高溫高壓井用特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)與評價(jià)現(xiàn)狀*

王 怡，張建兵，聶 艷，丁 莉

（1.西北大學(xué)，陜西 西安 710069；2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

伴隨著深部地層油氣藏開發(fā)的推進(jìn)，油套管柱的力學(xué)工況日益復(fù)雜：高溫使油套管柱彈性模量和屈服強(qiáng)度降低，超深高壓井使油套管柱承受的載荷增大，酸性井使油套管的腐蝕愈加嚴(yán)重［1］。在這種極端復(fù)雜工況下，不但傳統(tǒng)的API螺紋接頭難以適用，而且對特殊螺紋接頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封完整性也提出了更高要求［2］。目前，國外超過1/3的產(chǎn)品是特殊螺紋油井管，在我國進(jìn)口的油井管中，特殊螺紋產(chǎn)品占一半以上，且應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大［3］?，F(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外在開發(fā)、應(yīng)用特殊螺紋接頭過程中取得的經(jīng)驗(yàn)，探討總結(jié)高溫高壓條件下（壓力大于69 MPa，溫度超過150℃），特殊螺紋接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用要點(diǎn)及理論評價(jià)方法，從而有針對性地選好、用好特殊螺紋油井管產(chǎn)品。

1 高溫高壓井用特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)特殊螺紋接頭時(shí)，螺紋、臺(tái)肩及密封結(jié)構(gòu)是最為關(guān)鍵的三部分。通過改變螺紋形狀，以抵抗軸向力、壓力和彎曲應(yīng)力，保證螺紋接頭的結(jié)構(gòu)完整性。臺(tái)肩的設(shè)計(jì)決定了可施加的最大預(yù)緊力，且起到輔助密封的作用。金屬對金屬主密封結(jié)構(gòu)是高溫高壓井所需的最重要的設(shè)計(jì)特征。由于該密封的存在，螺紋部分不再用作壓力密封，可確保其結(jié)構(gòu)完整性。此外，可通過增加套管壁厚對鋼級進(jìn)行補(bǔ)償，保證特殊螺紋接頭的抗內(nèi)壓、外壓、拉伸、壓縮效率與管體相同，以使接頭的設(shè)計(jì)（基于三軸應(yīng)力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)）和材料適應(yīng)高溫高壓酸性等苛刻環(huán)境［4］。

1.1 螺紋設(shè)計(jì)

1.1.1 螺紋形式

螺紋形式主要分為正承載面+正導(dǎo)向面、0°承載面+正導(dǎo)向面、負(fù)承載面+正導(dǎo)向面、負(fù)承載面+負(fù)導(dǎo)向面4種。特殊螺紋接頭通常采用改進(jìn)型偏梯形螺紋或接頭屈服強(qiáng)度等于或大于管體的負(fù)承載面螺紋。盡管負(fù)角度螺紋不易加工，但其應(yīng)用相對較廣泛，例如目前膨脹套管用的就是負(fù)角度螺紋。“燕尾型”螺紋，其承載面和導(dǎo)向面均呈負(fù)角度，通常與可變寬度螺紋（即螺紋牙側(cè)高度不變，牙頂和牙底寬度線性變化）一起使用；因此，在上扣或井下旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠處理極高的扭矩負(fù)載［5］。三種典型螺紋形式的比較如圖1所示，在設(shè)計(jì)螺紋形式時(shí)應(yīng)結(jié)合油田具體工況綜合考慮。

圖1 三種典型螺紋形式的比較示意

1.1.2 螺紋過盈方式

螺紋過盈方式通常有C-R和F-F兩種類型，具體如圖2所示。C-R類型是指外螺紋的頂端與內(nèi)螺紋的底部及螺紋的導(dǎo)向面之間具有間隙，即外螺紋牙根和內(nèi)螺紋牙頂徑向過盈接觸。這種結(jié)構(gòu)有利于上扣時(shí)的螺紋脂分布，但由于導(dǎo)向面間存在間隙，容易在高的壓縮載荷下移動(dòng)，因此必須依賴扭矩臺(tái)肩進(jìn)行抗壓縮。F-F類型是承載面和導(dǎo)向面接觸，減少了內(nèi)外螺紋牙根間的間隙。由于兩個(gè)螺紋側(cè)面接觸，限制了在壓縮載荷下的運(yùn)動(dòng)，但螺紋黏結(jié)風(fēng)險(xiǎn)相對較大。然而，不管采用哪種過盈方式，都必須保證具有足夠的徑向螺紋過盈量，從而確保一定的上扣扭矩。

