气密螺纹油套管优选要点

2023-12-12田树亚樊金侠

设备管理与维修 2023年20期

刘标，田树亚，樊金侠

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司天津石油专用管分公司，天津 300280）

0 引言

油套管是一种油井井壁的钢管，采用的是螺纹连接，单根套管通过螺纹接头相互连接在一起形成套管柱。螺纹连接部位是管柱中最薄弱的部位，油套管中约有80%的失效产生在螺纹连接处。API 标准（American Petroleum Institute，美国石油学会）规定，不同螺纹扣型确保井下管柱结构的完整性与密封性，但实际上仍然存在一些缺陷，如油气井不能在高压、高腐蚀的条件下使用。与普通螺纹相比，气密螺纹密封性、抗变形、连接强度比较强，适用于条件恶劣的油气井。一般在选择油套管气密螺纹时，需要从机加工、接触应力等方面优先选择，使用密封性能强、不会频繁发生塑性变形的油套管。

1 油套管气密螺纹

石油开采研发全过程中，占据重要位置的始终是管柱结构，利用螺纹连接形成管柱，套管产品分为API 套管与非API 套管两类。API 套管是严格按照API 标准生产和检验的一类套管产品，具有规范统一、互换性好、价格便宜、加工维修方便和易于操作等优点，广泛应用于各油田，用量占所有全部套管的70%左右。非API 套管使用量逐渐增加，目前使用量占全部套管的30%左右。随着气井开采量在逐年增加，随着井深的增加，井内温度、压力相应提高，井况越来越复杂，特别是一些环境条件苛刻的气井，对特殊螺纹油套管产品的需求日益增加。特殊扣螺纹一般分为高温高压抗扭螺纹、气密封性螺纹等形式，开发页岩气井时一般采用气密封性螺纹。气密封性螺纹采用金属和金属接触的形式进行密封，能够很好地保证密封性能。金属与金属接触方式进行密封的方法，对应的油套管扣型即为气密封性螺纹，在石油开发中也有非常好的应用[1]。在实际应用中，油套管气密螺纹具有如下性能：

（1）密封性。井内油套管朝着3 个方向受力，即管柱承受拉力、外部挤压力和内部膨胀压力，这就需要螺纹接头具有抗拉性、抗压性，在交变载荷与高温环境下也可以体现出极佳的密封性。

（2）抗粘扣性。螺纹与密封范围的过盈量参数比较高，上卸扣时可能出现粘扣现象，这时气密螺纹的抗粘扣性成为性能的一项重要考察指标。

（3）加工性。由于气密螺纹内部结构比较复杂，所以通过加工性可以了解到螺纹实用性，具体总结为加工时间、加工成本2项指标[2]。

2 油套管气密螺纹选择要点

气密螺纹优选需要从多个维度综合考虑，行业内常用油套管气密螺纹的气密性，需要采用数控车床精密加工的方式，以达到局部过盈配合效果，加强油套管气密封性。对于数控车床的选择，必须观察设备运行期间机床整体振动、进刀量、车刀过渡等，而且需要保证工作人员操作的规范性、保证光洁度，不能有尺寸偏差，或是在加工过程中损伤产品表面，以此来保证密封性。如果油套管气密性螺纹扣长期在井下压应力状态下使用，而且周围环境温度高，很容易使公扣接触压力鼻端出现接触面应力松弛的现象，进而降低气密性。接触构件处于压缩变形条件，材料自身温度也非常高，加上疲劳状态，从而降低了密封面接触、强度、弹性模数的应力。油套管中的非定常流、输送多相流，是油套管纵向流固偶联振动的直接原因，进而出现螺纹密封面接触疲劳的现象。该问题还会引发螺纹接触面金属软化、金属之间粘连，降低金属强度，情节严重的还会在气流冲击腐蚀作用下成槽[3]。

因此，气密性螺纹的优选要从井下工况、密封性能机理等多角度进行考虑，本文将其总结为以下4 点。

（1）基本材料处于在规定的弹性变形极限范畴之内，而且尽最大可能挑选出密封面接触压力比较大的原材料，可以保证密封面较大的过盈量，这是加强气密封螺纹接头密封性能的最根本标准。

（2）在不考虑气密封性螺纹接头密封面接触压力的情况下，一旦发现缝隙，很容易出现介质流出的现象，从而引发密封失效问题。所以，杜绝气密封性螺纹接头密封面裂缝也是选择的重要标准之一。

（3）确保基体材料弹性变形、密封面接触压力满足要求的基础上，一般需要优先选择大接触面积的气密螺纹[4]。当接触面积得到保证之后，流体通道距离也会随之延长，从而提高泄漏阻力与气密性。

