特殊螺紋氣密封性檢測裝備國產(chǎn)化及其應用

金根泰，李國韜

(中國石油集團工程技術研究院有限公司 北京 102206)

0 引 言

隨著地下儲氣庫建設、天然氣開發(fā)的大規(guī)模進行，儲氣庫注采氣井、高壓氣井、含酸性氣體的生產(chǎn)井等復雜高危工況井的比例越來越大，對油套管的密封性能要求越來越高,氣密封特殊螺紋油套管被廣泛應用。然而，由于油套管的加工公差配合，運輸過程中的磕碰、微腐蝕，螺紋脂不合理使用，油套管下入作業(yè)過程中上扣扭矩不合理，以及油管反復使用等因素的影響，極易造成螺紋密封性能下降。統(tǒng)計資料表明，螺紋連接部位是油套管最薄弱的環(huán)節(jié)，約86%的油套管柱失效事故發(fā)生在這個部位[1]。因此，及時檢測油套管螺紋的密封性，是杜絕安全隱患的必要手段。

在北美、墨西哥、南美的大部分油田對特殊螺紋進行氣密封性能檢測是強制性要求，并且已開發(fā)出了油套管螺紋密封檢測設備，形成了油套管螺紋密封檢測技術。目前國內(nèi)對油套管螺紋進行氣密封性檢測的工作尚處于起步階段，僅在儲氣庫注采井相關標準中有明確要求。在檢測設備方面，處于國外壟斷局面，檢測費用昂貴。[2-3]

因此，研發(fā)一套油套管特殊螺紋氣密封性檢測設備和配套相應的技術，對于促進我國氣井井筒完整性管理，避免因螺紋泄漏引發(fā)巨大損失，意義重大。

1 檢測的基本原理及設備

螺紋氣密封檢測是在油套管入井前，在測試管柱內(nèi)下入雙封檢測工具；向檢測工具內(nèi)注入氦氮混合氣，將檢測工具的上下膠筒分別坐封在接箍上下位置；繼續(xù)加壓至設計要求的檢測壓力，此時檢測氣體進入檢測工具與管柱之間的密閉環(huán)形空間；用集氣套將油套管接箍包起來，形成密閉空間，通過高靈敏度的檢漏儀在螺紋外探測氦氣是否泄漏，從而來判斷螺紋連接的密封性。由于氦氣分子直徑小[4]，可以沿螺紋微細空間滲透，且為惰性氣體，使用安全。若有氣體泄漏則設備報警，表明螺紋密封不合格。因此，該技術可以精確地檢測出油套管螺紋連接的氣密封性能。螺紋氣密封檢測主要設備見表1。

表1 螺紋氣密封檢測主要設備

2 氦氣檢測技術的研發(fā)

2.1 整體設計思路

在調(diào)研國外相關產(chǎn)品的基礎上，對動力和增壓系統(tǒng)、雙封隔器檢測工具、控制系統(tǒng)等關鍵部件進行設計；完善相關工藝和配件；優(yōu)化配套工藝和操作程序；開展地面聯(lián)調(diào)和試驗井測試，最終形成一套油套管特殊螺紋氣密封檢測工藝技術和配套裝備。重點完成液氣動力系統(tǒng)選配、增壓系統(tǒng)及檢測氣源選配、檢測執(zhí)行系統(tǒng)研發(fā)、控制系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)設計工作。

2.2 動力和增壓系統(tǒng)的優(yōu)化

野外作業(yè)，需自備動力源，對油套管螺紋進行氣密性檢測，難點在于如何將氮氣和氦氣的混合氣體快速從氣瓶壓力增壓到設計的檢測壓力。經(jīng)過方案比選，最終采用高壓泵給水增壓，然后通過蓄能器將水壓力轉(zhuǎn)化為氮氦混合氣壓力的方式。通過控制臺實現(xiàn)遠程的柴油機、高壓卸壓閥、高壓截止閥、氣動離合器的控制。利用壓縮空氣作為動力，無需任何電器，滿足現(xiàn)場防爆的要求。

2.3 雙封隔器檢測工具設計

2.3.1 方案設計

雙封隔器檢測工具是一種上下均帶有封隔器的特制工具，能分程序完成卡封檢測部位、注入高壓氣體檢測和解封作業(yè)。通過優(yōu)化設計、有限元分析、室內(nèi)試驗，對比了壓縮式檢測工具與擴張式檢測工具，最終選用了壓縮式檢測工具，采用抗疲勞壽命和非對稱設計，提高了使用次數(shù)，增強了檢測的安全性。壓縮式檢測工具具有以下特點：膠筒由氣壓推動活塞式滑套壓縮變形坐封，坐封壓力2 MPa，坐封后密封壓力與檢測壓力一致；膠筒變形小，結(jié)構(gòu)簡單，膠筒回彈時間較快，拆裝方便。

