基于API圆螺纹的气密封螺纹开发及评价
张永强1,2, 刘立1,2, 陆金福3, 尹志福1,2, 王珂1,2, 刘杰1,2, 拓川1,2
1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院
2.陕西省陆相页岩气成藏与开发重点实验室(筹)
3. 宝山钢铁股份有限公司
通信作者:刘立,女,1968年生,高级工程师,硕士。电话:(029)89581689。E-mail: ycsyffs@126.com

作者简介:张永强,1982年生,高级工程师,硕士;主要从事石油管工程,油气田防腐等相关研究工作。地址:(710075)陕西省西安市高新区科技二路75号。电话:(029)89581689。ORCID: 0000-0003-3504-2131。E-mail:zhangyqslb@163.com

摘要

如果能在相对成本最低的API圆螺纹的基础上开发出一种低成本气密封螺纹替代目前的特殊螺纹接头,将带来巨大的经济效益。为此,按API Spec 5B标准,基于圆螺纹设计并加工了一种气密封螺纹结构,接箍中间增加了弹性密封圈,依靠弹性密封圈与套管螺纹的过盈配合实现密封。采用MSC.Marc/Mentat有限元分析软件对其进行了极限承载能力评价,然后按照ISO 13679标准对Ø73.02×5.51 mm J55钢级气密封螺纹实物进行了ISO 13679 B系试验、C系试验及弯曲条件下气体内压加拉伸试验。结果表明:①该气密封螺纹结构气密封性能良好,封堵管端最终内压循环与热循环试验的结果符合ISO 13679标准的要求;②该气密封螺纹结构抗内压强度、抗拉伸强度和抗外压挤毁强度均大幅高于GB/T 20657标准的要求。结论认为,该气密封螺纹结构可以在鄂尔多斯盆地低压气井开发中使用,具有大幅度节约套管成本的潜力,也可供新型气密封螺纹结构的设计借鉴。

关键词: 套管; 圆螺纹; 气密封螺纹; 有限元分析; 全尺寸试验; 低压气田; 鄂尔多斯盆地
Development of gas-tight threads based on API round threads and its evaluation
Zhang Yongqiang1,2, Liu li1,2, Lu Jinfu3, Yin Zhifu1,2, Wang Ke1,2, Liu Jie1,2, Tuo Chuan1,2
1. Research Institute of Yanchang Petroleum <Group> Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710075, China
2. Shaanxi Key Laboratory of Lacustrine Shale Gas Accumulation and Exploition (Under Planning)
3. Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China
Abstract

Great economic benefit will be made if a kind of low-cost gas-tight thread can be developed on the basis of API round thread with a relatively lowest cost to replace the existing premium thread. In this paper, a kind of gas-tight threads was designed and manufactured based on the round threads according to the API Spec 5B standard. An elastic sealing ring was added in the middle of the collar, and gas tightness was realized by virtue of the interference matching between the elastic sealing ring and the casing thread. Then, its ultimate bearing capacity was analyzed by using the finite element analysis software MSC.Marc/Mentat. Finally, ISO 13679 B series and C series tests, and tension tests under internal gas pressure in the bending setting were carried out on Ø73.02 × 5.51 mm J55 gas-tight threads according to the ISO 13679 standard. It is shown that the gas sealing performance of this gas-tight thread is good, and the results of ultimate internal pressure cycling and the thermal cycling test on sealing pipe ends meet the requirements of ISO 13679. Besides, its internal pressure strength, tensile strength and collapse strength are much higher than those required by GB/T 20657 standard. It is concluded that this type of gas-tight threads can be used in the development of low-pressure gas wells in the Ordos Basin. It has the potential to cut down the casing cost greatly and it can be used as the reference for the design of new gas-tight threads.

