API長圓螺紋在水平井工況中的適用性試驗(yàn)研究

戈 曉，張培毅，趙延延，郝玉華

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

水平井鉆井技術(shù)的大力發(fā)展，使復(fù)雜油氣藏和老油田不可開采的剩余儲量得到開發(fā)，油氣采收率顯著提高，開發(fā)成本進(jìn)一步降低。API長圓（LC）螺紋具有易加工、易修復(fù)、成本低等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)某油田區(qū)塊井身設(shè)計(jì)的水垂比大于1，最大井斜角91°/1 200 m，屬水平井，下套管作業(yè)摩擦阻力較大，當(dāng)管柱遇阻時，為使套管下放到設(shè)計(jì)位置，不得不進(jìn)行“上提下放”等解卡作業(yè)［1］。該區(qū)塊選用套管螺紋類型為API LC螺紋類型，目前有2口井發(fā)生螺紋泄漏，針對這一情況，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司開展相關(guān)試驗(yàn)研究，以評估該螺紋類型在水平井中的適用性。

1 有限元工況模擬

以Φ139.7 mm×10.54 mm N80鋼級套管的LC螺紋為研究對象，進(jìn)行分析和數(shù)值模擬，其使用性能［2-3］及加載載荷見表1。施加的拉伸載荷設(shè)定為螺紋連接強(qiáng)度的95%，壓縮載荷設(shè)定為螺紋連接強(qiáng)度的50%。

1.1 有限元建模

按規(guī)定中的API LC螺紋參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值及最佳位置擰緊螺紋。上扣時根據(jù)API Spec 5B—2008《套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗(yàn)規(guī)范》首先完成手緊上扣，因該規(guī)格緊密距為3圈，因此需要再機(jī)緊3圈，以完成上扣［4］，此時外螺紋與內(nèi)螺紋的相對位置即最佳上扣位置。分別按無軸向載荷、50%壓縮載荷和95%拉伸載荷建立3個模型，不同載荷下LC接頭的等效應(yīng)力分布如圖1所示。圖1（a）所示為不承受軸向載荷，其高應(yīng)力區(qū)為外螺紋的1～4個螺紋和內(nèi)螺紋的1～4個螺紋，該位置是上卸扣試驗(yàn)時容易發(fā)生螺紋黏結(jié)的位置；圖1（b）所示為承受50%壓縮載荷后，高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移到內(nèi)螺紋的2～5個螺紋，而擰緊螺紋后外螺紋形成的高應(yīng)力區(qū)（圖1a），應(yīng)力雖變化不大，但已經(jīng)不處于最高應(yīng)力區(qū)了；圖1（c）所示為承受95%拉伸載荷，整個外螺紋成為新的高應(yīng)力區(qū)。因此，套管串在“上提下放”作業(yè)時，外螺紋和內(nèi)螺紋將承受交變載荷作用。

表1 Φ139.7 mm×10.54 mm N80鋼級LC螺紋類型套管使用性能及加載載荷

1.2 螺紋密封能力分析

圖1 不同載荷下LC接頭的等效應(yīng)力分布

將等效應(yīng)力云圖的螺紋部放大后，觀察不同載荷下的螺紋接觸面情況。不同載荷下螺紋接觸情況如圖2所示。對比可知，壓縮載荷對螺紋的接觸面積影響不明顯，而拉伸載荷對螺紋的接觸面積影響非常大。不同載荷下接觸應(yīng)力沿螺紋分布情況如圖3所示，2D建模時是按照0.6 mm劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，因此每個接觸線段代表了一個接觸面，且接觸長度為0.6 mm。當(dāng)該接觸線段的接觸應(yīng)力大于0時，接觸面能夠起到密封作用，視為有效接觸面；接觸應(yīng)力為0時，視為無效接觸，其密封只能依靠于優(yōu)質(zhì)螺紋密封脂來實(shí)現(xiàn)。有效接觸面所占比例越高，表征螺紋的密封能力越強(qiáng)。將所有接觸線和對應(yīng)的接觸應(yīng)力導(dǎo)入Excel表中，統(tǒng)計(jì)出不同載荷下的螺紋有效接觸面所占比值情況，見表2。分析可知，當(dāng)拉伸載荷達(dá)到螺紋連接強(qiáng)度的95%時，有效接觸面由65.3%下降到37.8%，密封能力明顯下降。

