王建東，李玉飛，汪傳磊，陳禹含，朱達江，馬 力

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安710077；2.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都610051；3.林州鳳寶管業(yè)有限公司，河南 林州456550）

油套管標準接箍式氣密封特殊螺紋接頭具有很好的抗拉伸/內(nèi)壓/外壓性能，以及高抗壓縮性能（壓縮效率60%～100%），廣泛應(yīng)用于高溫高壓氣井、高內(nèi)壓多段體積壓裂非常規(guī)頁巖氣/油開發(fā)以及儲氣庫注采管柱，ISO 13679《石油天然氣工業(yè)用套管及油管螺紋連接試驗程序》（即API RP 5C5《套管和油管接頭評價程序推薦作法》）是檢驗其性能是否優(yōu)異的主要依據(jù)［1-7］。ISO 13679標準由國際石油公司共同起草，是在充分吸取油田生產(chǎn)過程中螺紋連接失效教訓的基礎(chǔ)上，結(jié)合不斷發(fā)展的鉆井和完井工藝需要制定的，是國內(nèi)外石油公司檢驗復(fù)雜苛刻環(huán)境工況用油套管螺紋連接性能的首要標準。但是通過ISO 13679標準驗證評價的螺紋連接，在高溫高壓氣井工況使用時仍然有氣密封失效泄漏發(fā)生。本文通過分析ISO氣密封特殊螺紋檢驗標準，提出對高溫高壓氣井用氣密封特殊螺紋還需要進一步開展基于高溫材料應(yīng)力松弛的密封時間效應(yīng)驗證和評價分析，以進一步提高管柱的密封完整性。

1 研究方法

開展螺紋接頭的APIRP 5C5（2017版）標準CALⅣ四級密封完整性試驗，采用有限元計算方法分析螺紋密封性能變化規(guī)律。鑒于材料在高溫下會發(fā)生應(yīng)力松弛，分析螺紋危險載荷點的密封性能隨時間變化的規(guī)律，確定螺紋的適用范圍，并提出補充試驗評價方法。

目前主要有兩種方法來評價氣密封特殊螺紋的性能。一是試驗評價方法，依據(jù)API RP 5C5（2017版）規(guī)定的密封準則氣體泄漏量來檢驗螺紋泄漏量，若15 min的氣體泄漏量≤0.9 cm3，則判定其密封性合格。雖然實物試驗具有檢測全面、真實有效的特點，但該試驗只能觀察接頭是否發(fā)生泄漏，不能了解其微觀受力。二是有限元計算分析方法能了解螺紋接頭的微觀受力，獲得沿密封面軸向的接觸壓力和接觸長度的分布規(guī)律，依據(jù)氣密封性能判據(jù)分析螺紋在載荷狀態(tài)下的密封性［8-12］。

目前，ISO/TR 10400∶2018《石油和天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和管線管性能公式與計算》是判斷螺紋密封性能的主要標準，該標準提出螺紋接頭的最大接觸壓力應(yīng)大于內(nèi)壓，但沒有對密封準則泄漏速率作要求；文獻［13］基于小試樣試驗，提出接觸壓力占主導地位的氣密封性能判據(jù)，試驗研究中沒有考慮密封面直徑變化對密封性能的影響，不適用于油套管螺紋連接規(guī)格多樣化要求。

文獻［14］通過實物試驗形成了考慮密封直徑D、密封接觸壓力σ、泄漏速率Q和表面涂層、粗糙度多因素修正系數(shù)的氣密封判據(jù)，有限元分析密封能SC見公式（1），密封有效內(nèi)/外壓所需的密封能SD見公式（2），密封能倍數(shù)SC/SD見公式（3），密封能倍數(shù)b≥1表明接頭具有密封性。

