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，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、選用要點及理論評價方法，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

在設(shè)計特殊螺紋接頭時，螺紋、臺肩及密封結(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。臺肩的設(shè)計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（基于三軸應(yīng)力設(shè)計標(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

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?！把辔残汀甭菁y，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)計螺紋形式時應(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，因此必須依賴扭矩臺肩進(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。由于兩個螺紋側(cè)面接觸，限制了在壓縮載荷下的運動，但螺紋黏結(jié)風(fēng)險相對較大。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

牙頂-牙根設(shè)計特征如圖3所示，牙頂-牙根的設(shè)計形式為平行于錐線（圖3a）或者軸線（圖3b）。第一種設(shè)計應(yīng)用較成功，錐度越陡，抗錯扣性能越高，但牙頂與牙頂在對扣時容易接觸，操作難度大。為了增加抗錯扣能力，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)向面上倒一個角時，抗螺紋黏結(jié)能力會有所提升［6］。

圖3 牙頂-牙根設(shè)計特征示意

1.2 臺肩設(shè)計

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肩。扭矩臺肩能夠?qū)⒋鎯Φ呐ぞ啬芰哭D(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，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°，這是由臺肩作用和加工能力共同決定的［7］。臺肩上扣后負(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)險越高。

1.3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

特殊螺紋接頭氣密封的實質(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，螺紋黏結(jié)的風(fēng)險更大。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)具有兩個典型特征。第一個特征是管體鼻端，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)角度臺肩提供的反作用力；另一個特征是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，它由一個負(fù)角度臺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)通過密封性能試驗進(jìn)行了驗證［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

特殊螺紋接頭的開發(fā)是一項復(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，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。

2.1 RBDA法（可靠性設(shè)計與評估）

RBDA法主要包括以下3個步驟：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)計參數(shù)和設(shè)計變量的影響，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 泄漏率計算

泄漏率Q可表示為以下幾個參數(shù)的函數(shù)［13］：

圖6 RBDA法流程

式中P——氣體（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—— 時間，min。

Murtagian等通過數(shù)值模擬和實物試驗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)（有螺紋脂時為1.2，無螺紋脂時為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程序》驗證）接頭泄漏率的平方，泄漏率明顯降低。同時，推導(dǎo)出了計算泄漏率的簡化模型［15］：

公式（5）中，第一項表示常見的模式或系統(tǒng)錯誤，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，即如果這個因素存在于一個螺紋接頭中，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增加。

公式（5）的第二項，是由于隨機(jī)出現(xiàn)的缺陷錯誤而導(dǎo)致的泄漏，假設(shè)每個密封面的泄漏率為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是每個螺紋中經(jīng)過驗證和檢驗的密封數(shù)量。假設(shè)每個密封面的檢查和質(zhì)量控制是獨立的，那么在同一接頭處通過兩個密封面時存在泄漏路徑的概率等于它們同時失效的概率。

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獲取一定數(shù)量的已知信息并抽取一部分試驗點。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）為任意兩個樣本點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)實現(xiàn)多級密封。在設(shè)計密封結(jié)構(gòu)形式和過盈量時，要特別注意防止螺紋黏結(jié)。

（3）在試驗測試前，可先從理論上對特殊螺紋接頭性能進(jìn)行分析與評價，例如可選用REDA法、泄漏率計算、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)合不同實際工況進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)選。