李玲霞１ ２,鄧敘燕１ ２ 穆增利１ ２

(１．達(dá)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(shù)研究中心,滄州０６１０００)

摘　要:對自行設(shè)計(jì)的?１３９．７mm×７．７２mmJ５５低壓氣密封螺紋套管接頭進(jìn)行了上卸扣、熱循環(huán)氣密封、彎曲條件下氣體內(nèi)壓拉伸、拉伸至失效、加內(nèi)壓至失效等試驗(yàn).結(jié)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(qiáng)度條件下的氣密封性能均合格;接頭的泄漏失效內(nèi)壓和抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求.

關(guān)鍵詞:套管接頭;低壓氣密封;上卸扣試驗(yàn);熱循環(huán)試驗(yàn);拉伸失效試驗(yàn);內(nèi)壓失效試驗(yàn)

中圖分類號:TE９３１．２　　　文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)的快速發(fā)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(gè)主要原因[１Ｇ３],因此氣密封特殊螺紋接頭已經(jīng)成為我國油套管企業(yè)研究的重點(diǎn).目前很多企業(yè)已經(jīng)成功開發(fā)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(qiáng)度高等特點(diǎn),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(chǎn)氣井的開采并不經(jīng)濟(jì).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(jìn)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(jī)材料為填料,結(jié)合現(xiàn)代膠黏劑技術(shù)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(xiàn)場操作帶來很大不便.

    為克服現(xiàn)有螺紋連接的缺點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)了一種低壓氣密封螺紋,如圖１所示. 在API長圓紋的基礎(chǔ)上通過內(nèi)螺紋變錐方式提高接頭的連接強(qiáng)度,增強(qiáng)其密封性能,該螺紋接頭在上扣時(shí)只需要采用普通密封脂,不設(shè)置密封面和臺肩. 有限元分析發(fā)現(xiàn)[８],內(nèi)螺紋的變錐,減小了螺紋兩端的應(yīng)力集中,使每個(gè)螺牙受力均勻,達(dá)到了增大連接強(qiáng)度的目的,而部分內(nèi)螺紋錐度的增大,也減小了內(nèi)、外螺紋齒頂與齒底之間的間隙,從而增強(qiáng)了其密封性能. 不設(shè)置密封面和臺肩,采用普通密封脂,可實(shí)現(xiàn)該螺紋與API圓螺紋的互換,減小現(xiàn)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(qiáng)度進(jìn)行了評價(jià)試驗(yàn),為其應(yīng)用于氣井開采提供參考.

１　試驗(yàn)試樣與試驗(yàn)方法

１．１　試驗(yàn)試樣

１．１．１　試樣規(guī)格及接頭參數(shù)

    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(shí)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(shí)測最小壁厚為１３．７ mm. 試樣內(nèi)、外螺紋接頭按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)規(guī)范»要求進(jìn)行,在企業(yè)加工能力范圍內(nèi)進(jìn)行試樣配對,每個(gè)試樣由兩個(gè)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(shí)測螺紋參數(shù)見表１,其中實(shí)測錐度和實(shí)測中徑值為A 端和B端測得值范圍.如表１所示:１號內(nèi)螺紋中徑偏小,外螺紋中徑偏大,同時(shí)內(nèi)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(shí)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(jìn)行化學(xué)成分分析和拉伸試驗(yàn),結(jié)果見表２和表３,可見管體和接箍的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合 APISPEC５CT－２０１１«套管和油管規(guī)范»技術(shù)要求.

１．２ 試驗(yàn)方法

     加工套 管 實(shí) 物 短 節(jié) 作 為 評 價(jià) 試 樣,參 照 ISO１３６７９－２００２«石油和天然氣套管和管連接的測試程序»設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(jià)項(xiàng)目包括:接頭的抗粘扣性能、熱循環(huán)氣密封性能、復(fù)合載荷氣密封性能、內(nèi)屈服強(qiáng)度及連接強(qiáng)度.試驗(yàn)流程如圖２所示.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 上卸扣試驗(yàn)

    上卸扣試驗(yàn)參考ISO１３６７９－２００２中規(guī)定,A 端模擬工廠端１次上扣,３個(gè)試樣扭矩控制分別為最小、最佳和最大扭矩;B端模擬現(xiàn)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(nèi)、外螺紋是否有缺陷或粘扣現(xiàn)象,采用ShellType Ⅲ螺紋脂涂抹 均 勻 后 使 用 直 立 式 上 卸 扣 試 驗(yàn) 機(jī) 上 扣.由表４可見,B端卸扣后螺紋均未發(fā)現(xiàn)粘扣現(xiàn)象,經(jīng)２次上扣、２次卸扣后接頭的內(nèi)、外螺紋形貌見圖３.