Keyword: Casing; Round thread; Gas-tight thread; Finite element analysis; Full-scale test; Low-pressure gas field; Ordos Basin

近两年国际原油价格持续低迷, 加之剩余油气区块开采难度不断加大, 各石油公司迫切需要降低套管成本, 特别是低压气田开发、CO2驱油过程中急需寻求一种低成本套管。国内外气密封螺纹开发中多采用密封台肩进行密封, 其成本无法大幅降低[1, 2, 3, 4]。API圆螺纹是目前相对成本最低的螺纹型式, 为此如果能够在API圆螺纹的基础上开发一种低成本气密封螺纹替代目前大量使用的特殊螺纹接头, 必然会带来巨大的经济效益, 同时也将是一项革命性创新。

1 气密封螺纹设计及加工
1.1 理论可行性分析

由于结构设计的原因, API油管螺纹啮合后, 其齿顶与齿底之间存在螺旋形泄漏通道, 连通套管的管内和管外空间[5, 6, 7, 8, 9, 10]。由于泄漏通道的存在, API圆螺纹理论上不具备流体密封能力, 一般不做气密封螺纹使用。如果能通过技术手段堵塞流体的泄漏通道, 将可以大大提高API圆螺纹的密封能力。王琍等[11]通过理论计算和实验研究认为螺纹脂有良好的流体密封性能, 但螺纹几何参数误差降低了螺纹脂密封能力。王建东等[12]采用特殊螺纹脂+长圆螺纹管柱结构成功应用在苏里格气田。虽然螺纹脂长期服役性能值得商榷, 但这为在API圆螺纹的基础上开发气密封螺纹提供了理论依据, 如能用一种弹性材料堵塞泄漏通道将能大幅提高API圆螺纹的密封性能与长期服役稳定性能。另一方面近年来随着套管螺纹加工工具由原来的普通机床更换为数控机床, 套管螺纹质量和加工精度得到了很大提高。套管螺纹加工企业可以很好的控制套管螺纹加工精度, 使得实现弹性密封成为可能。

另外, 材料科学的发展为在API圆螺纹的基础上开发气密封螺纹提供了技术基础。随着材料科学的不断发展, 先进高分子材料不断涌现, 满足在油气田工况条件下使用的弹性密封材料并不难寻找。在API圆螺纹的基础上开发气密封螺纹是可行的。

1.2 气密封螺纹设计

本螺纹结构在API标准圆螺纹的基础上增加一个弹性密封圈。弹性密封圈为特殊高分子材料, 具有高弹性和高强度特性, 镶嵌在接箍中间, 依靠弹性密封圈与套管螺纹的过盈配合实现密封。在本设计的新型螺纹结构中, 特殊高分子材料密封圈装在接箍中部的密封槽中, 外螺纹与密封圈啮合后, 由于密封圈的强度远低于金属, 密封圈可以通过形变完全填充啮合螺纹齿顶与齿底的泄漏通道, 这就将API圆螺纹的非接触式密封转化为接触式密封, 大大提高了密封的可靠性。需要强调的是采用此种密封结构时需要很好的提高螺纹加工精度从而控制J值(API 5B规定“ 机紧后管端至接箍中心的距离” 为J值)为0, 使得套管两端上扣后实现管端对顶、内壁齐平。控制J值为0的连接结构一方面可以保证密封性能, 另一方面在油田现场可以直接使用J值的方式上扣, 便于工人操作。详细结构如图1所示。

图1 气密封螺纹结构螺纹密封结构及局部放大图

1.3 螺纹加工

按照设计加工了Ø 73.02× 5.51 mm J55钢级油管螺纹, 如图2所示。

图2 气密封螺纹实物照片

2 有限元分析

对Ø 73.02× 5.51 mmJ55钢级油管螺纹结构极限承载能力进行了有限元分析。

油管接箍和管体的材料特性根据API标准取值, 弹性模量为2.1× 105 MPa, 泊松比为0.3, 本次计算以J55钢级的油管为计算对象, 其屈服强度为379 MPa, 抗拉强度为517 MPa。材料模型采用双线性强化模型, 建立模型利用数据表的形式输入其应力— 应变曲线。密封材料弹性模量为1 420 MPa, 泊松比为0.4, Moony系数C01=8, C10=32, 是完全弹性材料。

2.1 有限元建模

采用大型非线性有限元分析软件MSC.Marc/Mentat进行建模和分析, 选用的单元类型为轴对称三结点三角形实体单元。根据接头的结构和受力特点, 将其按轴对称问题处理, 且将接头的接箍中面处理为对称面, 该截面内各点只有径向位移自由度[13, 14, 15, 16, 17]。为了方便, 在不影响问题实质的前提下, 建模时引入下述简化和假设:

1)由于螺纹的螺旋升角很小忽略其影响[18], 把接头视为轴对称结构。

2)接头的材料为低合金钢, 视为均匀的各向同性体。

3)接触面的摩擦系数与螺纹脂类型有关, 本计算接头中各接触面(包括螺纹与弹性密封材料)的摩擦系数取0.025[19, 20]

本次计算选择直接约束法模拟油套管接头之间的接触。

2.2 极限承载能力有限元分析

2.2.1 拉伸至失效

对上扣后的接头施加拉伸载荷, 直至拉伸失效。结果接头的失效模式表现为滑脱失效, 大端的1~2牙啮合螺纹首先滑脱, 随后其余螺纹迅速滑脱。最后的失效载荷为408.9 kN, 大于API标准给出的本规格油管的最小连接强度322.6 kN。在拉伸失效前, 密封圈处仍保持良好的接触, 如图3所示。说明此时端面辅助密封已经失效, 螺纹的泄漏通道也迅速增大, 但是密封圈仍然起作用。

图3 拉伸失效前螺纹、密封圈和对顶端面的接触情况图

2.2.2 压缩至失效

对上扣后的接头施加压缩载荷, 直至压缩失效。结果接头的失效模式表现为失稳失效, 从管体外螺纹部位啮合的第一牙螺纹处失稳, 如图4所示。

图4 压缩失效前接头的等效应力分布和变形情况图

在压缩过程中, 密封圈上的接触应力基本保持不变, 维持在– 120 MPa左右。对顶端面上的接触应力随压缩载荷绝对值的增大而增大, 从– 440 MPa到– 620 MPa左右。

2.2.3 内压至失效

对上扣后的接头施加内压, 直至失效。结果接头的失效模式表现为管体爆破失效, 如图5所示。进一步计算得到内压失效载荷为84.0 MPa, 大于API标准给出的本规格油管的抗内压强度50.06 MPa。在内压至失效的过程中, 随内压的增大, 密封圈上的接触应力稳步增大, 从– 120 MPa增大到– 280 MPa左右, 这也是所谓的自密封效果。对顶端面上的接触应力则基本保持不变, 一直维持在440 MPa左右。

图5 内压失效前接头的等效应力分布和变形情况图

2.2.4 外压至失效

对上扣后的接头施加外压, 直至失效。结果接头的失效模式表现为管体压溃失效, 如图6所示。进一步计算得到外压失效载荷为87 MPa, 大于API标准给出的本规格油管的抗外压强度52.95 MPa。在外压失效过程中, 随外压增大, 密封圈上的接触应力略有增大, 从– 120 MPa到– 140 MPa左右。对顶端面上的接触应力略有减小, 从– 440 MPa到– 410 MPa左右。外压施加在接箍外壁和管子上, 对密封圈和对顶端面接触应力的影响有限。

图6 外压失效前接头的等效应力分布和变形情况图

2.3 极限承载分析小结

根据理论分析的结果, 各个极限载荷的失效载荷均高于API 标准中该规格圆螺纹的强度要求, 结构设计合理。弹性密封圈变形能力强, 变形后填充了螺纹之间的泄漏通道, 受轴向载荷影响小, 具有良好的密封效果。对顶端面也产生很大的接触应力, 具有辅助密封效果。

3 实物试验
3.1 试验流程

按照GB/T 21267/ISO 13679 [21]等标准对Ø 73.02 × 5.51 mm J55钢级油管气密封螺纹进行了全尺寸实物试验评价。首先对油管进行了无损检测、尺寸测量、理化试验和上卸扣试验, 确保了试验接头质量均符合API 5CT等相关标准要求。

3.2 气密封试验

主要评价了油管螺纹接头在拉伸、压缩及温度等复合条件下气密封性能, 模拟井底的油管承受的载荷工况, 试验机为复合载荷试验系统。气体泄漏检测方法为气泡内压泄漏检测。

3.2.1 B系试验(拉伸/压缩+内压循环试验)

试样在试验过程中未发生泄漏现象, 试验结果符合GB/T 21267— 2007/ISO 13679:2002《石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》标准要求, 试验载荷如表1所示, 全部加载过程中螺纹未发生泄漏。