式中l(wèi)——密封接觸長度，mm；

n——密封能加權(quán)指數(shù)，取1.95；

A——密封常數(shù)；

K——表面處理影響系數(shù)，取0.8；

m——表面粗糙度影響系數(shù)，取-0.033；

P——密封有效壓力，MPa。

1.1 API評價標準分析

氣密封特殊螺紋的密封完整性評價一直都是國際石油界關(guān)注的熱點和難點。中國石油塔里木油田公司高溫高壓氣井用油套管的氣密封失效分析表明，現(xiàn)用特殊螺紋接頭油套管通過了API RP 5C5（1996版）標準CALⅡ級+TGRC1+TGRC2試驗評價（SY/T 6128—1995《油套管螺紋連接性能評價方法》中的TGRC1和TGRC2試驗分別是85%VME內(nèi)壓恒定試驗和外壓擠毀試驗，VME是指馮·米塞斯等效應(yīng)力），但油田現(xiàn)場的多口井油管柱發(fā)生泄漏，套壓升高。有些井剛開始投產(chǎn)時，套管的壓力就出現(xiàn)異常上升情況。塔里木油田的DN2-8井，第一次下的完井管柱發(fā)生泄漏，套壓高達78.7 MPa。失效分析發(fā)現(xiàn)，DN2-8井所用的多根油管在接頭現(xiàn)場端和工廠端發(fā)生泄漏，說明該特殊螺紋接頭油管不適用于塔里木油田的工況。對DN2-8井所用油管進行模擬井況實物試驗，該特殊螺紋接頭油管全部通過了試驗。因此，最終投產(chǎn)后的油套管柱是否泄漏是檢驗評價試驗方案是否科學的唯一標準［15］。這說明基于工況載荷的模擬試驗評價是一種不考慮現(xiàn)場操作和井下載荷波動不確定性以及安全使用余量的試驗評價方法。API RP 5C5（1996版）針對氣密封特殊螺紋接頭的密封完整性檢測試驗評價只有封堵管端內(nèi)壓和熱循環(huán)試驗、室溫下拉伸壓縮+內(nèi)壓氣密封試驗，不符合井下油管柱設(shè)計三軸全包絡(luò)線校核。

國際石油公司與全球知名油套管生產(chǎn)制造企業(yè)共同成立了API WG2工作組，制定了氣密封螺紋連接檢測評價方法。2017年美國石油學會發(fā)布了API RP 5C5（2017版），采用實測材料屈服強度和幾何尺寸計算的等管體性能極限包絡(luò)線承載能力檢驗螺紋完整性，為管柱設(shè)計系數(shù)安全余量的確定提供了充分依據(jù)。該試驗評價方法已成為各石油公司選擇螺紋產(chǎn)品的首要標準。API全尺寸實物試驗評價標準發(fā)展見表1，通過對比分析API全尺寸實物試驗評價標準規(guī)定的最高評價等級可以反映檢測的苛刻程度。

由表1可知：①螺紋完整性試驗評價是伴隨油氣田生產(chǎn)勘探開發(fā)的需要而發(fā)展起來的，2000年以前世界石油勘探開發(fā)主要以油為主且多為低壓淺井，主要采用API標準螺紋油套管；2000年以后隨著深井、超深井及水平井等日益復(fù)雜苛刻工況和鉆井新工藝的發(fā)展，需要更高性能的螺紋接頭；②螺紋性能評價指標從單一結(jié)構(gòu)完整性向密封完整性發(fā)展，也為井下管柱三軸設(shè)計校核提供依據(jù)；③試驗評價方法從單一滿足低壓恒載荷密封驗證向等管體密封性驗證以及滿足井下生產(chǎn)、高溫環(huán)境下螺紋密封完整性驗證評價發(fā)展。

