基于特殊螺紋密封完整性的三軸設計系數(shù)研究

王建東，林元華，李玉飛，謝南星，鄧寬海

1.油氣藏地質與開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學，四川 成都 610500 2.中國石油石油管工程技術研究院，陜西 西安 710050 3.中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院，四川 成都 610017

引言

高溫高壓氣井完井管柱三軸設計系數(shù)涉及多個方面，是一個復雜的問題。馮耀榮等[1]針對復雜工況油套管失效分析統(tǒng)計，指出70%以上的油套管柱失效是由于前期的設計、選材、評價和不恰當?shù)墓こ套鳂I(yè)及增產改造措施造成的。楊向同等[2]針對高溫高壓氣井完井管柱，分析了管柱系統(tǒng)的位移和應力的變化規(guī)律，進而基于疲勞強度計算的理論公式得出了疲勞安全系數(shù)。樊恒等[3]基于油套管服役過程中幾何尺寸、力學性能和所承受荷載作用隨機性和時變性的特點，提出了一種基于分項系數(shù)方法的套管強度可靠度設計方法。郭建華等[4]基于第四強度理論形成了不同工況條件下完井管柱三軸應力強度校核方法，以及高溫高壓高酸性氣井封隔器完井管柱設計方法。王建東等[5]基于油套管歷史實物試驗資料，采用可靠性安全系數(shù)法確定了管柱設計所需的最低安全系數(shù)，用蒙特卡羅法校核了載荷變異性對管柱可靠性的影響。馮廣慶等[6]通過對塔里木高溫高壓氣井套壓異常升高原因分析，結果表明為完井管柱油管接頭泄漏所致，且完井管柱油管接頭泄漏與接頭本身的密封能力、完井管柱設計和使用操作等有關。因此，基于特殊螺紋密封完整性的完井管柱三軸設計系數(shù)研究具有重大的現(xiàn)實意義。

油套管氣密封特殊螺紋連接具有優(yōu)良的結構和密封完整性，廣泛應用于高溫高壓氣井。檢驗其性能是否優(yōu)越的主要依據是國際標準ISO 13679--2017《石油天然氣工業(yè)用油套管螺紋連接試驗評價程序》[7]。該標準由國際石油公司共同起草，在充分吸取油田生產過程中螺紋連接失效教訓基礎上，結合不斷發(fā)展的鉆井和完井新工藝需要制定，是國內外石油公司在復雜苛刻工況井油套管螺紋連接選用的首要評價標準[8-14]，張建兵等[15]開展了基于ISO 13679--2017 試驗評價程序的螺紋密封性仿真分析，認為仿真評價可以極大地節(jié)約時間成本與經濟成本，能在一定程度上代替特殊扣的實物評價。王建東等[16]采用有限元分析方法對比了錐面對錐面和弧面對錐面兩種不同的主密封結構形式在上扣、拉伸、彎曲及內壓加拉伸載荷條件下的相關技術參數(shù)，得到了不同型面組合的密封能力隨載荷的變化規(guī)律。目前，氣密封特殊螺紋的研究主要集中在基于標準的密封性試驗評價和有限元性能驗證，未見基于標準試驗評價密封完整性的安全適用包絡線載荷范圍分析。本文基于88.90 mm×6.45 mm 110SS 接箍式連接氣密封特殊螺紋油管API RP 5C5--2017 四級試驗評價，利用有限元分析了螺紋連接包絡線載荷循環(huán)試驗過程中密封性能變化規(guī)律，為油田管柱設計螺紋連接適用范圍確定提供了有益指導。

1 密封完整性的研究方法

氣密封特殊螺紋性能評價，主要有兩種方法：（1）試驗評價方法。依據API 標準規(guī)定的密封準則氣體泄漏量≤0.9 cm3/15 min，檢驗螺紋實物在試驗過程中泄漏量，判定其密封性。實物試驗檢測全面真實有效，但只能觀察是否泄漏，不能了解微觀受力。（2）有限元計算分析方法。能了解螺紋連接微觀受力，獲得沿密封面軸向的接觸壓力和長度的分布規(guī)律，依據氣密封判據確定螺紋在載荷狀態(tài)的密封性。

