采用金属双法兰对油层套管密封的工艺改进

张洪铭　张凯　麻少林　谭磊

摘 要：采用金属FS双法兰复合密封新工艺解决油层套管椎挂器密封失效泄漏的问题，利用原先套管头上的R54钢圈槽，使得51/2"套管椎挂副密封与R54钢圈密封之间形成一个封闭的环空，在封闭的环空中注入足量的FS密封脂，有效解决51/2"套管椎挂的密封问题，同时，对R54钢圈也有较好的润滑效果。现场压井后，加装双法兰密封连接头试验，密封效果良好，解决了油层套管椎挂密封失效窜漏的问题。

关键词：双法兰；复合密封；套管；大四通

中图分类号：TE88 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.105

油气井经过较长时间生产后，由于表层套管腐蚀、固井水泥失效和套管椎挂器密封失效等，特别是井口大四通处出现油气泄漏的情况时，不仅会污染生产现场的环境，还存在重大的安全隐患。尤其是西南地区，油气井比较多，天然气中含硫量比较高，不允许出现比较严重的油气泄漏问题。因此，解决油层套管椎挂器锥挂密封失效的问题显得尤为重要。通过分析川中油气矿部分矿井井口油层套管泄漏问题，笔者提出采用金属FS双法兰复合密封工艺解决，取得了良好的效果。

1 油层套管密封处常见的问题

在油气矿井口的安全检查中，经常发现井口大四通下法兰与套管头连接处存在油气窜漏问题。这个问题的存在给矿井周边带来了较大的安全隐患，需要及时查明原因并整改，以确保生产安全。以川中油气矿莲2井油气窜漏为例，按照作业程序，对该井进行泄压并压井，压井后观察足够长的时间，发现无喷涌的可能，则用作业车提起大四通，观察大四通下法兰与套管头的接触面，查找天然气泄漏点及其泄漏原因。简易套管头使用的BX156钢圈槽无刺坏渗漏现象，而且发现天然气是从套管椎挂器与套管头之间的接触面泄漏出来的。这说明，5-1/2"套管锥挂器主密封件已经失效，如圖1所示。拆开大四通后，检查大四通法兰与套管头连接处，简易套管头使用的BX156钢圈位于5-1/2"套管椎挂器本体上端面，没有发现腐蚀和被刺的情况，而椎挂器主密封外没有密封钢圈，则初步判断为椎挂器主密封失效后直接外漏，如图2所示。

由于要取出5-1/2"套管椎挂器，不仅工艺复杂、成本太高，而且还存在较大的风险。目前，通常不采用上提套管锥挂器更换密封件的方式来解决泄漏问题，只能对泄漏点外增加密封，防止外漏。这种办法的处理效果不好，且保持时间比较短，不能从根本上解决泄漏问题。

2 解决油层套管密封问题的原理

针对上述问题，采用金属FS双法兰复合密封方法可以有效防止油层套管椎挂器密封的泄漏。其基本原理是，5-1/2"LCSG短节与套管器椎挂螺纹连接，外加金属、橡胶圈复合密封件，形成副密封和金属密封总成密封，大四通总成端面采用R54钢圈密封，FS密封装于大四通总成内腔内实现FS封闭，起到二次密封保护的作用。具体做法是：将5-1/2"LCSG短节用螺纹连接在原套管头套管挂上，在短节外加装金属密封总成；大四通总成端面与原套管头端面均有R54钢圈密封；紧固套管头与大四通的法兰连接螺栓，迫使金属密封圈和R54钢圈变形，金属封密在螺栓的压迫下与套管短节抱紧，外与大四通内腔密封面贴紧。钢圈同样在螺栓的紧固下变形，上与大四通、下与原套管头密封面贴紧。这样做，就使得铜圈内与金属密封总成外有一环空，利用这个环空往里注入一定量的密封脂。激发原套管头椎挂器的主密封，达到5-1/2"套管内的压力不能不窜至套管外，5-1/2"套管外的压力激发了主密封也窜不到副密封的密封腔，因为R54钢圈作用套管头内部的压力不会外泄。金属FS双法兰密封副原理如图3所示。

3 金属FS双法兰复合密封副的结构

金属FS双法兰复合密封副由法兰盘、双法兰短节、密封钢圈、套管短节、考克和压力表等部件组成，如图4所示。

双法兰短节下部与套管头连接，利用底法兰椎挂器外部原有R54密封钢圈做一根双法兰短节，将椎挂器密封在内部，达到防止外漏的目的。上部与油管头下法兰连接，在此基础上，增加一根5-1/2"套管短节，短节螺纹要与5-1/2"套管椎挂器螺纹相匹配。同时，要在双法兰短节与套管短节之间增加一组金属密封和免注脂的橡胶密封。在双法兰短节本体上设金属密封与橡胶密封的试压口，以验证两道密封之间的密封情况。在双法兰短节与底法兰环空上设3个1/2"NPT螺纹孔，其中一个装考克、压力表，观察环空压力；另外两个孔作为环空注脂孔，可以对环空注脂或胶，增强椎挂器主密封的密封效果。

4 金属FS双法兰复合密封副应用的效果

现场修复原套管头有的R54钢圈槽，双法兰内短节与原5-1/2"套管椎挂器螺纹连接，短节伸出部位用作椎挂器副密封，隔断5-1/2"套管内与套管头环空之间的压力。副密封使用成熟的金属密封结构，抗腐蚀和抗老化性能均优于纯橡胶密封结构，使用寿命长。利用原来套管头上的R54钢圈槽，形成套管头与双法兰密封连接头的密封。这样，5-1/2"套管椎挂副密封与R54钢圈密封之间就形成了一个封闭的环空。

在这个封闭的环空中注入足量的密封脂，既激发了5-1/2"套管椎挂主密封的效果，又润滑了R54钢圈，兼顾了钢圈密封效果。组合密封副安装完成后，既可对环空进行试压验封，也可对副密封进行试压验封，以确保套管环空天然气不会由副密封窜向环空，并由环空向R54钢圈槽窜漏。该双法兰密封连接头采用的组合密封件能满足现场70 MPa以下井口装置的套管椎挂失效密封的要求。

将这种方法应用于川中油气矿莲2井试验中，井口压力为35 MPa，密封效果良好。该方法解决了井口大四通套管椎挂失效、天然气窜漏的问题，同时，在解决年16井等类似泄漏问题上采用该方法也取得了令人满意的效果。

5 结论

金属FS双法兰密封副结构简单，安装拆卸方便，且造价低廉，能有效节约安装使用成本，能对井口大四通下法兰处密封起到双保险作用。在大四通处加装金属FS双法兰密封副，能解决原先需要拆卸安装套管头，更换套管椎挂器才能解决的泄漏问题。采用该工艺作业时间短、安全风险小。

在无法起出套管锥挂密封件更换的情况下，对于这部分，可以加装复合密封件进行技术修补，提高密封性能。该工艺装置能够减少油气泄漏引发的环境污染问题，节能环保的作用比较明显。

参考文献

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作者简介：张洪铭（1969—），男，四川遂宁人，硕士研究生，工程师，主要从事油气田开发、井下工艺研究工作。张凯，男，硕士研究生。麻少林，男，工程师，主要从事油气田开发、井下工艺研究工作。谭磊，男，工程师，主要从事油气田开发、井下工艺研究工作。

〔编辑：白洁〕