王新虎，呂永鵬，王建東，潘寶昌，馮耀榮

(1.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室，中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065； 3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 陜西 寶雞 721008)

0 引 言

國內(nèi)約有三分之一高溫高壓天然氣井內(nèi)的管柱密封性無法保障，油管、套管螺紋泄漏，環(huán)空帶壓運(yùn)行。事實(shí)表明，現(xiàn)在所用特殊螺紋接頭不能完全確保油氣井的密封完整性。所以在密封機(jī)理研究基礎(chǔ)上，改進(jìn)密封設(shè)計，發(fā)展新的密封技術(shù)是油井管特殊螺紋的重要發(fā)展方向。

圖1 內(nèi)壓力與上扣后接箍環(huán)向應(yīng)力的關(guān)系

1 油井管密封方法及密封機(jī)理

國外在上世紀(jì)就總結(jié)了油井管最常用的4種密封系統(tǒng)[1]，它們是螺紋密封、彈性密封環(huán)密封、臺肩密封、金屬接觸密封。

螺紋密封對高壓氣體和無固相液體是不可靠的，螺紋間隙只能靠螺紋脂填充才能密封，交變載荷顯著降低API BTC螺紋間隙的密封性，也無法準(zhǔn)確預(yù)測只靠螺紋密封的套管的密封性，API螺紋泄漏阻力的公式是不準(zhǔn)確的。因此，在上世紀(jì)80年代，日本鋼鐵公司就研究了增加鍍鋅層厚度以提高API BTC螺紋密封性的方法[2]，鍍鋅層厚度從20 μm增加到120 μm，上扣扭矩只在上扣初期增加，而在上扣后期，即上扣到三角形底邊時，涂層厚度對上扣裝配扭矩的影響幾乎消失。雖然厚度較大的鍍鋅層增大了接頭環(huán)向應(yīng)力，但沒有發(fā)生粘扣。拉伸試驗結(jié)果表明鍍鋅層不影響接頭拉伸強(qiáng)度。密封試驗表明增加鍍鋅層明顯提高了接頭密封性， 圖1是上扣裝配環(huán)向應(yīng)力與內(nèi)壓的關(guān)系[2]，圖中斜線是根據(jù)熱縮裝配理論分析得到的套管泄漏極限值，當(dāng)上扣裝配引起的接箍環(huán)向應(yīng)力低于該線時將發(fā)生泄漏，隨著接箍環(huán)向應(yīng)力的提高，密封性也提高。圖1中顯示當(dāng)上扣應(yīng)力低于這條線時，鍍鋅層厚度小于20 μm的接頭發(fā)生了泄漏。而鍍鋅層厚度大于20 μm的接頭，無論上扣應(yīng)力是高于還是低于這條線，即使內(nèi)壓超過屈服強(qiáng)度，接頭也沒有發(fā)生泄漏。但厚度較大的鍍鋅層明顯增大了接頭環(huán)向應(yīng)力，所以不適合酸性環(huán)境。對于API BTC螺紋，當(dāng)鍍鋅層厚度為60 μm時接頭的密封性較好。

如果接頭螺紋臺肩接觸壓力高于鋼管內(nèi)的流體壓力，該接頭的臺肩部位就能保持密封、不發(fā)生泄漏，這時鉆具接頭就主要依靠螺紋臺肩起密封作用。如果高的軸向壓縮載荷引起臺肩局部塑形變形，可能會影響密封性。同樣較高的軸向拉伸載荷減少了臺肩壓應(yīng)力，也會影響密封性，所以足夠的上扣預(yù)扭矩載荷是很重要的。

大部分特殊螺紋接頭采用金屬接觸密封，密封面干涉形成的接觸壓應(yīng)力使密封面緊密貼合，從而阻止流體流過密封面。密封面接觸壓力決定了密封能力，該接觸壓力應(yīng)大于井下壓力，而且接觸壓應(yīng)力是兩個密封面接觸干涉和鋼管內(nèi)壓力和外壓力的函數(shù)[3]。特殊螺紋接頭由螺紋部分和密封部分組成，其中密封部分由金屬接觸密封結(jié)構(gòu)和扭矩臺肩組成。密封面位于外螺紋端部外徑表面上，扭矩臺肩與螺紋軸線成銳角。密封面有錐面對錐面、錐面對球面、錐面對柱面、柱面對球面和柱面對錐面等各種組合。這種特殊螺紋自使用以來，各油井管制造商一直對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，但其結(jié)構(gòu)變化較小。除了金屬接觸密封，一些接頭增加了一處彈性高分子材料密封環(huán)作為金屬密封的備份，彈性高分子材料密封用玻璃纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯(PTFE)制造，安裝在接箍的一個溝槽內(nèi)[3]。彈性高分子材料必須產(chǎn)生足夠壓縮變形以保持密封，但不應(yīng)形成過大徑向應(yīng)力而減少金屬密封干涉量，同時有這兩種密封的接頭應(yīng)單獨(dú)對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗，這是為了確認(rèn)彈性高分子材料密封確實(shí)是金屬密封的備份。密封環(huán)及其安裝槽降低了接頭強(qiáng)度，也增加了接箍應(yīng)力，可能導(dǎo)致接箍開裂。正確安裝密封環(huán)很困難，特別對大直徑接頭，如果安裝不當(dāng)，在上扣時密封環(huán)會脫離密封槽。

