油管扣氣密檢測(cè)工藝及工具研制

李清濤，黃毓祥，陳 杰，張璽亮，劉傳剛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司, 天津 300452)

隨著國(guó)際能源需求的增加，石油天然氣勘探開發(fā)不斷深入，井下工作環(huán)境復(fù)雜多變，油氣井開發(fā)越來(lái)越受到重視。氣井、深水井的開發(fā)不同于普通油井開發(fā)，尤其是含有腐蝕性氣體的氣田，對(duì)生產(chǎn)管柱密封性能要求嚴(yán)苛。日趨惡劣的開采環(huán)境對(duì)石油管接頭[1-3]的密封性能提出了更高的要求，具有較高氣密性的油套管接頭[4-6]，例如法國(guó)的WAM、阿根廷的3SB、日本的TM和FOX扣等在油氣井開采中應(yīng)用日益廣泛。雖已形成規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，但伴隨著油套管接頭的多次應(yīng)用，以及現(xiàn)場(chǎng)工況載荷條件的限制[7]，生產(chǎn)過程中的油管滲漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，許多井存在井口油套帶壓現(xiàn)象，壓力波動(dòng)。如果氣體存在腐蝕成分，嚴(yán)重影響套管安全，存在重大安全隱患。如果引起套管變形，控制天然氣的油套管出現(xiàn)問題，井內(nèi)天然氣無(wú)法控制，后續(xù)工程施工無(wú)法保障，將對(duì)環(huán)境和社會(huì)造成不可預(yù)測(cè)的安全隱患。

現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)密封檢測(cè)作業(yè)采取每下入約50根油管后，投入堵塞器，進(jìn)行水密封試驗(yàn)，即使水壓試驗(yàn)合格，也有可能還會(huì)出現(xiàn)油套帶壓的問題。因?yàn)樗肿恿恳h(yuǎn)大于天然氣的分子量，水不能穿透過的微間隙，天然氣能夠輕易穿透。因此，在含有天然氣井中，生產(chǎn)管柱使用水介質(zhì)來(lái)進(jìn)行試壓，其效果是非常不理想的，和氣井密封要求相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于生產(chǎn)管柱氣密扣的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，還沒有一套能夠被行業(yè)內(nèi)普遍接受的手段、方法[8-11]和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，可以說(shuō)這部分工作在國(guó)內(nèi)剛剛起步。為了保證生產(chǎn)管柱在井下的安全，研究油管螺紋的氣密封性檢測(cè)技術(shù)極具必要性。中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司以現(xiàn)有氣體增壓設(shè)備和檢測(cè)儀器為主[12-15]，研制配套管內(nèi)封隔器和管外檢測(cè)密封工具及其他配套工具，形成了一套油管扣密封檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在生產(chǎn)管柱下入時(shí)高效、快速、安全地對(duì)氣密扣進(jìn)行密封性能檢測(cè)，達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用的條件。

1 氣密檢測(cè)原理

為保證入井管柱的完整性，油管在井口連接，要保證其氣密性良好，螺紋連接處是薄弱點(diǎn)，需采取合理的檢測(cè)手段對(duì)其檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求操作簡(jiǎn)便，不過多占用機(jī)時(shí)，且判斷準(zhǔn)確。傳統(tǒng)的濕式氣密性檢測(cè)方法有浸水法和氣泡法，這2種方法都需要將被測(cè)件浸沒在水中，或?qū)⒎试硭吭诒粶y(cè)物表面，觀察被測(cè)件外表面是否有氣泡產(chǎn)生，濕式法存在效率低、不能定量分析等缺點(diǎn)，不符合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求；干式氣密性檢測(cè)法對(duì)被測(cè)工件內(nèi)充氣，通過測(cè)量?jī)x器檢測(cè)工件內(nèi)或外表面氣體，判斷氣密性。氦氣檢測(cè)法是干式氣密檢測(cè)的方法之一，氦氣分子直徑小，僅大于氫，易于沿微細(xì)間隙通道滲透，如表1，且氦氣是惰性氣體，對(duì)人無(wú)毒，對(duì)金屬管材無(wú)損傷，無(wú)腐蝕、安全清潔，具有反應(yīng)時(shí)間快，檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，符合現(xiàn)場(chǎng)需求，故根據(jù)氦氣檢漏的原理進(jìn)行油管扣氣密性檢測(cè)工藝技術(shù)研究。

表1 不同介質(zhì)的滲透率(25 ℃，與氦氣對(duì)比)