表1 API全尺寸實物試驗評價標準發(fā)展

1.2 密封完整性的試驗研究

依據(jù)APIRP 5C5（2017版）評價Φ88.9 mm×6.45 mm 110SS油管的標準接箍式氣密封特殊螺紋。選取極限公差配合的1號試樣來檢驗螺紋密封面的密封完整性，對1號試樣進行A系包絡(luò)線試驗，1號試樣的螺紋高過盈、密封低過盈，外螺紋臺肩端面刻槽（破壞臺肩密封作用）。螺紋A端1次上扣，B端10次上扣9次卸扣，未發(fā)生螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。A系包絡(luò)線試驗載荷譜見表2。螺紋密封完整性試驗評價結(jié)果如圖1（c）和圖2～3所示。由試驗結(jié)果可知，1號試樣經(jīng)A系包絡(luò)線載荷溫度循環(huán)未發(fā)生螺紋泄漏和結(jié)構(gòu)失效。

圖1 API全尺寸實物試驗評價方法

圖2 CAL四級A系室溫90%VME載荷循環(huán)試驗

圖3 CAL四級A系室溫95%VME載荷循環(huán)試驗

表2 A系包絡(luò)線試驗載荷譜

1.3 密封完整性的有限元分析

依據(jù)1號試樣實測螺紋參數(shù)和管體幾何尺寸以上扣扭矩對圈數(shù)曲線，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如圖4所示。

圖4 軸對稱模型及載荷邊界條件

決定密封性能的主要因素是密封接觸壓力和密封接觸長度，通過密封判據(jù)分析可知螺紋在不同載荷狀態(tài)下的密封性。1號試樣在A系包絡(luò)線載荷循環(huán)時的密封能如圖5～8所示，在A系包絡(luò)線載荷2次循環(huán)的密封能降低量如圖9～10所示。圖6所示，載荷點13c的密封能SD為67 m·MPa1.95，載荷點22e的密封能SD為75 m·MPa1.95，數(shù)值接近。

圖5 1號試樣在高溫A系90%VME載荷循環(huán)時的密封能

圖6 1號試樣在A系13c～22e載荷溫度循環(huán)時的密封能

圖7 1號試樣在室溫A系90%VME載荷循環(huán)時的密封能

圖8 1號試樣在室溫A系95%VME載荷循環(huán)時的密封能

（1）結(jié)合圖1（c）、圖5和圖9可知，在高溫環(huán)境90%VME載荷包絡(luò)線第2次循環(huán)時，“拉伸+內(nèi)壓”載荷點（12e～15e）密封能顯著降低，最大拉伸載荷點12e的密封能降低量最大（為75%），密封能倍數(shù)為4.3；隨著內(nèi)壓的增加，載荷點13e的密封能降低量減少到50.3%，密封能倍數(shù)為4.8，相同拉伸載荷下，內(nèi)壓增大，外螺紋密封脹大提高了接觸壓力，表明在“高拉伸+低內(nèi)壓”工況下易發(fā)生泄漏，需要控制最大拉伸載荷。載荷點14e的密封能降低量為48%，密封能倍數(shù)4.8；最大內(nèi)壓載荷點15e的密封能降低量為70%，且密封能倍數(shù)最小（僅為3.4）。這表明高內(nèi)壓下降低拉伸載荷對密封沒有顯著影響，需要控制最大內(nèi)壓載荷。

圖9 1號試樣在高溫A系90%VME載荷2次循環(huán)的密封能降低量

（2）結(jié)合圖2、圖7和圖10可知，在室溫環(huán)境90%VME載荷包絡(luò)線第2次循環(huán)時，密封能降低量均小于16.4%?！袄?內(nèi)壓”載荷點15a的密封能降低量最大（為14.1%），密封能倍數(shù)為3.5；“拉伸+外壓”載荷點25a的密封能降低量最大（為16.4%），密封能倍數(shù)為1.38；載荷點26a的密封能倍數(shù)為0.66，存在外壓泄漏的可能性，需要控制拉伸載荷使用范圍；載荷點24a的密封能倍數(shù)為2.4。由此可知，1號試樣在軸向壓縮狀態(tài)具有更好的外壓密封性。