研究表明，正確的金屬接觸密封會顯示出一種壓力激發(fā)效應(yīng)[4]，如圖2所示，與被密封流體壓力增速相比，密封接觸壓應(yīng)力會以更快的速率增加，為了正確受到內(nèi)壓力激發(fā)，密封接觸面積必須小于內(nèi)壓力作用面積，并且密封端面必須具備一定長度與厚度的比值，使該密封端面能夠彎曲。被壓力激發(fā)的金屬接觸密封有很高的密封性。由圖2可見，在內(nèi)壓力較低時，良好激發(fā)效應(yīng)的密封接觸壓力小于較差激發(fā)效應(yīng)的接觸壓力，而當(dāng)內(nèi)壓力增高時，良好激發(fā)效應(yīng)的密封接觸壓力大于較差激發(fā)效應(yīng)的接觸壓力，并一直高于內(nèi)壓力，從而保持密封性。激發(fā)效應(yīng)良好的密封其徑向干涉密封是輔助密封。能夠激發(fā)密封接觸壓應(yīng)力的正確徑向密封設(shè)計需要較小的徑向干涉，因此密封面粘著磨損抗力更高。

密封面有效接觸壓應(yīng)力是兩個密封面干涉量及承受的內(nèi)壓力或外壓力的函數(shù)[3]。顯然密封面更大的接觸應(yīng)力提供了更大的密封能力，單純依靠增大密封面干涉量的方法增加了粘著磨損敏感性，尤其對于耐蝕合金管。

圖2 壓力激發(fā)效應(yīng)(接觸壓力與內(nèi)壓力的關(guān)系可以不是線性的)

接頭部位不同形狀密封面的密封性各不相同。研究認(rèn)為，熱采井套管在受熱環(huán)境下，臺肩承受很大壓縮應(yīng)力，熱循環(huán)后特殊螺紋密封能力將大幅下降一半以上[5]。研究和試驗證明，為了減少熱循環(huán)對密封性影響，推薦采用球面對錐面密封，曲面效應(yīng)有助于密封面接觸壓力分布更加均勻[6]。高的接觸應(yīng)力能夠保持復(fù)合載荷下的密封能力，但也增加了粘著磨損風(fēng)險，所以接觸應(yīng)力不應(yīng)過大，增大螺紋端部厚度能有效增加密封性。

當(dāng)拉伸載荷使特殊螺紋接頭扭矩臺肩分離或壓縮載荷使其扭矩臺肩屈服變形，那么銳角扭矩臺肩優(yōu)點(diǎn)就會消失，井下鋼管環(huán)空外部壓力也可通過螺紋螺旋通道影響接頭的密封完整性。為了改善這種狀況，就要加厚外螺紋端部壁厚，但這會減小接頭內(nèi)徑。在新型特殊螺紋接頭設(shè)計中[7]，將密封面設(shè)計在遠(yuǎn)離螺紋端部端面的位置，如圖3所示。螺紋端部剛性增強(qiáng)了密封接觸力，而不是依靠負(fù)扭矩臺肩反作用力。應(yīng)用有限元模擬優(yōu)化了長度和壁厚等螺紋端部結(jié)構(gòu)，螺紋端部長度越長、壁厚約大，密封面產(chǎn)生的接觸壓力越大。

圖3 密封結(jié)構(gòu)和機(jī)理

為了提高頁巖氣井產(chǎn)量，水平井延伸距離越來越長，套管承受更大的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及疲勞載荷，特別是長距離水平井中的套管接頭所承受的扭矩載荷非常高。制造商設(shè)計了用于長距離水平井的特殊螺紋套管[8]，采用可以自鎖的燕尾榫螺紋，使接頭有良好的抗扭矩能力和抗滑脫性能。該接頭只有一個密封結(jié)構(gòu)，是圓弧對圓錐接觸金屬密封，但扭矩臺肩相互分離，不發(fā)生接觸。