現(xiàn)行氣密封判據ISO 10400--2007[17]提出最大接觸壓力大于內壓，沒有反映密封準則泄漏速率；文獻[18]基于小試樣實驗提出接觸壓力占主導地位的加權指數(shù)氣密封判據，實驗研究中沒有考慮密封面直徑變化對密封的影響，不適用于油套管螺紋連接規(guī)格多樣化要求。文獻[19]基于實物試驗形成了考慮密封直徑、接觸壓力、泄漏速率和表面涂層、粗糙度多因素修正系數(shù)的氣密封判據，該判據的形成是基于熱采井注蒸汽低壓（≤16.5 MPa）和ISO 12835--2013[20]規(guī)定的氣密封泄漏試驗判據準則（壓縮狀態(tài)≤1 mL/min；拉伸狀態(tài)≤10 mL/min）氣密封試驗得出，不適用于高溫高壓氣井管柱螺紋連接評價方法API RP 5C5--2017 規(guī)定的密封泄漏試驗判據準則≤0.06 mL/min。文獻[21]在此基礎上修訂了判據準則相關系數(shù)，提出了適用于高溫高壓氣井的氣密封判據準則。修改后的接觸壓力及有限元分析密封能SC，見式（1），密封有效內壓和外壓所需的密封能SD，見式（2），密封能倍數(shù)SC/SD，見式（3），b≥1 表明具有密封性。

2 密封完整性的實驗研究

依據API RP 5C5--2017，選取極限公差1# 樣即螺紋高過盈，密封低過盈，外螺紋臺肩端面刻槽破壞臺肩密封作用，檢驗螺紋密封面的密封完整性。試樣螺紋參數(shù)見表1，1#樣上扣扭矩及圈數(shù)見表2，螺紋A′端1 次上扣，B 端10 次上扣9 次卸扣，未發(fā)生粘扣現(xiàn)象。實測1# 樣管體幾何尺寸和材料力學性能見表3，依據表3 計算的A 系包絡線實驗載荷見表4。螺紋密封完整性實驗評價結果見圖1、圖2 和圖3（內壓為正，外壓為負，拉伸為正，壓縮為負），可以看出，1# 樣經A 系包絡線載荷溫度循環(huán)未發(fā)生螺紋泄漏和結構失效，結果表明，螺紋上扣控制扭矩（≥4 068 N·m），增量圈數(shù)（≥0.016 圈），增量扭矩（≥1 350 N·m），螺紋脂采用Bestolife 2000，具有良好的密封完整性。

表1 試樣螺紋參數(shù)Tab.1 Specimens thread parameters measured

表2 1#樣上扣扭矩及圈數(shù)Tab.2 No.1 specimen make-up torque and turns

表3 1#樣管體幾何尺寸和材料力學性能Tab.3 The geometrical dimensions and mechanical properties of No.1 specimen

表4 A 系包絡線實驗載荷Tab.4 TS-A of envelope loads

圖1 CAL 四級TS-A 高溫載荷循環(huán)和一、三象限載荷溫度循環(huán)實驗Fig.1 CAL IV TS-A high temperature load cycle and first to third quadrant load temperature cycle tests

圖2 CAL 四級TS-A 室溫VME90%與VME100%載荷循環(huán)實驗對比Fig.2 Comparison of CAL IV TS–A between VME90% and VME100% load cycle test at room temperature

圖3 CAL 四級TS-A 室溫VME95%與VME100%載荷循環(huán)實驗對比Fig.3 Comparison of CAL IV TS–A between VME95% and VME100% load cycle test at ambient temperature

