李玲霞１ ２,鄧敘燕１ ２ 穆增利１ ２

(１．達力普石油專用管有限公司,滄州０６１０００;２．河北省石油專用管工程技術研究中心,滄州０６１０００)

摘　要:對自行設計的?１３９．７mm×７．７２mmJ５５低壓氣密封螺紋套管接頭進行了上卸扣、熱循環氣密封、彎曲條件下氣體內壓拉伸、拉伸至失效、加內壓至失效等試驗.結果表明:該接頭的抗粘扣性能良好;１３５℃,３５MPa條件下的氣密封性能和低壓３０MPa、彎曲狗腿度１０°/(３０m)、拉伸載荷為８０％材料名義屈服強度條件下的氣密封性能均合格;接頭的泄漏失效內壓和抗拉強度均遠高于標準技術要求.

關鍵詞:套管接頭;低壓氣密封;上卸扣試驗;熱循環試驗;拉伸失效試驗;內壓失效試驗

中圖分類號:TE９３１．２　　　文獻標志碼:A　　　文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０８Ｇ０５７３Ｇ０４

Performancesof?１３９．７mm×７．７２mmJ５５LowPressure

GasＧTightThreadedCasingJoints

LILingxia１,２,DENGXuyan１,２,MUZengli１,２

(１．DalipalPipeCompany,Cangzhou０６１０００,China;２HebeiOCTGEngineeringTechnologyResearchCenter,Cangzhou０６１０００,China)

Abstract:Makingupandbreakingouttests,thermalcyclegasＧtighttests,internalpressureandtensiontests

underbendingcondition,tensiontofailuretests,andinternalpressuretofailuretests werecarried outto

?１３９．７mm×７．７２mmJ５５low pressuregasＧtightcasingjointsamples．TheresultsshowthattheantiＧgluing

propertyofthejointswasgood,thesealingcapabilitywasqualifiedbothundertheconditionofthetemperatureof

１３５℃andthepressureof３５MPaandundertheconditionofthepressureof３０MPa,thebendingdoglegangleof

１０°/(３０m)andthetensionloadof８０％ nominalyieldstrength．Theleakagefailureinternalpressureandthe

tensionstrengthofthejointswereallmuchhigherthanthoseofthestandardtechnicalrequirements．

Keywords:casingjoint;lowpressuregasＧtight;makingupandbreakingouttest;thermalcycletest;tension

tofailuretest;internalpressuretofailuretest

伴隨著油氣工業的快速發展,氣井的開采量在不斷增加,普通的API圓螺紋油套管接頭的氣密封性能較差,不能滿足開采要求,而且油套管接頭泄漏是油套管失效的一個主要原因[１Ｇ３],因此氣密封特殊螺紋接頭已經成為我國油套管企業研究的重點.目前很多企業已經成功開發了深井、超深井及高溫高壓氣井用氣密封特殊螺紋接頭[４Ｇ７],該類接頭具有密

封性能良好、連接強度高等特點,但其對螺紋幾何尺寸要求高,加工效率低,制造成本高,將其用于低壓、低滲、低產氣井的開采并不經濟.我國的蘇里格油田采用API長圓螺紋＋CATTS１０１特殊密封脂的方案進行氣井的開采,CATTS１０１是以聚合物為基體,以云母、特殊石墨粉等無機材料為填料,結合現代膠黏劑技術制成的一種特殊密封脂,可增加接頭

的氣密封性,但使用該種密封脂接頭的上扣速率較慢,且其一旦凝固就不能卸扣后再次擰接,給現場操作帶來很大不便.

為克服現有螺紋連接的缺點,筆者設計了一種低壓氣密封螺紋,如圖１所示. 在API長圓紋的基礎上通過內螺紋變錐方式提高接頭的連接強度,增強其密封性能,該螺紋接頭在上扣時只需要采用普通密封脂,不設置密封面和臺肩. 有限元分析發現[８],內螺紋的變錐,減小了螺紋兩端的應力集中,使每個螺牙受力均勻,達到了增大連接強度的目的,而部分內螺紋錐度的增大,也減小了內、外螺紋齒頂與齒底之間的間隙,從而增強了其密封性能. 不設置密封面和臺肩,采用普通密封脂,可實現該螺紋與API圓螺紋的互換,減小現場操作難度,提高其利用率. 筆者主要對該低壓氣密封螺紋套管接頭的抗粘扣能力、氣密封性能和連接強度進行了評價試驗,為其應用于氣井開采提供參考.

１　試驗試樣與試驗方法

１．１　試驗試樣

１．１．１　試樣規格及接頭參數

用于低壓氣密封螺紋接頭試樣的公稱外徑為１３９．７ mm,壁厚為７．７２ mm,實測最小壁厚為７．４４mm;套管接箍公稱外徑為１５４．０mm,名義壁厚為１４．０ mm,實測最小壁厚為１３．７ mm. 試樣內、外螺紋接頭按設計標準加工,接頭螺紋尺寸測量按照APISPEC５B－２００８«套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規范»要求進行,在企業加工能力范圍內進行試樣配對,每個試樣由兩個一端帶螺紋的管體和與之配對的兩端帶(A 端和B端)螺紋的接箍組成,配對原則和實測螺紋參數見表１,其中實測錐度和實測中徑值為A 端和B端測得值范圍.如表１所示:１號內螺紋中徑偏小,外螺紋中徑偏大,同時內螺紋錐度偏小,外螺紋錐度偏大,測試其中徑低過盈情況下的氣密封性能;２號為螺紋過盈量中值工況;３號則與１號試樣相反,主要目的為測試其抗粘扣性能的同時測試其氣密封性能.