殼牌公司[4]提出了一個簡單的特殊螺紋接頭泄漏概率模型，Pf=1-(1-Ps)(1-Prs)2n，其中Ps是包括設(shè)計誤差、制造誤差、檢驗誤差等共性因素導(dǎo)致的泄漏概率，每個接頭都存在這些因素，而且在密封評價試驗中沒有被檢測，一個獨(dú)立密封結(jié)構(gòu)的氣體泄流概率Ps是10-2。Pr是與質(zhì)量控制及接頭使用操作有關(guān)的隨機(jī)缺陷引起的泄漏概率，一個獨(dú)立密封結(jié)構(gòu)的氣體泄流概率Pr是10-6，S是接頭密封結(jié)構(gòu)的數(shù)量，n是接箍數(shù)。對通過了密封評價檢驗的特殊螺紋，由公式計算的500個接箍連接的管柱的氣體泄漏概率達(dá)到了10-2。即使增加一個高分子彈性材料密封結(jié)構(gòu)，形成雙密封，管柱的氣體泄漏概率明顯下降，但也達(dá)到了10-4。

即使采用了最新開發(fā)的特殊螺紋管材，高溫高壓氣井的泄漏仍然發(fā)生，金屬對金屬接觸密封結(jié)構(gòu)的持續(xù)改進(jìn)并沒有徹底解決泄漏問題，必須深入研究泄漏機(jī)理，找到泄漏原因。早在1975年美國西北大學(xué)PATIR N應(yīng)用流體雷諾方程給出了如圖4所示兩平行表面間隙流動的氣體流量方程式：

(1)

式中，qm是氣體平均泄漏量，m3/s；h是光滑平行平板間距,m；L是板長,m；B是板寬,m；φx是一維流壓力流量因子；PA和PB分別為進(jìn)口壓力與出口壓力,Pa；μ是氣體粘度,Pa·s；R是氣體常數(shù)，J/(mol·k)；T是溫度,K。該式說明兩平面之間的間隙的距離是影響流體流量的主要因素。對于特殊螺紋接頭，也就是密封面泄漏通道的深度是影響特殊螺紋密封性的主要因素。

圖4 兩平行平板間的流動

Jueren Xie等[9]在試驗基礎(chǔ)上提出了金屬接觸密封能力與密封要求之間關(guān)系的密封準(zhǔn)則，密封能力是密封接觸應(yīng)力與密封接觸長度的函數(shù)，密封要求是管徑、內(nèi)外壓力差、以及泄漏極限的函數(shù)。該準(zhǔn)則與有限元分析相結(jié)合可以評價熱采井套管密封性。當(dāng)密封能力大于密封要求時，套管密封性滿足要求。Jueren Xie等總結(jié)了密封性的主要影響因素[9]，包括應(yīng)力在金屬對金屬密封面上的分布、在圓周方向的均勻性(受不圓度、波浪度、螺紋同軸度影響)、密封面粗糙度(涂層類型及涂裝質(zhì)量)、螺紋脂類型及性能、上扣狀況等。密封性與密封面應(yīng)力分布及其峰值高度相關(guān)。必須達(dá)到的要求是密封面接觸應(yīng)力的峰值應(yīng)超過接頭內(nèi)外壓力差，然而這個最低要求并不能保證零泄漏或低量泄漏。即使密封接觸壓力明顯高于流體壓力時，小的泄漏通道仍然存在，泄漏速度取決于密封面的接觸應(yīng)力寬度、粗糙度、密封脂、涂層等。試驗表明，隨著接觸應(yīng)力減少，泄漏率呈非線性增加[9]。隨著管徑增加，對同樣壓力的氣體，所需的密封接觸應(yīng)力呈非線性增加。

API標(biāo)準(zhǔn)螺紋依靠螺紋脂密封的螺旋通道，螺紋脂種類很多[10]，API標(biāo)準(zhǔn)螺紋脂是最常用的，其中含有鉛、鋅、銅等金屬粉末，對環(huán)境有害。還有環(huán)境友好型的螺紋脂，例如不含金屬粉末的螺紋脂，含有可生物降解成分的螺紋脂。特殊螺紋接頭不依靠螺紋脂密封，所以特殊螺紋脂與API標(biāo)準(zhǔn)螺紋脂不同，主要是可以不含重金屬粉末，這樣可以減少重金屬污染。涂抹過多的螺紋脂流入井筒會污染井筒液，污染鉆臺，也影響其它鉆井機(jī)械性能。過多螺紋脂會在螺紋間隙內(nèi)產(chǎn)生高壓，甚至導(dǎo)致外螺紋端部塑性變形，影響特殊螺紋密封性，所以必須設(shè)計螺紋脂儲存槽，但這不足以完全消除這種不良作用[11]。所以有些制造商發(fā)明了免螺紋脂特殊螺紋或干螺紋涂層[12]。為了開發(fā)成功這種涂層系統(tǒng)，J. Klarner等做了大量試驗[12]，主要是各種漆相對各種陶瓷納米涂層(納米石英、納米硅樹脂-石英復(fù)合材料、納米二氧化鈦)的摩擦試驗。涂層是在磷化后的外螺紋接頭鋼基體上，涂上含有石蠟潤滑劑的一種漆，外螺紋涂層厚度小于40 μm，在每次上扣時，被擠出的石蠟防止了粘著磨損。內(nèi)螺紋接頭磷化后涂上納米涂層，防止腐蝕、減少摩擦，內(nèi)螺紋涂層厚度小于1 μm。這種涂層技術(shù)不需要調(diào)整螺紋偏差。按照原上扣扭矩上卸扣后的螺紋沒有發(fā)生粘扣。