3 密封完整性的有限元模擬

3.1 有限元建模

依據1#樣實測螺紋參數(shù)管體幾何尺寸，上扣扭矩對圈數(shù)實測值，進行有限元建模，采用軸對稱模型四邊形軸對稱單元CAXA4，軸對稱模型及載荷邊界條件見圖4，材料實測應力應變曲線見圖5 和圖6，材料力學性能參數(shù)見表5。

圖4 軸對稱模型及載荷邊界條件Fig.4 Axisymmetric model and load boundary conditions

圖5 1#樣管體實測應力應變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curve of No.1 specimen from pipe body

圖6 1#樣接箍實測應力應變曲線Fig.6 Tensile stress-strain curve of No.1 specimen from coupling

表5 1#樣110SS 材料力學性能參數(shù)Tab.5 Material mechanical properties parameters of No.1 specimen 110SS

3.2 密封完整性分析

決定密封性能的主要因素是密封接觸壓力和長度，通過密封判據分析可知螺紋在不同載荷狀態(tài)下的密封性。1#樣A 系包絡線載荷循環(huán)密封性分析見圖7～圖10。A 系包絡線載荷2 次循環(huán)密封能比較降低量見圖11 和圖12。

圖7 1#樣高溫A 系VME90%載荷循環(huán)密封能變化Fig.7 Variation of cyclic sealing energy under 90% load of VME TS-A at high temperature of No.1 specimen

圖8 1#樣A 系13C-22e 載荷溫度循環(huán)密封能變化Fig.8 TS-A 13C-22e load temperature cyclic seal energy variation of No.1 specimen

圖9 1#樣室溫A 系VME90%載荷循環(huán)密封能變化Fig.9 Variation of cyclic sealing energy under 90%load of VME TS-A of No.1 specimen at ambient temperature

圖10 1#樣室溫A 系VME95%載荷循環(huán)密封能變化Fig.10 Variation of cyclic sealing energy under 95%load of VME TS-A of No.1 specimen at ambient temperature

圖11 高溫A 系包絡線VME90%載荷2 次循環(huán)SC 降低量Fig.11 SC reduction in two cycles of TS-A VME90%load at high temperature

圖12 室溫A 系包絡線載荷2 次循環(huán)SC 降低量Fig.12 SC reduction in two cycles of TS-A load at ambient temperature

A 系包絡線環(huán)境溫度下2 次載荷循環(huán)分析可知：

（1）結合圖1、圖7 和圖11 可以看出，高溫環(huán)境VME90% 載荷包絡線2 次循環(huán)，“拉伸+內壓”載荷點（12e～15e）密封能SC顯著降低，最大拉伸載荷點12e 降低量75.0%，密封能倍數(shù)為4.30；隨內壓增加，13e 載荷點降低量減少到50.3%，密封能倍數(shù)為4.80，相同拉伸載荷下，內壓增大，外螺紋密封脹大提高接觸壓力，表明“高拉伸+低內壓”工況下易發(fā)生泄漏，需要控制最大拉伸載荷。對比14e 和15e兩個載荷點密封能降低量可知，14e 載荷點密封能降低量為48.0%，密封能倍數(shù)4.80，而最大內壓載荷點15e 降低量為70.0%，且密封能倍數(shù)最小（僅3.40），結果表明，高內壓下，降低拉伸載荷對密封沒有顯著影響，需要控制最大內壓載荷。

圖11 顯示“壓縮+內壓”載荷點（16e～19e），最大內壓載荷點16e 降低量62.8%，密封能倍數(shù)為5.80；而最大壓縮載荷點19e 降低量26.7%，密封能倍數(shù)為31.80，表明密封能降低量隨壓縮載荷增加而減少，而隨內壓的減小而減少。外壓載荷點（22e～26e）密封能降低量不明顯（0～16.7%），隨拉伸載荷增加密封能降低，最大拉伸載荷點26e 的密封能倍數(shù)最低，僅為1.10，存在外壓泄漏的可能性，也是危險載荷點，表明軸向壓縮載荷狀態(tài)下具有更好的外壓密封性。

