張穎, 高安琪, 楊坤, 董澤宇

(1.四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 自貢 643000； 2.四川輕化工大學(xué)過程裝備與控制工程四川高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 自貢 643000)

隨著石油天然氣勘探技術(shù)提升，油氣開發(fā)不斷向深部地層發(fā)展，油井管面臨著超高產(chǎn)、超高溫、超高壓、超高腐蝕等惡劣工況。油管柱接頭失效是一項(xiàng)極其復(fù)雜的問題。其失效主要原因是螺紋接頭結(jié)構(gòu)的完整性喪失，這直接影響油氣井的生產(chǎn)周期[1]。油井管柱安全生產(chǎn)問題已經(jīng)成為各油田面臨的主要問題[2]。現(xiàn)階段數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果表明，因?yàn)槁菁y連接損壞失效所導(dǎo)致的事故數(shù)量占到了總事故的64%。在某些油田中此項(xiàng)比例甚至達(dá)到86%[3]。由此可知，螺紋連接是油井管柱相對(duì)薄弱的部位。為確保油井管柱螺紋接頭的安全和性能，首要任務(wù)是改善其密封性能。在介紹油井管特殊螺紋力學(xué)損傷與控制研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，現(xiàn)進(jìn)一步提出特殊螺紋力學(xué)損傷研究的新思路。

1 油井管螺紋接頭發(fā)展及演變

美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(American Petroleum Institute，API)的圓螺紋接頭在中國石油氣田中被廣泛采用的歷史可追溯至20世紀(jì)早期，但是API圓螺紋接頭卻因其承受的載荷比較復(fù)雜而逐漸顯示出自身的缺陷，如強(qiáng)度不足、容易滑脫、密封不良等。為改善螺紋接頭的連通強(qiáng)度，大部分石油氣田于20世紀(jì)50年代就開始采用偏梯形式的螺紋接頭。然而，因?yàn)槠涿芊庑阅艿木壒?，這種類型的螺紋接頭在實(shí)際的使用中往往會(huì)存在一定的缺陷和問題，并且往往伴隨著粘扣失效的事故，給中國石油企業(yè)的開發(fā)工作帶來重大經(jīng)濟(jì)損失[4]。

1980年以前螺紋接頭基本以純靜態(tài)載荷實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)參照，1990年以后的程序改為(API RP5C5)交變復(fù)合載荷重新評(píng)判接頭的力學(xué)性能。

劉玉文等[5]在一種應(yīng)用彈塑性接觸問題的有限元法中對(duì)API圓螺紋油套管在油氣中發(fā)生接觸時(shí)黏扣的基本過程和作用機(jī)理進(jìn)行研究。楊龍等[6]、練章華等[7]和鐘海全等[8]應(yīng)用彈塑性接觸問題的有限元法對(duì)套管管端螺紋密封結(jié)構(gòu)及其泄漏機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。陳守俊等[9]、許紅林等[10]通過螺紋牙幾何尺寸計(jì)算，建立數(shù)學(xué)模型并提出上扣扭矩計(jì)算公式。圖1所示為上扣后，密封表面與螺紋齒輪牙間徑向超盈量時(shí)所產(chǎn)生的一種接觸性應(yīng)力。學(xué)者們?cè)贑O2、H2S和CL-環(huán)境中，開展了關(guān)于石油氣井井筒完整性[11-13]、井筒安全性[14]、電偶腐蝕[15]、密封面應(yīng)力腐蝕[16]、縫隙性應(yīng)力腐蝕以及對(duì)流場(chǎng)誘導(dǎo)性應(yīng)力腐蝕[17-18]的研究。使用,Visual Basic 6.0設(shè)置一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，模擬和計(jì)算出油管受到腐蝕的速度。數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，展示了產(chǎn)氣井在油管內(nèi)壁的上部最容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，所以應(yīng)將防腐重點(diǎn)放在油管的中上部位置。張穎等[1]、楊龍等[6]建立特殊螺紋接頭在動(dòng)載作用中的接觸應(yīng)力的力學(xué)模型，以此解決高產(chǎn)氣井的油管柱振動(dòng)問題。國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督質(zhì)檢中心專門針對(duì)石油套管的工況應(yīng)用性和可靠度評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)研究，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的相關(guān)問題進(jìn)行了深入的探討，發(fā)布了API RP5C5，如圖3所示。黃繼慶等[19]對(duì)重點(diǎn)從特殊螺紋的密封面介紹了特殊螺紋的設(shè)計(jì)要求，對(duì)重點(diǎn)參數(shù)提出了設(shè)計(jì)依據(jù)。徐凱等[20]、唐佳睿等[21]通過全尺寸疲勞試驗(yàn)，對(duì)特殊螺紋油套管連接的疲勞失效模式進(jìn)行了識(shí)別，表明大滑移情況下接觸面中部會(huì)發(fā)生微動(dòng)疲勞失效。陳玉鵬等[22]通過對(duì)耐腐蝕合金(corrosion-resistant alloy，CRA)材料的各向異性進(jìn)行全尺寸疲勞試驗(yàn)計(jì)算載荷包絡(luò)線。張佳浩[23]對(duì)于不同分形維度下的密封性能進(jìn)行性能優(yōu)化。高連新等[24]針對(duì)四川盆地旋轉(zhuǎn)下套管的技術(shù)要求設(shè)計(jì)雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加強(qiáng)接頭屈服強(qiáng)度。