金屬接觸密封帶在全部圓周面上都需要維持高的接觸壓應(yīng)力，最大接觸壓力必須顯著大于密封帶兩邊壓力差，這是特殊螺紋密封設(shè)計的最基本要求[11],實(shí)驗室密封評價試驗無法完全模擬服役時間的長期性和服役載荷的復(fù)雜性。C-FER用超聲波檢測了密封面接觸應(yīng)力在軸向和圓周方向的分布[11]，這種方法可以用于檢測螺紋裝配期間密封帶形成的損傷，也可用于分析實(shí)驗室模擬試驗中的接頭密封面接觸應(yīng)力的變化情況。圖5顯示了兩種接觸應(yīng)力分布情況，第一種是接觸應(yīng)力過小，另外一種是接觸應(yīng)力間斷或分布不均勻。超聲波檢測數(shù)據(jù)表明，特殊螺紋接頭密封性是由接頭的設(shè)計、制造、裝配、以及包括操作損傷、粘著磨損、非軸向載荷、熱循環(huán)等服役工況這些因素共同決定的。這些因素會導(dǎo)致密封面損傷，形成泄漏通道。圖5說明完美的上扣扭矩曲線也無法完全保證接頭的密封性。

圖5 超聲波檢測顯示密封帶接觸應(yīng)力分布

圖6 特殊螺紋油管臺肩刻槽形貌

圖5中上圖顯示密封帶超聲波信號弱，下圖顯示密封帶超聲波信號間斷[11]。

管柱在油氣井中常常會發(fā)生振動，很多技術(shù)人員認(rèn)為振動導(dǎo)致松扣可能是管柱螺紋接頭泄漏的原因。理論上，油井管螺紋有自鎖功能，振動不可能松扣。中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院(TGRI)進(jìn)行了大量試驗，接頭在振動后，即使螺紋根部產(chǎn)生疲勞裂紋，也沒有發(fā)生泄漏。

中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院(TGRI)對臺肩刻槽后的特殊螺紋接頭做了大量密封試驗，刻槽形貌如圖6所示，一些接頭臺肩刻槽后發(fā)生泄漏，而沒有刻槽的接頭不發(fā)生泄漏，說明這些接頭的金屬接觸密封沒有起到應(yīng)有作用，存在泄漏通道，事實(shí)上是扭矩臺肩起密封作用。一旦臺肩遭到損傷，接頭將發(fā)生泄漏，所以特殊螺紋接頭在性能評價試驗時，臺肩刻槽密封試驗是很有必要的試驗項目。塔里木油田很多氣井管柱在完井后初期密封性良好，這些特殊螺紋管材也通過了性能試驗評價，而服役幾年甚至幾月后就發(fā)生泄漏。檢查發(fā)現(xiàn)油管螺紋接頭扭矩臺肩發(fā)生了明顯腐蝕損傷。事實(shí)證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)或制造不當(dāng)，特殊螺紋金屬接觸密封沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，存在泄漏通道。

2 結(jié) 論

當(dāng)前特殊螺紋接頭的設(shè)計方法是密封接觸面壓應(yīng)力設(shè)計法，即通過密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，使密封面接觸壓應(yīng)力足夠大、并且使接觸壓應(yīng)力良好分布在密封面上。然而，即使設(shè)計很完美，實(shí)際上密封結(jié)構(gòu)還是出現(xiàn)了各種泄漏通道。所以只依據(jù)應(yīng)力設(shè)計法很難解決特殊螺紋接頭的泄漏問題，今后應(yīng)該進(jìn)一步完善特殊螺紋套管密封結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力設(shè)計方法，例如增加應(yīng)變設(shè)計，提出新的設(shè)計理論，研制新的制造技術(shù)，可能是解決特殊螺紋接頭密封性的方向。