（4）检查螺纹密封表面，重点观察粗糙度、表面处理情况，这2 项指标会直接影响螺纹密封性能，而且在生产环节尤其要做好表面处理工艺的优化。

3 油套管气密螺纹优选建议

3.1 气密封结构

选择油套管气密封性螺纹，应该关注螺纹的啮合程度，即螺纹径向过盈啮合时所形成的接触压力。螺纹具有自密封流体的作用，其原因具有接触压力的齿侧面，如果接触面的压力较高，那么密封流体内压力也会比较高。在此方面有不同的看法，一方面当内压力大于接触压力，此时密封螺纹有很大概率会发生泄漏现象；另一方面，接触压力为0 时螺纹才会出现泄漏[5]。主流气密封性螺纹密封面的设计具有独立特性，气密封螺纹在设计中起到连接密封作用。气密螺纹密封性能优良，在接触内外密封面之后，间隙大小则起到重要作用。间隙尺寸大于介质分子直径，不考虑接触压力的条件下，螺纹不密封而且流体介质分子直径小，密封难度也随之增加。以天然气为代表的气体与液体相比，密封起来更加困难。由此发现，气密封结构设计时，需要关注到的高压气密封影响因素比较多，还需要关注应力腐蚀穿孔。为了满足气密封效果，需要保证气密封螺纹接触应力超出拟螺纹密封气体压力。如果流体介质经过密封面间隙所形成阻力ΔR 与密封面接触路径长度、间隙空间有关，建议根据公式来表达，其中h 为密封面间隙、Δl 为接触路径最小长度。

根据实践经验，接触面接触长度、面压之间的联系极为密切。气体在接触压力密封时，如果气密封螺纹密封面形成的接触面比较大，则接触压力较小；如果密封面接触面小，反而气密封接触面接触压力较大。所以，气密封螺纹密封面接触压力、接触面积可以作为气密封特殊扣螺纹密封性的最重要影响因素。气密螺纹设计阶段可以在原始材料允许的弹性条件变形范围之内，提高密封面的接触压力、增加接触面积，同时使密封面的接触路径长度得以适当延长。期望有效减小接触面应力时，需要将重点放在预防应力腐蚀穿孔上，扩大密封螺纹结构的接触面积。

3.2 密封面过盈量

气密螺纹的密封面接触压力比较高的情况下，接头气密封性能越良好，接触压力一般与过盈量有关。过盈量小，受力使密封面可能发生泄漏，如果过盈量较大，则会增加螺纹变形的概率，从而出现粘扣[6]。了解过盈量可以仔细观察螺纹密封接触压力，正常情况下接触压力是小于材料的屈服强度。此外，密封面接触压力还需超出管体内屈服压力，而且峰值接触压力与接触长度低、密封面平均接触压力大，降低上卸扣时粘扣的可能性。过盈量设计时还需规避塑性变形问题，过盈量原则上是不能超过材料比例极限应变量。

（1）计算最大过盈量需按公式ΔSmax=σp×OD 进行。其中，σp是比例极限应变量，OD 是管子外径。

（2）计算最小，在常规状态下过盈量应该大于管体内屈服压力，通常按照公式ΔSmin=2d×dt2×P/E（dt2-d2）即可得知。其中：d 是啮合位置的直径；dt 是接箍外径；P 是内屈服压力；E 是弹性模量。

3.3 密封面精度

观察螺纹接头密封面表面的粗糙度，这是螺纹密封性的重要影响因素。在表面粗糙度比较大的情况下，一般施加密封面初始接触应力会相应提升，反而表面粗糙度减小时，在螺纹密封面表面施加初始接触应力则会减小。通常螺纹接头的密封面粗糙度需要控制在0.8～3.2 μm。

3.4 接头扭矩台肩

油套管气密螺纹的扭矩台肩，可以改善接头抗粘扣性与抗过扭性，扭矩台肩如果在负角度套件下，其密封性一般会比直角台肩更佳。但需要注意的是，负角度过大的情况下，母螺纹台肩面刚度很有可能受到影响，提高加工难度。所以，负角度以15°以下为宜。扭矩台肩设计时，接箍中孔长度也是重要的参考标准，中孔的长度比较短，那么管体和接箍螺纹扭矩台肩会对中心孔产生一定的附加力，致使中孔所在部位、尺寸参数等发生改变。所以，中孔长度必须满足公式Ld＞2Lp=2Ls×（sin15°+cos15°）的要求。其中，Ld是接箍中孔长度；Lp是扭矩台肩在影响区内的长度；Ls是扭矩台肩厚度。

3.5 螺纹配合

螺纹配合一般是采取两种形式，一是承载面—导向面，二是齿顶面—齿根面。如果采用第一种配合方式，只有螺纹牙顶、牙底中间有间隙存在，螺纹抗压缩载荷性、连接强度比较高，承载面—导向面这种配合方法在使用中需要保证相当高的加工精度。第二种配合方式，齿顶面—齿根面部位有一定的缝隙存在，必须要做好牙侧间隙的各方面控制工作，使密封螺纹在压缩载荷加大作用下充分接触。在API 偏梯扣螺纹要求下，牙侧间距以20～90 μm 为宜，此时抗压缩载荷性能最佳。

3.6 螺纹承载面与导向面角度

按照承载面、导向面角度，螺纹接头共有5 种类型，分别是：①导向面正角度；②承载面负角度；③双正角度；④双负角度；⑤承载面直角。如果承载面角度不高，抗压缩性较良好，但负角度的承载面需要克服表面、加工处理难度较大的问题。在导向面角度比较大的情况下，上扣更加方便。因此需要控制好“度”，以免导向面角度太大而影响到螺纹密封接头抗压缩能力。根据操作经验总结，接触面系数大于齿形角半角正切值，此时接头滑脱的概率较小，计算公式为tanθ≤μ，其中θ 是齿形半角、μ 是接触表面摩擦因数。