r0為管體內(nèi)徑；rc為接觸面半徑；R0為接箍?jī)?nèi)徑圖1 管體內(nèi)筒和接箍外筒徑向過盈配合示意圖[10]Fig.1 Radial interference fit diagram of inner tube and outer coupling tube[10]

圖2 油管腐蝕速率分布圖[11]Fig.2 Distribution of corrosion rate of tubing[11]

圖3 油井管螺紋主要類型及其演變Fig.3 Main types and evolution of pipe string thread

美國Hydril最早在市場(chǎng)上成功研制出應(yīng)用市場(chǎng)需求的特種螺紋連桿接頭，并且已經(jīng)申請(qǐng)到了專利。至今，關(guān)于特殊螺紋接頭的應(yīng)用產(chǎn)品在中外已經(jīng)多達(dá)上百種，其中專門應(yīng)用于油氣田也多達(dá)幾十種，表1展示了近幾年新型特殊螺紋接頭。

表1 中外新型特殊螺紋生產(chǎn)廠家及其螺紋特點(diǎn)

圖5 黏著磨損、磨料磨損的混合作用[29]Fig.5 Mixing effect of adhesive wear and abrasive wear[29]

2 油井管特殊螺紋失效行為研究進(jìn)展

2.1 特殊螺紋疲勞失效行為研究

油管斷裂時(shí)常發(fā)生在作業(yè)中，這一現(xiàn)象往往會(huì)延誤采油工作，圖4展示了因作業(yè)而導(dǎo)致的斷裂油管。油井管在循環(huán)交變載荷作用下疲勞逐漸累積，裂紋逐漸增大，最后使井管即使受到小于材料許用應(yīng)力的應(yīng)力時(shí)也發(fā)生破裂，此種現(xiàn)象被稱作疲勞失效[25]。

圖4 油管斷裂的位置[25]Fig.4 Location of tubing fracture[25]

研發(fā)技術(shù)人員根據(jù)油井管的失效現(xiàn)象進(jìn)一步分析了磨損效應(yīng)產(chǎn)生的原因，圖5展示了特殊螺紋粘扣因?yàn)槟p產(chǎn)生的混合作用過程。在發(fā)生形變的過程中，切向相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)直接產(chǎn)生于螺紋的表面。此后還會(huì)伴隨表面破裂導(dǎo)致黏合現(xiàn)象的發(fā)生，產(chǎn)生“冷焊”[26]。同時(shí)由于上下旋扣時(shí)的扭矩過大會(huì)直接使得外殼克服局部摩擦力不能進(jìn)行自動(dòng)做功，導(dǎo)致局部外殼和殼體表面兩個(gè)局部接觸點(diǎn)的摩擦溫度大大升高，進(jìn)一步使得損害附加到外殼接觸面上的局部鍍膜涂層，這樣也可能會(huì)大大降低在局部外殼接觸面上有鍍膜涂層的鍍膜防腐蝕性和鍍層保護(hù)性的效果，使內(nèi)外殼的螺紋與其他金屬材料之間不能發(fā)生直接的相互摩擦接觸，此時(shí)就很有可能會(huì)直接使得在外殼內(nèi)部產(chǎn)生鍍層黏結(jié)[27-28]。因?yàn)橛凸苌峡蹠r(shí)連接箍體的螺紋會(huì)持續(xù)地發(fā)生相對(duì)移位運(yùn)動(dòng)，所以它們會(huì)不斷地破壞老的黏著點(diǎn)、產(chǎn)生新的黏著點(diǎn)，最終導(dǎo)致了黏著磨損[29-30]。