圖2 螺紋過盈方式示意

1.1.3 牙頂-牙根設(shè)計(jì)

牙頂-牙根設(shè)計(jì)特征如圖3所示，牙頂-牙根的設(shè)計(jì)形式為平行于錐線（圖3a）或者軸線（圖3b）。第一種設(shè)計(jì)應(yīng)用較成功，錐度越陡，抗錯(cuò)扣性能越高，但牙頂與牙頂在對扣時(shí)容易接觸，操作難度大。為了增加抗錯(cuò)扣能力，而不減少單位長度的螺紋數(shù)量并最大限度地增加管體厚度，可使螺紋牙頂和牙根與軸線平行。這種設(shè)計(jì)避免了在下鉆過程中牙頂間的接觸，便于對扣，但是在給定螺紋高度的情況下，抗拉伸效率比前一種低；另外，當(dāng)在接箍的導(dǎo)向面上倒一個(gè)角時(shí)，抗螺紋黏結(jié)能力會(huì)有所提升［6］。

圖3 牙頂-牙根設(shè)計(jì)特征示意

1.2 臺(tái)肩設(shè)計(jì)

一般情況下，通過優(yōu)化螺紋錐度能夠增加一定的上扣扭矩，但這種方法顯然不適用于高溫高壓井，因此需要增加扭矩臺(tái)肩。扭矩臺(tái)肩能夠?qū)⒋鎯?chǔ)的扭矩能量轉(zhuǎn)移到附近的密封區(qū)域，以維持密封面接觸壓力，從而獲得良好的輔助密封性能。同時(shí)，它作為定位特征，便于上扣，并且能夠控制所施加的扭矩，改善了接頭的抗壓縮和抗彎曲性能。臺(tái)肩角度是影響密封性能的重要因素，大多為負(fù)角，且大于-20°，這是由臺(tái)肩作用和加工能力共同決定的［7］。臺(tái)肩上扣后負(fù)角度接觸，并產(chǎn)生豎直向上的分力，增加了密封面間的相互接觸，增大了接觸壓力。通常，臺(tái)肩的接觸面越大，其扭矩能力越大，接觸壓力越大，螺紋黏結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)越高。

1.3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

特殊螺紋接頭氣密封的實(shí)質(zhì)是依靠密封面接觸壓力克服管柱中流體介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓或外壓。接觸壓力越高，密封效果越好，但同時(shí)螺紋易黏結(jié)，尤其當(dāng)在酸性環(huán)境中使用CRA（耐腐蝕合金）材料時(shí)，螺紋黏結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)更大。徑向金屬密封是在高溫高壓鉆井和完井過程中克服高地層壓力的關(guān)鍵。因此，很多特殊螺紋接頭采用雙重金屬復(fù)合密封結(jié)構(gòu)，例如錐面/錐面和弧面/錐面、錐面/錐面和柱面/球面等［8］。影響金屬對金屬密封性能的因素有很多，包括不同的設(shè)計(jì)和應(yīng)用參數(shù)，其中最主要的因素是密封面接觸應(yīng)力的大小、分布及負(fù)載條件（壓差、表面粗糙度和光潔度、螺紋脂類型等）。一般情況下，氣體泄漏率隨密封面表面粗糙度的增大而增大，隨密封面接觸應(yīng)力和有效接觸長度的增加呈冪指數(shù)規(guī)律降低［9］。

1.3.1 雙重金屬復(fù)合密封結(jié)構(gòu)

對于接箍式特殊螺紋接頭，可在接箍端面上或附近設(shè)計(jì)第二級金屬密封，以防止外部壓力過大。另外，許多整體式螺紋接頭，其管體鼻端附近的內(nèi)部或外部密封的額外能量用于克服內(nèi)部壓力和外部壓力。

法國瓦盧瑞克研發(fā)的Ф273.05 mm×24.52 mm VM100SS VAM HP SC80具有雙重金屬復(fù)合密封結(jié)構(gòu)的接箍式特殊螺紋接頭，雙重金屬復(fù)合密封結(jié)構(gòu)如圖4所示，其第二級密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在螺紋連接的中間部位，目前已成功應(yīng)用［10］。