２．２ 熱循環(huán)氣密封試驗(yàn)

    熱循環(huán)氣密封試驗(yàn)在熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)上完成,加壓介質(zhì)為干燥氮?dú)?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(yàn) 載 荷 為 內(nèi) 壓３５MPa(５０７５psi),保壓時(shí)間為１５ min,熱循環(huán)加載程序見表５.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在整個(gè)熱循環(huán)試驗(yàn)過程中套管接頭未發(fā)生泄漏,接頭氣密封性能良好.

２．３　復(fù)合加載氣密封試驗(yàn)

    在復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲條件下的氣體內(nèi)壓拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)載荷計(jì)算依據(jù)如下:名義外徑１３９．７mm,９５％ 名義壁厚７．３３４ mm,屈服強(qiáng)度３７９MPa,螺紋拉伸效率０．８. 按照室溫、內(nèi)壓３０MPa、彎曲狗腿度１０°/(３０m)、拉伸載荷為８０％材料名義屈服強(qiáng)度及９５％名義壁厚加載,試驗(yàn)加載載荷、保持時(shí)間和結(jié)果見表６,試驗(yàn)過程中未發(fā)生泄漏.

２．４ 極限失效載荷試驗(yàn)

    在復(fù)合加載試驗(yàn)機(jī)上對２號試樣進(jìn)行拉伸至失效試驗(yàn),在靜水壓試驗(yàn)機(jī)上對１號和３號試樣進(jìn)行不同條件下的內(nèi)壓失效試驗(yàn),加壓介質(zhì)為水,試驗(yàn)結(jié)果見表７.拉伸至失效后的試樣形貌見圖４.

２．５ 討論

    試驗(yàn)結(jié)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(shù)要求;螺紋經(jīng)３次上扣、２次卸扣未發(fā)生粘扣現(xiàn)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(qiáng)度條件下的氣密封性能.有研究指出[９],當(dāng)套管接箍的屈服強(qiáng)度與管體接近時(shí),套管的薄弱環(huán)節(jié)為接箍部分,在水壓爆破試驗(yàn)過程中,接箍承載能力低于管體,接箍首先脹大變形,最后發(fā)生失效.試驗(yàn)接箍試樣的屈服強(qiáng)度低于管體的,如采用承載能力強(qiáng)的接箍,可進(jìn)一步提高螺紋的 抗 內(nèi) 壓 強(qiáng) 度.２ 號 試 樣 拉 伸 失 效 載 荷 為１５５８kN,高于 API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(gè) 螺 紋 受 力 比 較 均 勻,達(dá) 到 了 提 高接 頭 抗 拉 強(qiáng) 度 的 效 果 .APIBULL５C２－１９９９規(guī)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(yàn)結(jié)果表明,靜水壓壓力未達(dá)到２０．７ MPa就出現(xiàn)從接頭部位發(fā)生泄漏的情況[９],１號和３號試樣內(nèi)壓失效試驗(yàn)的壓力分別為７０．９ MPa和７３．７ MPa,遠(yuǎn)高于API規(guī)定值.

３ 結(jié)論

    (１)設(shè)計(jì)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(qiáng) 度 條 件 下 的 氣 密 封 性 能 均合格.

    (２)設(shè)計(jì)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(gè)螺紋受力比較均勻,可提高接頭的抗拉強(qiáng)度,其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于 API標(biāo)準(zhǔn)同規(guī)格長圓螺紋套管接頭的規(guī)定值.

    (３)設(shè)計(jì)的低壓氣密封螺紋套管接頭不設(shè)置密封面和臺肩,采用普通密封脂,可實(shí)現(xiàn)與 API圓螺紋套管接頭的互換,減小現(xiàn)場操作難度,提高其利用率.

(文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化試驗(yàn)-物理檢測)