１．１．２ 試樣材料

采用J５５鋼級套管,在套管管體和接箍上分別取樣進行化學成分分析和拉伸試驗,結果見表２和表３,可見管體和接箍的化學成分和力學性能均符合 APISPEC５CT－２０１１«套管和油管規范»技術要求.

１．２ 試驗方法

加工套 管 實 物 短 節 作 為 評 價 試 樣,參 照 ISO１３６７９－２００２«石油和天然氣套管和管連接的測試程序»設計試驗程序,為模擬套管服役條件,３組試樣在不同極限條件下失效,評價項目包括:接頭的抗粘扣性能、熱循環氣密封性能、復合載荷氣密封性能、內屈服強度及連接強度.試驗流程如圖２所示.

２ 試驗結果與討論

２．１ 上卸扣試驗

上卸扣試驗參考ISO１３６７９－２００２中規定,A 端模擬工廠端１次上扣,３個試樣扭矩控制分別為最小、最佳和最大扭矩;B端模擬現場端３次上扣、２次卸扣,上扣扭矩見表４.上扣前清洗并檢查內、外螺紋是否有缺陷或粘扣現象,采用ShellType Ⅲ螺紋脂涂抹 均 勻 后 使 用 直 立 式 上 卸 扣 試 驗 機 上 扣.由表４可見,B端卸扣后螺紋均未發現粘扣現象,經２次上扣、２次卸扣后接頭的內、外螺紋形貌見圖３.

２．２ 熱循環氣密封試驗

熱循環氣密封試驗在熱循環試驗系統上完成,加壓介質為干燥氮氣,采用氣泡瓶檢測試樣泄漏情況,封 堵 方 式 采 用 焊 接 堵 頭. 試 驗 載 荷 為 內 壓３５MPa(５０７５psi),保壓時間為１５ min,熱循環加載程序見表５.試驗發現在整個熱循環試驗過程中套管接頭未發生泄漏,接頭氣密封性能良好.

２．３　復合加載氣密封試驗

在復合加載試驗機上進行彎曲條件下的氣體內壓拉伸試驗,試驗載荷計算依據如下:名義外徑１３９．７mm,９５％ 名義壁厚７．３３４ mm,屈服強度３７９MPa,螺紋拉伸效率０．８. 按照室溫、內壓３０MPa、彎曲狗腿度１０°/(３０m)、拉伸載荷為８０％材料名義屈服強度及９５％名義壁厚加載,試驗加載載荷、保持時間和結果見表６,試驗過程中未發生泄漏.

２．４ 極限失效載荷試驗

在復合加載試驗機上對２號試樣進行拉伸至失效試驗,在靜水壓試驗機上對１號和３號試樣進行不同條件下的內壓失效試驗,加壓介質為水,試驗結果見表７.拉伸至失效后的試樣形貌見圖４.

２．５ 討論

試驗結果表明:?１３９．７ mm×７．７２ mmJ５５鋼級低壓氣密封套管接頭的理化性能符合 APISPEC５CT－２０１１技術要求;螺紋經３次上扣、２次卸扣未發生粘扣現象,說明其抗粘扣性能良好;另外接頭還滿足１３５ ℃,３５MPa條件下的氣密封性能和低壓３０MPa、彎曲狗腿度１０°/(３０m)、拉伸載荷為８０％材料名義屈服強度條件下的氣密封性能.有研究指出[９],當套管接箍的屈服強度與管體接近時,套管的薄弱環節為接箍部分,在水壓爆破試驗過程中,接箍承載能力低于管體,接箍首先脹大變形,最后發生失效.試驗接箍試樣的屈服強度低于管體的,如采用承載能力強的接箍,可進一步提高螺紋的 抗 內 壓 強 度.２ 號 試 樣 拉 伸 失 效 載 荷 為１５５８kN,高于 API標準規定的長圓螺紋接頭的失效載荷１０９９kN,從拉伸失效后的螺紋形貌可以看出,接頭表面存在多處牙型撕裂,說明在拉伸過程中多牙受 力,整 個 螺 紋 受 力 比 較 均 勻,達 到 了 提 高接 頭 抗 拉 強 度 的 效 果 .APIBULL５C２－１９９９規定:?１３９．７mm×７．７２mmJ５５長圓螺紋接頭的泄漏抗力是３６．７MPa,而長圓螺紋全尺寸試樣試驗結果表明,靜水壓壓力未達到２０．７ MPa就出現從接頭部位發生泄漏的情況[９],１號和３號試樣內壓失效試驗的壓力分別為７０．９ MPa和７３．７ MPa,遠高于API規定值.

３ 結論

(１)設計的低壓氣密封螺紋套管接頭的抗粘扣性能良好,１３５ ℃,３５ MPa條件下的氣密封性能和低壓３０MPa、彎曲狗腿度１０°/(３０m)、拉伸載荷為８０％材料 名 義 屈 服 強 度 條 件 下 的 氣 密 封 性 能 均合格.

(２)設計的低壓氣密封螺紋套管接頭在拉伸至失效過程中多牙受力,整個螺紋受力比較均勻,可提高接頭的抗拉強度,其抗拉強度遠高于 API標準同規格長圓螺紋套管接頭的規定值.

(３)設計的低壓氣密封螺紋套管接頭不設置密封面和臺肩,采用普通密封脂,可實現與 API圓螺紋套管接頭的互換,減小現場操作難度,提高其利用率.

(文章來源：材料與測試網-理化試驗-物理檢測)