圖2 不同載荷下螺紋接觸情況

2 實(shí)物驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 試樣準(zhǔn)備

隨機(jī)選取一支Φ139.70 mm×10.54 mm N80 LC成品管，截取外螺紋和內(nèi)螺紋作為試驗(yàn)樣，經(jīng)測量螺紋參數(shù)，符合API Spec 5B—2008要求［4］，螺紋參數(shù)測量結(jié)果見表3。為了模擬API LC螺紋服役的最苛刻情況，一般應(yīng)選擇最小扭矩控制螺紋擰緊后進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。需要說明的是，此時外螺紋與內(nèi)螺紋的相對位置并非最佳位置，而是符合API RP 5C1—1999《套管和油管維護(hù)與使用推薦作法》要求的最小過盈配合，也是可接受的最苛刻（密封能力最差）的一種配合。因此該試樣按照最小扭矩5 115 N·m擰緊螺紋，試樣螺紋擰緊扭矩-圈數(shù)曲線如圖4所示。

2.2 “上提下放”工況模擬試驗(yàn)

圖3 不同載荷下接觸應(yīng)力沿螺紋分布情況

表2 不同載荷下的螺紋有效接觸面占比%

為模擬不同載荷下套管管柱“上提下放”工況，實(shí)物試驗(yàn)方案分成兩部分，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見表4。第一部分為10次30%～80%拉壓載荷循環(huán)試驗(yàn)，80%拉壓循環(huán)加載曲線如圖5所示，試驗(yàn)結(jié)束后按照API TR 5C3—2008《套管、管道和用作套管或管道的線管的等式和計(jì)算技術(shù)報告》試水壓68.1 MPa，80%拉壓循環(huán)結(jié)束后試壓曲線如圖6所示，接頭未發(fā)生泄漏；第二部分為10次50%～95%拉壓載荷循環(huán)試驗(yàn)，95%拉壓循環(huán)加載曲線如圖7所示，加載結(jié)束后試水壓68.1 MPa，95%拉壓循環(huán)結(jié)束后試壓曲線如圖8所示，接頭發(fā)生泄漏，螺紋泄漏實(shí)物如圖 9 所示［5-15］。

表3 螺紋參數(shù)測量結(jié)果

圖4 試樣螺紋擰緊扭矩-圈數(shù)曲線

表4 模擬拉壓工況試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

圖5 80%拉壓循環(huán)加載曲線

3 分析討論

圖6 80%拉壓循環(huán)結(jié)束后試壓曲線

實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果表明，“上提下放”施加的載荷低于連接強(qiáng)度80%時，對長圓螺紋的密封能力影響不大，循環(huán)加載10次后螺紋密封未失效；當(dāng)“上提下放”施加的載荷增加到連接強(qiáng)度的95%時，循環(huán)加載10次后進(jìn)行水壓測試，螺紋發(fā)生泄漏，螺紋密封能力已不能滿足產(chǎn)品抗內(nèi)壓泄漏要求。由有限元模擬可知，當(dāng)拉壓載荷循環(huán)加載時，外螺紋和內(nèi)螺紋的有效接觸面是在37.5%～65.3%反復(fù)變化的，這種螺紋間隙的變化為螺紋脂的緩慢流變提供了空間和動能，從而產(chǎn)生了對接頭密封性不利的影響。

圖7 95%拉壓循環(huán)加載曲線

圖8 95%拉壓循環(huán)結(jié)束后試壓曲線

圖9 螺紋泄漏實(shí)物示意

4 結(jié) 語

（1）API LC螺紋擰緊后存在螺紋間隙，當(dāng)施加拉壓循環(huán)載荷時，內(nèi)外螺紋將承受交變載荷，同時螺紋間隙也是變化的，對螺紋接頭水密封能力可能會產(chǎn)生消極影響。

（2）當(dāng)拉伸載荷小于80%螺紋連接強(qiáng)度時，API LC螺紋密封可靠；當(dāng)拉伸載荷達(dá)到95%螺紋連接強(qiáng)度時，API LC螺紋密封能力顯著下降，甚至喪失密封能力。

（3）對于水平井，因下套管作業(yè)遇阻情況較多，經(jīng)多次大載荷“上提下放”管串進(jìn)行解阻作業(yè)后，接頭將承受密封失效風(fēng)險。