(xué)會(huì)）規(guī)定，不同螺紋扣型確保井下管柱結(jié)構(gòu)的完整性與密封性，但實(shí)際上仍然存在一些缺陷，如油氣井不能在高壓、高腐蝕的條件下使用。與普通螺紋相比，氣密螺紋密封性、抗變形、連接強(qiáng)度比較強(qiáng)，適用于條件惡劣的油氣井。一般在選擇油套管氣密螺紋時(shí)，需要從機(jī)加工、接觸應(yīng)力等方面優(yōu)先選擇，使用密封性能強(qiáng)、不會(huì)頻繁發(fā)生塑性變形的油套管。

1 油套管氣密螺紋

石油開(kāi)采研發(fā)全過(guò)程中，占據(jù)重要位置的始終是管柱結(jié)構(gòu)，利用螺紋連接形成管柱，套管產(chǎn)品分為API 套管與非API 套管兩類。API 套管是嚴(yán)格按照API 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)和檢驗(yàn)的一類套管產(chǎn)品，具有規(guī)范統(tǒng)一、互換性好、價(jià)格便宜、加工維修方便和易于操作等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各油田，用量占所有全部套管的70%左右。非API 套管使用量逐漸增加，目前使用量占全部套管的30%左右。隨著氣井開(kāi)采量在逐年增加，隨著井深的增加，井內(nèi)溫度、壓力相應(yīng)提高，井況越來(lái)越復(fù)雜，特別是一些環(huán)境條件苛刻的氣井，對(duì)特殊螺紋油套管產(chǎn)品的需求日益增加。特殊扣螺紋一般分為高溫高壓抗扭螺紋、氣密封性螺紋等形式，開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣井時(shí)一般采用氣密封性螺紋。氣密封性螺紋采用金屬和金屬接觸的形式進(jìn)行密封，能夠很好地保證密封性能。金屬與金屬接觸方式進(jìn)行密封的方法，對(duì)應(yīng)的油套管扣型即為氣密封性螺紋，在石油開(kāi)發(fā)中也有非常好的應(yīng)用[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，油套管氣密螺紋具有如下性能：

（1）密封性。井內(nèi)油套管朝著3 個(gè)方向受力，即管柱承受拉力、外部擠壓力和內(nèi)部膨脹壓力，這就需要螺紋接頭具有抗拉性、抗壓性，在交變載荷與高溫環(huán)境下也可以體現(xiàn)出極佳的密封性。

（2）抗粘扣性。螺紋與密封范圍的過(guò)盈量參數(shù)比較高，上卸扣時(shí)可能出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象，這時(shí)氣密螺紋的抗粘扣性成為性能的一項(xiàng)重要考察指標(biāo)。

（3）加工性。由于氣密螺紋內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以通過(guò)加工性可以了解到螺紋實(shí)用性，具體總結(jié)為加工時(shí)間、加工成本2項(xiàng)指標(biāo)[2]。

2 油套管氣密螺紋選擇要點(diǎn)

氣密螺紋優(yōu)選需要從多個(gè)維度綜合考慮，行業(yè)內(nèi)常用油套管氣密螺紋的氣密性，需要采用數(shù)控車床精密加工的方式，以達(dá)到局部過(guò)盈配合效果，加強(qiáng)油套管氣密封性。對(duì)于數(shù)控車床的選擇，必須觀察設(shè)備運(yùn)行期間機(jī)床整體振動(dòng)、進(jìn)刀量、車刀過(guò)渡等，而且需要保證工作人員操作的規(guī)范性、保證光潔度，不能有尺寸偏差，或是在加工過(guò)程中損傷產(chǎn)品表面，以此來(lái)保證密封性。如果油套管氣密性螺紋扣長(zhǎng)期在井下壓應(yīng)力狀態(tài)下使用，而且周圍環(huán)境溫度高，很容易使公扣接觸壓力鼻端出現(xiàn)接觸面應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，進(jìn)而降低氣密性。接觸構(gòu)件處于壓縮變形條件，材料自身溫度也非常高，加上疲勞狀態(tài)，從而降低了密封面接觸、強(qiáng)度、彈性模數(shù)的應(yīng)力。油套管中的非定常流、輸送多相流，是油套管縱向流固偶聯(lián)振動(dòng)的直接原因，進(jìn)而出現(xiàn)螺紋密封面接觸疲勞的現(xiàn)象。該問(wèn)題還會(huì)引發(fā)螺紋接觸面金屬軟化、金屬之間粘連，降低金屬?gòu)?qiáng)度，情節(jié)嚴(yán)重的還會(huì)在氣流沖擊腐蝕作用下成槽[3]。