圖4 雙重金屬復(fù)合密封結(jié)構(gòu)示意

1.3.2 VAM21密封結(jié)構(gòu)

VAM21是最新大外徑接頭，密封結(jié)構(gòu)如圖5所示。VAM21密封結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)典型特征。第一個(gè)特征是管體鼻端，在不降低管端內(nèi)徑的前提下，通過管體延伸端的剛度來增大密封接觸應(yīng)力，而不是使用負(fù)角度臺(tái)肩提供的反作用力；另一個(gè)特征是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)負(fù)角度臺(tái)肩和位于管端頂部的錐形導(dǎo)向1組成。盡管錐形導(dǎo)向1與傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)類似，但其不用作密封，而是用于減小管體鼻端的徑向變形。密封面和臺(tái)肩之間的錐形面，稱為“雙錐形導(dǎo)向”，它有利于上卸扣。這種可以承受高壓縮載荷，同時(shí)抑制管體鼻端徑向變形的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)通過密封性能試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證［11］。

圖5 VAM21密封結(jié)構(gòu)示意

2 密封性能的理論分析與評價(jià)

特殊螺紋接頭的開發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的系統(tǒng)工程。一方面需要高精度可靠的特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)，另一方面還需采用合理的標(biāo)準(zhǔn)或方法對接頭的連接性能和密封性能進(jìn)行評價(jià)與測試，以確保其在極端復(fù)雜工況下的可靠性和適用性。目前，在開發(fā)特殊螺紋接頭過程中主要采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法?，F(xiàn)從理論上對特殊螺紋接頭的密封性能進(jìn)行分析與評價(jià)。

2.1 RBDA法（可靠性設(shè)計(jì)與評估）

RBDA法主要包括以下3個(gè)步驟：FEA（有限元分析）、RBF（徑向基函數(shù)）和MCS（蒙特卡羅模擬）。

有限元分析是評估接頭性能，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的有力工具。通過有限元分析，獲取相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)，例如結(jié)構(gòu)、材料性能、上卸扣操作條件等?；谟邢拊治鼋Y(jié)果，利用徑向基函數(shù)，建立隱式極限狀態(tài)函數(shù)，以表征設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)變量的影響，最后采用蒙特卡羅模擬預(yù)測失效概率。RBDA法流程如圖 6 所示［12］。

2.2 泄漏率計(jì)算

泄漏率Q可表示為以下幾個(gè)參數(shù)的函數(shù)［13］：

圖6 RBDA法流程

式中P——?dú)怏w（液體）壓力，MPa；

T——溫度，℃；

σ——密封面接觸應(yīng)力，MPa；

l——密封面接觸長度，mm；

δ——密封面粗糙度；

C——螺紋脂類型；

D——管體直徑，mm；

t—— 時(shí)間，min。

Murtagian等通過數(shù)值模擬和實(shí)物試驗(yàn)得出了高溫高壓氣井中油套管螺紋接頭抗泄漏的密封能力臨界值；因此，可基于Murtagian的密封標(biāo)準(zhǔn)，定性評估高溫高壓氣井中特殊螺紋接頭的氣密封性能［14］，即：

式中Wa——密封性能評價(jià)指數(shù)，m·MPa；

Wac——臨界密封指數(shù)，m·MPa；

P（c）l—— 密封接觸壓力，MPa；

n——校正系數(shù)（有螺紋脂時(shí)為1.2，無螺紋脂時(shí)為1.4）；

Pg，Pa——管體內(nèi)壓、氣壓，MPa。

需要特別注意的是，Wac是基于室溫試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的，并沒有確定高溫對螺紋脂有效性的影響。因此，假設(shè)螺紋脂在高溫下的有效性較低，那么對于高溫高壓用特殊螺紋接頭（無螺紋脂），該參數(shù)是合適的。即假設(shè)管體內(nèi)壓為69 MPa，則可計(jì)算得到 Wac=2.39 m·MPa。

美國Shell公司在高溫高壓條件下使用金屬密封和彈性密封雙重復(fù)合密封結(jié)構(gòu)特殊螺紋接頭，測得泄漏率是單個(gè)密封結(jié)構(gòu)（均已通過ISO 13679∶2002《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗(yàn)程序》驗(yàn)證）接頭泄漏率的平方，泄漏率明顯降低。同時(shí)，推導(dǎo)出了計(jì)算泄漏率的簡化模型［15］：