圖10 1號試樣在室溫A系包絡(luò)線載荷2次循環(huán)的密封能降低量

（3）結(jié)合圖3、圖8和圖10可知，室溫環(huán)境95%VME載荷包絡(luò)線第2次循環(huán)時，“拉伸+內(nèi)壓”載荷點12a的密封能降低量最大（為77.5%），密封能倍數(shù)為3.8；“拉伸+外壓”載荷點25a和26a的密封能降低量分別為40%和51%，密封能倍數(shù)分別是0.60和0.11，存在外壓泄漏的可能。外壓試驗時（介質(zhì)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(jù)時需要更大的密封能SC。因此，通過密封能分析可以判定載荷點25a和26a是危險載荷點。

（4）從圖6可以看出，載荷點13c（室溫）～22e（高溫）的5次循環(huán)密封能無變化，載荷點13c密封能倍數(shù)為4.5，載荷點22e的密封能倍數(shù)為9.2。由此可知，氣密封螺紋連接在室溫90%VME“拉伸+內(nèi)壓”和高溫90%VME“壓縮+外壓”工況下具有優(yōu)異的密封性。

有限元分析結(jié)果表明，通過標準密封性試驗評價的氣密封特殊螺紋，在環(huán)境溫度和包絡(luò)線載荷循環(huán)狀態(tài)下，其密封能顯著降低，存在危險載荷點。因此，需要進一步研究危險載荷點密封性能隨時間的衰減規(guī)律，為油套管螺紋在井下的安全使用提供依據(jù)。

1.4 螺紋在高溫時的密封持久性分析

金屬材料在承載狀態(tài)下的總應(yīng)變保持不變，但應(yīng)力會隨時間的延長而逐漸降低，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。材料在高溫條件下會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。隨著時間的延長，一部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危磸椥詰?yīng)變不斷減小，所以材料中的應(yīng)力相應(yīng)地降低。蠕變與松弛在本質(zhì)上差別不大，可以把松弛現(xiàn)象看作是應(yīng)力不斷降低時的多級蠕變，但用蠕變數(shù)據(jù)來估算松弛數(shù)據(jù)還是很困難的。因為應(yīng)力松弛表達了材料在不同初始應(yīng)力狀態(tài)和一定溫度下經(jīng)規(guī)定時間后的剩余應(yīng)力。蠕變是在恒定應(yīng)力狀態(tài)下材料的塑性應(yīng)變不斷增加直至發(fā)生斷裂失效，不能反映應(yīng)力的降低程度。因此，用蠕變分析密封接觸壓力的變化是不科學的。

對于采用金屬對金屬的氣密封特殊螺紋，決定密封的主要因素是密封接觸壓力和密封接觸長度。因此，材料在高溫條件下經(jīng)應(yīng)力松弛后的剩余接觸壓力是決定密封持久性的關(guān)鍵因素之一。筆者對110SS油管材料進行了高溫應(yīng)力松弛試驗，基于螺紋在載荷狀態(tài)下密封面的平均塑性應(yīng)變，施加初始應(yīng)力進行高溫下材料應(yīng)力松弛試驗。經(jīng)高溫180℃環(huán)境包絡(luò)線載荷2次循環(huán)有限元分析可知：90%VME最大內(nèi)壓載荷點15e的密封能倍數(shù)最小，該載荷點是危險泄漏點。1號試樣在上扣和15e載荷點的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D11～12所示，平均塑性應(yīng)變?yōu)?.26%。密封面的平均塑性應(yīng)變是影響密封性能的重要因素；因此，對110SS油管材料進行180℃高溫環(huán)境下的應(yīng)力松弛試驗，試驗結(jié)果如圖13所示，應(yīng)力松弛擬合方程見公式（4）。

圖11 1號試樣在上扣時的等效塑性應(yīng)變

圖12 1號試樣在15e載荷點的等效塑性應(yīng)變

圖13 110SS油管材料在180℃高溫環(huán)境下的應(yīng)力松弛試驗結(jié)果及擬合結(jié)果

110SS油管材料的應(yīng)力松弛擬合方程是根據(jù)應(yīng)力松弛試驗結(jié)果和Cowper-Symonds法則［16］擬合出來的。其中，σs為穩(wěn)態(tài)強度，MPa；x和y為應(yīng)力松弛常數(shù)；E為彈性模量，MPa；t為保持時間，min；σ0為初始應(yīng)力，MPa。由公式（4）可確定110SS油管材料的應(yīng)力松弛參數(shù)，具體見表3。