（2）結合圖2、圖9 和圖12 可以看出，室溫環(huán)境VME90% 載荷包絡線2 次循環(huán)，密封能降低量均小于16.4%。“拉伸+內壓”載荷點15a 密封能降低量最大為14.1%，密封能倍數(shù)為3.50；“拉伸+外壓”載荷點25a 密封能降低量最大為16.4%，密封能倍數(shù)為1.38，26a 載荷點密封能倍數(shù)為0.66，存在外壓泄漏可能性，需要控制拉伸載荷使用范圍，而24a載荷點密封能倍數(shù)為2.40，由此可知，軸向壓縮狀態(tài)具有更好的外壓密封性。

（3）結合圖3、圖10 和圖12 可以看出，室溫環(huán)境VME95%載荷包絡線2 次循環(huán)，“拉伸+內壓”載荷點12a 密封能降低量最大為77.5%，密封能倍數(shù)為3.80；“拉伸+外壓”載荷點25a 和26a 密封能降低量為40.0%和51.0%，密封能倍數(shù)分別是0.60和0.11，存在外壓泄漏可能性。外壓實驗結果（介質液壓油）未發(fā)生泄漏，其主要原因是采用“氣密封泄漏量”作為密封判據需要更大的密封能SC。因此，通過密封能分析可以判定該載荷點（25a 和26a）是危險載荷點。

（4）圖8 顯示，載荷點13C～22e5 次循環(huán)密封能無變化，載荷點13C 密封能倍數(shù)是4.50，載荷點22e 密封能倍數(shù)是9.20。由此可知，氣密封螺紋連接在室溫VME90%“拉伸+內壓”工況下和高溫VME90%“壓縮+外壓”工況下具有優(yōu)異的密封性。

有限元分析表明，通過標準密封性實驗評價的氣密封特殊螺紋，在環(huán)境溫度和包絡線載荷循環(huán)狀態(tài)下密封能顯著降低，存在危險載荷點。因此，需要進一步確定螺紋連接適用載荷包絡線，為井下安全使用提供依據。

3.3 密封適用性分析

采用分析高溫（180°C）環(huán)境下，不同VME 包絡線載荷2 次循環(huán)后密封能降低量和密封能倍數(shù)變化規(guī)律的方法，確定螺紋連接適用范圍。高溫VME包絡線載荷點見圖13，密封能降低量見圖14，密封能倍數(shù)變化見圖15。

圖13 高溫VME70%～90%包絡線載荷點Fig.13 Load points of VME70%～90% envelope at high temperature

圖14 高溫包絡線載荷2 次循環(huán)密封能降低量Fig.14 Reduction in SC under two cycles of envelope load at high temperature

圖15 高溫包絡線載荷2 次循環(huán)密封能倍數(shù)Fig.15 Sealing capacity multiple of the second cycle under high temperature envelope load

由圖14 可知，載荷點12e，VME70%密封能降低量最小為69.0%，密封能倍數(shù)為8.80；VME80%和VME90%密封能降低量分別為80.0%和75.0%，密封能倍數(shù)均為4.40，表明在“高拉伸+低內壓”載荷點，VME80%包絡線沒有提高螺紋密封性，而VME70%的包絡線載荷點螺紋密封性得到了明顯改善。

圖15 顯示：13e～15e 載荷點隨拉伸減小和內壓增加，VME70%包絡線密封能倍數(shù)呈升高趨勢，最小密封能倍數(shù)載荷點13e 是5.40；而VME80%和VME90% 包絡線密封能倍數(shù)呈降低趨勢，最小密封能倍數(shù)載荷點14e 和15e 是3.40。VME70%包絡線“拉伸+外壓”條件下（25e～26e）隨拉伸和外壓降低密封能倍數(shù)顯著提高，其最小密封能倍數(shù)（b=5.70，對應載荷點25e）是VME90%最小密封能倍數(shù)（b=1.10，對應載荷點26e）的5.2 倍。