公式（5）中，第一項(xiàng)表示常見的模式或系統(tǒng)錯(cuò)誤，大小取決于X1，這是基于管柱中所有螺紋接頭共同的因素而導(dǎo)致的失效概率。它描述了螺紋接頭之間的相關(guān)依賴性，即如果這個(gè)因素存在于一個(gè)螺紋接頭中，那么它很可能存在于所有的螺紋接頭中。如果該因素增加了泄漏率，那么管柱總體泄漏率也會(huì)增加。

公式（5）的第二項(xiàng)，是由于隨機(jī)出現(xiàn)的缺陷錯(cuò)誤而導(dǎo)致的泄漏，假設(shè)每個(gè)密封面的泄漏率為X2。管柱中的螺紋連接為串聯(lián)系統(tǒng)，如果一個(gè)接頭失效，則管柱泄漏。在等式中，2n是被分析的管柱中的接箍式接頭的數(shù)量，s是每個(gè)螺紋中經(jīng)過驗(yàn)證和檢驗(yàn)的密封數(shù)量。假設(shè)每個(gè)密封面的檢查和質(zhì)量控制是獨(dú)立的，那么在同一接頭處通過兩個(gè)密封面時(shí)存在泄漏路徑的概率等于它們同時(shí)失效的概率。

2.3 Kriging模型

Kriging模型能夠利用有限的樣本信息預(yù)測未知信息，是一種具有“統(tǒng)計(jì)性”的半?yún)?shù)插值技術(shù)，可通過構(gòu)建該模型對特殊螺紋接頭的氣密封性能進(jìn)行可靠性分析。首先要通過確定性試驗(yàn)獲取一定數(shù)量的已知信息并抽取一部分試驗(yàn)點(diǎn)。假設(shè)m維空間可以表示為 x=（x1，x2，…，xm），則 Kriging 模型可表示為［16］：

其中，β為回歸函數(shù)列矩陣；fT（x）β為線性回歸部分，代表全局統(tǒng)計(jì)特性；Z（x）表示局部偏差，一般采用均值為0，方差為，協(xié)方差非0的高斯平穩(wěn)過程，Z（x）的協(xié)方差矩陣可以表示為：

其中，ms為樣本數(shù)；R為相關(guān)矩陣；R（xi，xj）為任意兩個(gè)樣本點(diǎn)xi和xj之間的相關(guān)函數(shù)，常選取為高斯函數(shù)。

2.4 超聲波技術(shù)

接觸應(yīng)力是影響接頭密封性能的關(guān)鍵因素，而超聲波技術(shù)可用來評估接觸應(yīng)力的大小及其連續(xù)性。該技術(shù)依賴于對接頭密封面反射的高頻聲波脈沖的測量，反射幅度與接觸應(yīng)力、密封性能成反比。即接箍和管體之間的薄層螺紋脂的超聲波信號部分地穿過螺紋復(fù)合界面并部分地反射回來。隨著螺紋脂中接觸壓力增加，通過螺紋脂傳播聲能的比例增加，相應(yīng)地，反射的超聲波信號比例降低。超聲波測試系統(tǒng)的基本部件包括發(fā)送和接收超聲脈沖的激發(fā)探頭、信號探傷儀、攜帶激發(fā)探頭的安裝夾具及控制和信號處理單元等。為了完成對密封面的超聲波檢查，需要進(jìn)行軸向參考掃描和圓周掃描，軸向參考掃描用于確定圓周掃描對準(zhǔn)的軸向坐標(biāo)［17］。

3 結(jié) 論

（1）高精度可靠的螺紋和扭矩臺(tái)肩能夠有效改善特殊螺紋接頭的連接強(qiáng)度和密封性能；

（2）金屬對金屬主密封結(jié)構(gòu)是保證特殊螺紋接頭氣密封性能的關(guān)鍵，在高溫高壓井中應(yīng)實(shí)現(xiàn)多級密封。在設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)形式和過盈量時(shí)，要特別注意防止螺紋黏結(jié)。

（3）在試驗(yàn)測試前，可先從理論上對特殊螺紋接頭性能進(jìn)行分析與評價(jià)，例如可選用REDA法、泄漏率計(jì)算、Kriging模型、超聲波技術(shù)等。

（4）其他方面（如表面粗糙度、材料和配套刀量具等）的改進(jìn)和提高，也能有效改善特殊螺紋接頭的性能。由于油井管的服役條件復(fù)雜多變，具體還應(yīng)結(jié)合不同實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)選。