2.3.2 結(jié)構(gòu)設計

雙封隔器檢測工具主要包括膠筒密封件、活塞缸坐封裝置、進氣測試機構(gòu)、泄壓解封裝置4部分，如圖1。

圖1 雙封隔器檢測工具示意圖

膠筒密封件是在外力的作用下，擠壓膨脹而密封環(huán)形空間，防止流體通過的部件。它是封隔器的關鍵部件，主要由彈性膠筒、安裝密封元件的鋼碗，隔環(huán)和防止密封元件突出的元件構(gòu)成。

活塞缸坐封裝置是使封隔器坐于測試段后保持密封狀態(tài)的部件。坐封開啟后，進入氣缸的壓力氣體推動活塞運動，壓縮高強度彈性膠筒，使之膨脹而密封環(huán)形空間。它是由坐封活塞、中心管、上、下接頭、滑套組成。

進氣測試機構(gòu)是在封隔器膠筒坐封后，保持膠筒持續(xù)密封并測試環(huán)形空間氣體泄漏的部件。它由進氣閥、中心管、活塞缸構(gòu)成。

泄壓解封裝置是釋放環(huán)形空間和活塞缸的壓力，使膠筒回彈恢復原狀，并順利起封的裝置。它由泄壓閥、中心管、活塞缸構(gòu)成。

2.3.3 膠筒設計

膠筒是整個檢測工具的核心部件，用于封隔檢測工具與管柱之間的環(huán)形空間，其材料是硫化丁腈橡膠。由于橡膠材料屬于非線性復合材料，機械特性也會由于外部因素的影響而變得復雜。為此，在驗證膠筒密封性能前，采用兩組膠筒模型，對橡膠進行有限元分析。

通過優(yōu)化分析、試驗優(yōu)選，采用高強度和特殊工藝制作的膠筒和保護套，承壓可達50 MPa以上，實驗室承壓次數(shù)200次以上；上、下膠筒采用不同硬度、扯斷強度、扯斷伸長率、壓縮永久變形的橡膠材料，最終實現(xiàn)上膠筒解封速度、回彈速度快于下膠筒，避免了下膠筒先于上膠筒解封，造成檢測工具因環(huán)空高壓被“頂出”管柱，引發(fā)操作現(xiàn)場安全事故。

2.4 檢漏儀優(yōu)選和集氣套設計

設計的集氣套密封效果好、操作方便，可以更好地收集泄漏氣；優(yōu)選檢漏儀，提高了檢測評價的準確度，檢測氦氣泄漏速率精度為1.0×10-8Pa·m3/s。

2.5 氦氣檢漏儀數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

開發(fā)了氦氣檢漏儀數(shù)據(jù)采集軟件，具有數(shù)據(jù)采集、實時顯示、展示數(shù)據(jù)走勢、超標數(shù)據(jù)報警等功能。此外，可以將穩(wěn)定值存儲到數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查看、按照格式匯總、最后輸出格式報告等目的，有效降低了現(xiàn)場人員工作強度，顯著提高了工作效率。

2.6 裝備的主要參數(shù)

該套裝備的主要性能指標以及與國外同類產(chǎn)品的對比見表2。由表可知，該套設備與國外同類裝備相比具有系統(tǒng)緊湊、安裝簡捷、檢測時間短，膠筒承壓次數(shù)高、解封安全性高，操作效率高和記錄準確等特點。

表2 與國外同類產(chǎn)品的技術指標對比

注：1 in=25.4 mm

3 應用情況

該裝備在中石油、中石化20口井中完成了1 800余扣次的螺紋氣密封檢測,見表3所示。在檢測入井管柱螺紋密封性的同時，對檢測設備的檢測壓力、檢測精度、檢測時間和膠筒使用壽命都進行了優(yōu)化完善，使整套設備達到了吊裝方便、裝卸快捷、操作靈活、運行平穩(wěn)的特點，為有效保證高壓氣井井筒密封完整性提供了技術支撐。該項成果目前已經(jīng)授權(quán)2項實用新型專利，申請4項發(fā)明專利。

表3 螺紋氣密封檢測現(xiàn)場應用統(tǒng)計表

4 結(jié)論與建議

1)研發(fā)的螺紋氣密封檢測裝備，系統(tǒng)緊湊簡捷、升壓迅速、運行順暢、檢測速度快，2 min30 s可完成所有檢測操作，能很好地適應現(xiàn)場作業(yè)需要。

2)檢測工具采用壓縮式坐封和非對稱解封設計，有效提高了檢測工具使用壽命和操作安全性，解決了現(xiàn)場膠筒使用次數(shù)少、工具易“頂出”的技術難題。

3)開發(fā)的油套管螺紋氣密封檢測數(shù)據(jù)采集軟件，具有實時記錄泄漏速率圖像和數(shù)據(jù)的功能，解決了現(xiàn)場手工記錄、數(shù)據(jù)可靠性低的技術難題。

4)根據(jù)國內(nèi)氣井的實際工況條件，匹配適當?shù)脑鰤浩骱蛢δ芷鞯淖畲蟪袎耗芰ΓM一步降低成本，提高裝備的性價比。