表3 110SS油管材料的應(yīng)力松弛參數(shù)

由圖13可知，110SS油管的初始塑性應(yīng)變越大，初始階段速率變化越顯著，初始塑性應(yīng)變3.0%時，試驗30 min后的初始應(yīng)力從803 MPa降到734 MPa，下降速率為2.3 MPa/min；初始塑性應(yīng)變?yōu)?.7%時，試驗230 min后的初始應(yīng)力從781 MPa降到545 MPa，下降速率為1.03 MPa/min，后期應(yīng)力松弛趨于緩慢。因此，對于氣密封特殊螺紋密封設(shè)計，應(yīng)控制密封面在載荷狀態(tài)下的塑性應(yīng)變小于材料高溫屈服應(yīng)變，使材料具有更大的應(yīng)力松弛抗力和更低的松弛速率，提高密封穩(wěn)定性。

基于110SS油管材料高溫應(yīng)力松弛試驗結(jié)果擬合的應(yīng)力松弛方程，采用有限元方法分析氣密封螺紋在高溫180℃載荷點15e的密封能隨時間變化規(guī)律，結(jié)果如圖14所示，變化分析見表4。分析可知，密封能在保載初期10 h變化最大（下降了16.0%），保載1個月后的降低量為22.0%，保載6個月后的降低量為22.4%，降低量隨保載時間的增加而緩慢變化；保載6個月后的氣密封螺紋密封能倍數(shù)為2.62，說明螺紋仍然具有密封性能。如果管柱三軸設(shè)計系數(shù)提高30%，可以抵消高溫環(huán)境長期載荷降低的密封性能。氣密封螺紋按照API RP 5C5（2017版）標準進行四級評價的保載時長238 h是指在室溫和高溫環(huán)境B、C、A三個系列試驗中保載時間總和，載荷點最長保載時間1 h。經(jīng)過上述分析可知，API標準密封性能試驗評價是基于材料強度驗證螺紋密封性能的評價方法，沒有充分考慮高溫應(yīng)力松弛時間效應(yīng)的影響。為確保油套管螺紋在高溫高壓氣井的長期安全使用，應(yīng)增加基于時間效應(yīng)的試驗評價和有限元密封性分析。

表4 110S油管氣密封螺紋在高溫載荷點15e的密封能隨時間變化分析

圖14 110S油管氣密封螺紋在高溫載荷點15e的密封能隨保載時間的變化規(guī)律

2 結(jié) 論

（1）模擬工況載荷的試驗評價是一種不考慮現(xiàn)場操作和井下載荷波動不確定性以及安全使用余量的試驗評價方法。API RP 5C5標準密封性能試驗評價是一種依據(jù)材料強度驗證螺紋密封性能的評價方法，沒有充分考慮材料高溫應(yīng)力松弛時間效應(yīng)的影響。為確保油套管螺紋在高溫高壓氣井的長期安全使用，應(yīng)增加基于時間效應(yīng)的試驗評價和有限元密封性分析。

（2）高溫和室溫環(huán)境下不同等效全包絡(luò)線載荷2次循環(huán)的密封能倍數(shù)變化規(guī)律表明：氣密封特殊螺紋連接密封性對高溫（180℃）和室溫95%VME包絡(luò)線載荷循環(huán)極其敏感，密封能降低量較大；室溫90%VME包絡(luò)線載荷循環(huán)下密封能降低量較小。

（3）對于通過了API RP 5C5標準密封完整性試驗評價的氣密封特殊螺紋，還需采用有限元方法分析危險載荷點在高溫環(huán)境下的材料應(yīng)力松弛情況與密封性隨時間變化的規(guī)律，從而為合理設(shè)計三軸安全系數(shù)提供理論依據(jù)。