綜上可知，高溫環(huán)境采用材料屈服強度VME70%載荷包絡線最小密封能倍數(shù)均大于5.00，可很好地保證管柱螺紋密封完整性，即實際三軸安全系數(shù)需大于1.43。

室溫環(huán)境VME90%載荷包絡線經2 次循環(huán)密封能未發(fā)生顯著降低，但存在外壓泄漏點，通過對比不同包絡線載荷密封能倍數(shù)確定適用范圍。室溫VME 包絡線載荷點見圖16，密封能倍數(shù)變化見圖17。

圖16 室溫VME80%～90%包絡線載荷點Fig.16 Load points of VME80%～90% envelope at ambient temperature

圖17 室溫包絡線載荷2 次循環(huán)密封能倍數(shù)Fig.17 Sealing capacity multiple of second cycle under ambient temperature envelope load

分析可知，VME80%包絡線“拉伸+外壓”載荷點25a 具有最小密封能倍數(shù)3.50。室溫下采用材料屈服強度VME80%載荷包絡線可以確保管柱螺紋外壓密封完整性，即實際三軸安全系數(shù)需大于1.25。

4 現(xiàn)場應用及評價方法驗證

基于螺紋連接適用范圍分析，開展了1 口高溫高壓氣井完井油管柱安全適用性分析。井下油管柱載荷特征點如表6、圖13 和圖16 所示。密封內外壓產生的密封能倍數(shù)見圖18，工況載荷特征點計算密封能SC是密封有效內壓或外壓所需密封能SD的8 倍以上。分析表明，滿足螺紋安全適用范圍的載荷點具有優(yōu)良的密封性能。該井完井油管柱經過酸化壓裂、生產采氣，日產天然氣68.8×104m3，油壓37.3 MPa，A 環(huán)空井口壓力檢測為0，表明完井油管柱螺紋連接具有完好的密封完整性。

表6 完井油管柱工況載荷Tab.6 Operating load of completion string

圖18 高溫高壓完井油管螺紋工況密封性分析Fig.18 Sealing analysis of completion tubing connection in high-temperature and high-pressure

5 結論

（1）通過API RP 5C5--2017 標準密封完整性實驗評價的氣密封特殊螺紋，需采用有限元進一步分析在室溫和高溫環(huán)境下包絡線的2 次載荷循環(huán)，明確氣密封特殊螺紋連接密封性的變化規(guī)律，確定密封臨界危險載荷點和安全適用范圍，為合理設計管柱三軸安全系數(shù)提供理論依據。

（2）開展了3 種VME 全包絡線載荷2 次循環(huán)的有限元模擬密封適用性分析，確定了該規(guī)格和扣型氣密封特殊螺紋在高溫和室溫兩種環(huán)境下的安全使用包絡線載荷范圍，其中高溫環(huán)境安全使用包絡線載荷范圍為VME70%，即三軸安全系數(shù)不小于1.43，室溫環(huán)境安全使用包絡線載荷范圍VME80%，即三軸安全系數(shù)不小于1.25?，F(xiàn)場應用表明：滿足本文確定的螺紋安全適用包絡線范圍的工況載荷具有優(yōu)良的密封完整性。

符號說明

SC--有限元分析密封能，mm·MPa1.95；

σ--密封接觸壓力，MPa；

l--密封接觸長度，mm；

SD--密封有效內壓和外壓所需的密封能，mm·MPa1.95；

A--密封常數(shù)，24 MPan-1·mm1-K(mL/min)-m；

K--表面處理影響系數(shù)，K=0.8；

m--表面粗糙度影響系數(shù)，m=-0.033；

n--密封能加權指數(shù)，n=1.95；

p--密封有效壓力，MPa；

Q--泄漏速率，0.9 cm3/15 min；

D--密封直徑，mm；

b--密封能倍數(shù)。