因此，氣密性螺紋的優(yōu)選要從井下工況、密封性能機(jī)理等多角度進(jìn)行考慮，本文將其總結(jié)為以下4 點(diǎn)。

（1）基本材料處于在規(guī)定的彈性變形極限范疇之內(nèi)，而且盡最大可能挑選出密封面接觸壓力比較大的原材料，可以保證密封面較大的過(guò)盈量，這是加強(qiáng)氣密封螺紋接頭密封性能的最根本標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在不考慮氣密封性螺紋接頭密封面接觸壓力的情況下，一旦發(fā)現(xiàn)縫隙，很容易出現(xiàn)介質(zhì)流出的現(xiàn)象，從而引發(fā)密封失效問(wèn)題。所以，杜絕氣密封性螺紋接頭密封面裂縫也是選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

（3）確保基體材料彈性變形、密封面接觸壓力滿足要求的基礎(chǔ)上，一般需要優(yōu)先選擇大接觸面積的氣密螺紋[4]。當(dāng)接觸面積得到保證之后，流體通道距離也會(huì)隨之延長(zhǎng)，從而提高泄漏阻力與氣密性。

（4）檢查螺紋密封表面，重點(diǎn)觀察粗糙度、表面處理情況，這2 項(xiàng)指標(biāo)會(huì)直接影響螺紋密封性能，而且在生產(chǎn)環(huán)節(jié)尤其要做好表面處理工藝的優(yōu)化。

3 油套管氣密螺紋優(yōu)選建議

3.1 氣密封結(jié)構(gòu)

選擇油套管氣密封性螺紋，應(yīng)該關(guān)注螺紋的嚙合程度，即螺紋徑向過(guò)盈嚙合時(shí)所形成的接觸壓力。螺紋具有自密封流體的作用，其原因具有接觸壓力的齒側(cè)面，如果接觸面的壓力較高，那么密封流體內(nèi)壓力也會(huì)比較高。在此方面有不同的看法，一方面當(dāng)內(nèi)壓力大于接觸壓力，此時(shí)密封螺紋有很大概率會(huì)發(fā)生泄漏現(xiàn)象；另一方面，接觸壓力為0 時(shí)螺紋才會(huì)出現(xiàn)泄漏[5]。主流氣密封性螺紋密封面的設(shè)計(jì)具有獨(dú)立特性，氣密封螺紋在設(shè)計(jì)中起到連接密封作用。氣密螺紋密封性能優(yōu)良，在接觸內(nèi)外密封面之后，間隙大小則起到重要作用。間隙尺寸大于介質(zhì)分子直徑，不考慮接觸壓力的條件下，螺紋不密封而且流體介質(zhì)分子直徑小，密封難度也隨之增加。以天然氣為代表的氣體與液體相比，密封起來(lái)更加困難。由此發(fā)現(xiàn)，氣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要關(guān)注到的高壓氣密封影響因素比較多，還需要關(guān)注應(yīng)力腐蝕穿孔。為了滿足氣密封效果，需要保證氣密封螺紋接觸應(yīng)力超出擬螺紋密封氣體壓力。如果流體介質(zhì)經(jīng)過(guò)密封面間隙所形成阻力ΔR 與密封面接觸路徑長(zhǎng)度、間隙空間有關(guān)，建議根據(jù)公式來(lái)表達(dá)，其中h 為密封面間隙、Δl 為接觸路徑最小長(zhǎng)度。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，接觸面接觸長(zhǎng)度、面壓之間的聯(lián)系極為密切。氣體在接觸壓力密封時(shí)，如果氣密封螺紋密封面形成的接觸面比較大，則接觸壓力較小；如果密封面接觸面小，反而氣密封接觸面接觸壓力較大。所以，氣密封螺紋密封面接觸壓力、接觸面積可以作為氣密封特殊扣螺紋密封性的最重要影響因素。氣密螺紋設(shè)計(jì)階段可以在原始材料允許的彈性條件變形范圍之內(nèi)，提高密封面的接觸壓力、增加接觸面積，同時(shí)使密封面的接觸路徑長(zhǎng)度得以適當(dāng)延長(zhǎng)。期望有效減小接觸面應(yīng)力時(shí)，需要將重點(diǎn)放在預(yù)防應(yīng)力腐蝕穿孔上，擴(kuò)大密封螺紋結(jié)構(gòu)的接觸面積。

3.2 密封面過(guò)盈量

氣密螺紋的密封面接觸壓力比較高的情況下，接頭氣密封性能越良好，接觸壓力一般與過(guò)盈量有關(guān)。過(guò)盈量小，受力使密封面可能發(fā)生泄漏，如果過(guò)盈量較大，則會(huì)增加螺紋變形的概率，從而出現(xiàn)粘扣[6]。了解過(guò)盈量可以仔細(xì)觀察螺紋密封接觸壓力，正常情況下接觸壓力是小于材料的屈服強(qiáng)度。此外，密封面接觸壓力還需超出管體內(nèi)屈服壓力，而且峰值接觸壓力與接觸長(zhǎng)度低、密封面平均接觸壓力大，降低上卸扣時(shí)粘扣的可能性。過(guò)盈量設(shè)計(jì)時(shí)還需規(guī)避塑性變形問(wèn)題，過(guò)盈量原則上是不能超過(guò)材料比例極限應(yīng)變量。