油管扣氦氣檢漏工藝流程如圖1～2。

1) 油管在井口連接并緊扣后，在接箍外罩上集氣罩。

2) 用氣動(dòng)絞車將檢測(cè)封隔器從油管頂部放入到接箍位置，使油套管連接螺紋處于封隔器的上、下膠筒中間的位置。

3) 漲封密封膠筒，封隔器坐封完成后，保持坐封通道壓力不變。往封隔器和油管的密封環(huán)空注入高壓氮氦混合氣，用檢測(cè)儀在集氣罩中檢測(cè)是否存在氦氣。

4) 檢測(cè)完畢后，先釋放油管與封隔器環(huán)空壓力，再釋放封隔器坐封壓力，封隔器膠筒自動(dòng)彈回，封隔器實(shí)現(xiàn)解封，取出封隔器。

5) 進(jìn)行下一根油管檢測(cè)作業(yè)。

圖1 油管扣檢測(cè)流程

圖2 油管扣氣密檢測(cè)工藝技術(shù)原理

2 關(guān)鍵工具研制

2.1 工具結(jié)構(gòu)及原理

根據(jù)油管扣氣密檢測(cè)工藝技術(shù)的原理，設(shè)計(jì)氣密檢測(cè)封隔器的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，由提升系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)、心軸等組成。提升系統(tǒng)由懸掛頭、提升頭、鋼絲繩組成；密封系統(tǒng)采取上下雙膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；活塞系統(tǒng)由連接套、彈簧、活塞、活塞套組成；鎖緊系統(tǒng)由調(diào)節(jié)環(huán)、鎖緊套組成?？刂铺嵘到y(tǒng)將封隔器下入到油套管內(nèi)，使封隔器的上下膠筒處于油套管螺紋的兩側(cè)；密封系統(tǒng)上下對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)，通過單封隔器即可實(shí)現(xiàn)封隔器與油套管之間環(huán)空的密封；活塞與活塞套之間裝有助于膠筒復(fù)位的彈簧，活塞套上設(shè)計(jì)有可防止封隔器解封時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓而影響膠筒復(fù)位的壓力平衡通道，可有效使膠筒解封；鎖緊套與調(diào)節(jié)環(huán)形成雙螺母對(duì)擰緊固結(jié)構(gòu)，以防止封隔器坐封時(shí)活塞套產(chǎn)生移動(dòng)；上下對(duì)稱的心軸結(jié)構(gòu)，心軸上并列設(shè)置有兩條傳壓通道，其中一條傳壓通道為液壓坐封通道，設(shè)有兩個(gè)出口，分別與封隔器的上活塞腔室、下活塞腔室連通，控制密封機(jī)構(gòu)的坐封及解封狀態(tài)，另一條傳壓通道為高壓氣體驗(yàn)封通道，出口設(shè)置在封隔器上的兩個(gè)膠筒之間，對(duì)形成的油管接箍?jī)?nèi)封閉腔充氣驗(yàn)封。

1—鋼絲繩；2—提升頭；3—懸掛頭；4—鎖緊套；5—調(diào)節(jié)環(huán)；6—活塞套；7—膠筒；8—活塞；9—彈簧；10—連接套；11—心軸；12—導(dǎo)向鎖緊套。

2.2 技術(shù)參數(shù)

氣密檢測(cè)封隔器在油管扣氣密檢測(cè)工藝中的作業(yè)工況分為3種：封隔器坐封、驗(yàn)油管扣氣密性和封隔器解封。針對(duì)這3種作業(yè)工況，設(shè)計(jì)氣密檢測(cè)封隔器的技術(shù)參數(shù)。

2) 膠筒坐封額定壓力25 MPa，油壓坐封；密封壓力70 MPa以上，氣體密封。

3) 密封膠筒卸載后殘余變形小，能夠無(wú)阻礙的提出和放入88.9 mm(3英寸)油管內(nèi)，連續(xù)有效重復(fù)使用次數(shù)不低于50次，現(xiàn)場(chǎng)拆裝方便。

2.3 受力分析

封隔器受力主要來(lái)自兩部分:一部分來(lái)自兩條壓力通道內(nèi)的液體和氣體壓力；另一部分來(lái)自懸掛在心軸上的零部件對(duì)其的作用力。封隔器金屬部件均選用40CrMnMo材質(zhì)，強(qiáng)度極限980 MPa，材料屈服強(qiáng)度785 MPa。心軸受力最為惡劣，對(duì)心軸進(jìn)行受力分析。

1) 坐封極限工況下心軸強(qiáng)度分析。

當(dāng)坐封壓力達(dá)到最高35 MPa時(shí)，其坐封壓力通道承受的內(nèi)壓最大；同時(shí)，活塞的推力傳遞到心軸上，使心軸受到向兩端的拉力F=21 450 N，在此情況下，對(duì)心軸進(jìn)行建模，進(jìn)行受力分析，如圖4～5。