表1 B系试验载荷表

3.2.2 C系试验(拉伸和内压条件下的热循环试验)

试样在试验过程中未发生泄漏现象, 试验结果符合GB/T 21267— 2007/ISO 13679:2002《石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》标准要求, 试验载荷如表2所示, 全部加载过程中螺纹未发生泄漏。

表2 C系试验载荷表1)

3.2.3 弯曲条件下气体内压加拉伸试验

试样在试验过程中未发生泄漏现象, 试验结果符合GB/T 21267— 2007/ISO 13679:2002《石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》标准要求, 试验载荷如表3所示, 全部加载过程中螺纹未发生泄漏。

表3 弯曲条件下气体内压加拉伸试验加载步骤表

3.2.4 封堵管端最终内压循环与热循环试验

试样在试验过程中未发生泄漏现象, 试验结果符合GB/T 21267— 2007/ISO 13679:2002《石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》标准要求, 试验条件见表4, 全部加载过程中螺纹未发生泄漏。

表4 最终内压循环与热循环试验条件表
3.3 极限载荷试验

极限载荷试验包括内压至失效、拉伸至失效、外压至失效等3种失效路径, 验证了油管抗拉、爆破、挤毁等3项实物强度。拉伸至失效、内压至失效在复合加载试验机完成。

3.3.1 内压失效试验

试样在内压加至94.8 MPa时, A、B两端螺纹同时出现泄漏失效, 试验结果高于GB/T 20657— 2011《石油天然气工业套管、油管、钻杆和用作套管或油管的管线管性能公式及计算》标准要求的50.1 MPa。试样失效后宏观形貌见图7所示。

图7 内压失效宏观形貌照片

3.3.2 拉伸失效试验

试样在拉伸载荷为665 kN时, B端螺纹滑脱, 试验结果高于GB/T 20657— 2011《石油天然气工业套管、油管、钻杆和用作套管或油管的管线管性能公式及计算》标准要求的322 kN。试样失效后宏观形貌如图8所示。

图8 拉伸失效宏观形貌照片

3.3.3 外压失效试验

试样在外压为70.1 MPa时, B端管体挤毁, 试验结果高于GB/T 20657:2011《石油天然气工业套管、油管、钻杆和用作套管或油管的管线管性能公式及计算》标准要求的53.0 MPa。试样失效后宏观形貌如图9所示。

图9 试样外压失效宏观形貌照片

3.4 试验结果分析

此次试验基本达到了J55钢级材料极限, 试验结果表明本螺纹结构可以通过ISO 13679 B系和C系试验, 气密封性能可靠且密封能力稳定。实物试验结果与有限元计算结果有一定差别, 可能与样品制造公差及样品本身材料性能有关。

4 应用前景分析

以上分析表明本螺纹结构密封性能良好, 稳定性好, 适合在低压工况条件下使用。近年来国内外对CO2埋存与驱油项目关注日益增多, 其中成本是掣肘此类项目的关键问题[22, 23, 24, 25]。本螺纹结构可以在CO2埋存与驱油项目中有效防止井筒泄漏泄露, 并能降低套管成本。此外, 鄂尔多斯盆地陆续发现了苏里格、乌审旗、靖边、榆林、大牛地等多个大型气田[26, 27, 28]。这些气田都具有“ 低孔、低渗、低压、低产” 四低的特征, 急需低成本开发技术。本螺纹结构密封完全可以满足苏里格气田、延长气田工况绝大多数气井工况要求。如果采用高钢级管材, 其密封能力将进一步提高, 可满足更高的压力工况。

按照目前市场价格, 同钢级特殊螺纹套管价格至少为API圆螺纹套管的2倍。此种在API圆螺纹的基础上开发的气密封螺纹结构成本为API圆螺纹的1.2倍左右, 按此分析采用此种气密封螺纹代替目前大量使用的特殊螺纹至少可以节约40%的套管成本, 经济效益可观。

5 结论

1)依靠高分子弹性密封材料可以大幅提高API圆螺纹气密封性能, 在API圆螺纹基础上开发气密封螺纹是可行的。

2)该气密封螺纹可在鄂尔多斯盆地低压气井、CO2埋存与驱油项目中使用, 具有大幅度节约成本的潜力。

The authors have declared that no competing interests exist.

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