（1）計(jì)算最大過(guò)盈量需按公式ΔSmax=σp×OD 進(jìn)行。其中，σp是比例極限應(yīng)變量，OD 是管子外徑。

（2）計(jì)算最小，在常規(guī)狀態(tài)下過(guò)盈量應(yīng)該大于管體內(nèi)屈服壓力，通常按照公式ΔSmin=2d×dt2×P/E（dt2-d2）即可得知。其中：d 是嚙合位置的直徑；dt 是接箍外徑；P 是內(nèi)屈服壓力；E 是彈性模量。

3.3 密封面精度

觀察螺紋接頭密封面表面的粗糙度，這是螺紋密封性的重要影響因素。在表面粗糙度比較大的情況下，一般施加密封面初始接觸應(yīng)力會(huì)相應(yīng)提升，反而表面粗糙度減小時(shí)，在螺紋密封面表面施加初始接觸應(yīng)力則會(huì)減小。通常螺紋接頭的密封面粗糙度需要控制在0.8～3.2 μm。

3.4 接頭扭矩臺(tái)肩

油套管氣密螺紋的扭矩臺(tái)肩，可以改善接頭抗粘扣性與抗過(guò)扭性，扭矩臺(tái)肩如果在負(fù)角度套件下，其密封性一般會(huì)比直角臺(tái)肩更佳。但需要注意的是，負(fù)角度過(guò)大的情況下，母螺紋臺(tái)肩面剛度很有可能受到影響，提高加工難度。所以，負(fù)角度以15°以下為宜。扭矩臺(tái)肩設(shè)計(jì)時(shí)，接箍中孔長(zhǎng)度也是重要的參考標(biāo)準(zhǔn)，中孔的長(zhǎng)度比較短，那么管體和接箍螺紋扭矩臺(tái)肩會(huì)對(duì)中心孔產(chǎn)生一定的附加力，致使中孔所在部位、尺寸參數(shù)等發(fā)生改變。所以，中孔長(zhǎng)度必須滿足公式Ld＞2Lp=2Ls×（sin15°+cos15°）的要求。其中，Ld是接箍中孔長(zhǎng)度；Lp是扭矩臺(tái)肩在影響區(qū)內(nèi)的長(zhǎng)度；Ls是扭矩臺(tái)肩厚度。

3.5 螺紋配合

螺紋配合一般是采取兩種形式，一是承載面—導(dǎo)向面，二是齒頂面—齒根面。如果采用第一種配合方式，只有螺紋牙頂、牙底中間有間隙存在，螺紋抗壓縮載荷性、連接強(qiáng)度比較高，承載面—導(dǎo)向面這種配合方法在使用中需要保證相當(dāng)高的加工精度。第二種配合方式，齒頂面—齒根面部位有一定的縫隙存在，必須要做好牙側(cè)間隙的各方面控制工作，使密封螺紋在壓縮載荷加大作用下充分接觸。在API 偏梯扣螺紋要求下，牙側(cè)間距以20～90 μm 為宜，此時(shí)抗壓縮載荷性能最佳。

3.6 螺紋承載面與導(dǎo)向面角度

按照承載面、導(dǎo)向面角度，螺紋接頭共有5 種類型，分別是：①導(dǎo)向面正角度；②承載面負(fù)角度；③雙正角度；④雙負(fù)角度；⑤承載面直角。如果承載面角度不高，抗壓縮性較良好，但負(fù)角度的承載面需要克服表面、加工處理難度較大的問(wèn)題。在導(dǎo)向面角度比較大的情況下，上扣更加方便。因此需要控制好“度”，以免導(dǎo)向面角度太大而影響到螺紋密封接頭抗壓縮能力。根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，接觸面系數(shù)大于齒形角半角正切值，此時(shí)接頭滑脫的概率較小，計(jì)算公式為tanθ≤μ，其中θ 是齒形半角、μ 是接觸表面摩擦因數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

石油機(jī)械類設(shè)備中的油套管氣密螺紋的選擇，直接關(guān)系到石油開(kāi)發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的質(zhì)量，所以，工作人員在選擇時(shí)需要分析的問(wèn)題與因素也比較多。具體應(yīng)從氣密螺紋性能著手，起到優(yōu)化油套管應(yīng)用效果的作用，并且能夠在優(yōu)選氣密螺紋的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)密封性能，降低塑性變形發(fā)生概率。