圖4 心軸坐封極限狀態(tài)下力學(xué)模型

圖5 心軸坐封極限應(yīng)力云圖

由圖5可以看出，心軸受 35 MPa 內(nèi)壓及兩端拉力F作用時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在壓力出口處，最大值為 202.4 MPa，遠(yuǎn)小于心軸材料 40CrMnMo 的屈服強(qiáng)度785 MPa，安全系數(shù)為 3.9。

2) 驗(yàn)封極限工況下心軸強(qiáng)度分析。

封隔器坐封完成后，膠筒緊貼在油管內(nèi)壁上，油管和工具環(huán)空中的氣體壓力主要由膠筒承擔(dān)，在此情況下，心軸主要承受驗(yàn)封壓力85 MPa拉力作用以及坐封壓力35 MPa的內(nèi)壓作用，對(duì)心軸進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，如圖6～7。

由圖7可以看出，心軸在驗(yàn)封極限工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在氣體通道入口的錐面處，最大值為242.8 MPa，心軸材料40CrMnMo 的屈服強(qiáng)度785 MPa，安全系數(shù)為 3.2。設(shè)計(jì)合理。

圖6 心軸驗(yàn)封極限狀態(tài)下力學(xué)模型

圖7 心軸驗(yàn)封極限狀態(tài)下應(yīng)力云圖

由以上分析可知，心軸材質(zhì)選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均滿足坐封及驗(yàn)封極限工況下的強(qiáng)度要求，且安全系數(shù)均在3 以上，設(shè)計(jì)合理。

3 工具性能測(cè)試

封隔器的密封能力、各部件能否順利地反復(fù)多次動(dòng)作是工具研制成敗的關(guān)鍵。重點(diǎn)對(duì)工具的整體性能進(jìn)行測(cè)試及驗(yàn)證。

工具零部件清洗干凈，檢測(cè)各部件尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)工具進(jìn)行裝配，各滑動(dòng)表面和螺紋連接處涂抹潤(rùn)滑油，裝配后，各部件靈活無(wú)卡阻現(xiàn)象，工具實(shí)物圖如圖8。

圖8 氣密檢測(cè)封隔器

a 封隔器送入測(cè)試筒

b 接封隔器兩路壓力管線

c 加壓泵加壓測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，封隔器在25 MPa坐封時(shí)，液壓驗(yàn)封30～85 MPa，穩(wěn)壓情況良好。解封后，將封隔器從測(cè)試筒內(nèi)取出，反復(fù)測(cè)試80次，封隔器動(dòng)作靈活，坐封、驗(yàn)封、解封情況良好，證明封隔器設(shè)計(jì)合理。膠筒為易損件，作業(yè)時(shí)至少備2套工具，一用一備，適時(shí)更換工具及膠筒零部件，提高作業(yè)效率。

表2 驗(yàn)封試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

油管扣氣密封檢測(cè)技術(shù)在中海油鉆采試驗(yàn)基地JJSY-1井進(jìn)行了成功應(yīng)用，如圖10。在井口檢測(cè)3" 9.21 b/ft FOX型油管扣200個(gè)，檢測(cè)出4個(gè)泄漏點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)及時(shí)更換油管，提高了作業(yè)可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)下1根油管的時(shí)間分配為：油管扣上扣2 min38 s，檢測(cè)2 min50 s，下油管(鉆井隊(duì)操作)24 s，起管到鉆臺(tái)1 min30 s，合計(jì)7 min22 s。檢測(cè)時(shí)間占38.4%，檢測(cè)過程的時(shí)間是封隔器下入20 s，坐封50 s，注入高壓氣20 s，穩(wěn)壓及檢測(cè)60 s，泄壓10 s，封隔器起出10 s。

a 封隔器準(zhǔn)備送入油管內(nèi)

b 井口油管檢漏

c 井口封隔器檢測(cè)

5 結(jié)論

1) 為保證氣井、深水井生產(chǎn)管柱在井下的安全，提高作業(yè)可靠性，降低井內(nèi)復(fù)雜事故的發(fā)生率，建議現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行油管氣密扣的氣密封性檢測(cè)。

2) 油管氣密扣氦氣檢測(cè)技術(shù)，具備檢測(cè)精度高、反應(yīng)時(shí)間快、安全清潔、無(wú)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)；氣密檢測(cè)封隔器采用無(wú)卡瓦坐封結(jié)構(gòu)，避免對(duì)油管的傷害。采用雙組膠筒、雙增壓通道結(jié)構(gòu)，保證泄壓完成后再解封，防止工具上竄而發(fā)生危險(xiǎn)，工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3) 通過整體性能測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，研發(fā)的油管扣氣密檢測(cè)技術(shù)工藝可行，工具性能可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)在生產(chǎn)管柱下入時(shí)高效、快速、安全地對(duì)氣密扣進(jìn)行密封性能檢測(cè)，應(yīng)用前景廣闊。