對(duì)此，Hetenyi[31]和Mustafa等[32]利用光彈性試驗(yàn)方法，揭示了在各螺紋牙的根部會(huì)產(chǎn)生最大局部應(yīng)力，研究還表明第一個(gè)螺紋牙上的應(yīng)力值最大；Chen[33]通過有限元分析的方法揭示螺紋密封的壓力數(shù)倍于水密封。對(duì)于粘扣所導(dǎo)致的螺紋失效，可以采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[34]，可以十分清晰地探測(cè)螺距，齒高以及錐度誤差等。Goodier[35]測(cè)量了受載螺母不同方向的位移，并憑此分析了多個(gè)橫截面上螺母的受力情況。Yi等[36]提出了上緊扭矩的解析計(jì)算方法用以計(jì)算螺紋擰緊后產(chǎn)生不同方向應(yīng)力。Clinedinest[37]通過簡(jiǎn)化的方式把兩個(gè)圓筒過盈配合，深入研究了關(guān)于圓螺紋的計(jì)算公式。董星亮[38]通過臺(tái)肩位置約束，采用內(nèi)平設(shè)計(jì)避免紊流從而提高螺紋連接強(qiáng)度。Asbill等[39]通過有限元對(duì)長圓螺紋套管進(jìn)行分析，取得了一系列的進(jìn)展。

目前管端特殊扣接箍強(qiáng)度的計(jì)算沒有明確標(biāo)準(zhǔn)，管端特殊扣不能引用API標(biāo)準(zhǔn)偏梯扣接箍強(qiáng)度的計(jì)算方法。在環(huán)境惡劣的油氣井中，管端接箍臨界截面具有較為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，該處可能成為管柱的危險(xiǎn)截面。管端接箍臨界截面為接箍?jī)?nèi)螺紋大端第一完全扣扣根處[40]，如圖6所示。

圖6 管端特珠扣的接箍臨界截面[40]Fig.6 Critical section of coupling of special bead buckle at pipe end special bead buckle at pipe end[40]

2.2 特殊螺紋密封失效行為研究

高溫高壓油氣井的開發(fā)中，最主要的是保護(hù)其油井管密封的完整性。其中接頭螺紋密封也是整體油管密封最關(guān)鍵部位。

圖7為VAM21特殊扣密封結(jié)構(gòu)，牙型基本與VAM-TOP相同。采用錐面-錐面密封的方式，且具有防碰保護(hù)，在彎曲時(shí)密封面受多點(diǎn)扶正和限位，保持原密封接觸。

metal-to-metal seal為金屬對(duì)金屬密封；extend lip為延伸唇緣；multi grooving為多槽；double taper guide為雙錐形導(dǎo)軌圖7 VAM21特殊扣密封結(jié)構(gòu)[40]Fig.7 Sealing structure of VAM21 special buckle[40]

韓鑫[41]、馬亮[42]在復(fù)合載荷的環(huán)境下研究特殊螺紋接頭密封性能取得一系列進(jìn)展。另有研究表明，正確的金屬對(duì)接密封會(huì)顯示出一種壓力激發(fā)效應(yīng)[43]，如圖8所示。同樣，為了研究特殊螺紋密封的性能，Dastgerdi等[44]采用實(shí)物試驗(yàn)方法對(duì)金屬-螺紋密封件的密封性能進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并給出以密封接觸應(yīng)力在其中的加權(quán)面積上的累計(jì)乘以積分因此作為評(píng)價(jià)接頭密封性能的一種方法。鐘顯康等[45]進(jìn)行了修正，Murtagian的模型公式，重新給定了密封接觸強(qiáng)度值為可接受的高溫井滲漏閾值。

圖8 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)[43]Fig.8 Pressure excitation effect (the relationship between contact pressure and internal pressure may not be linear)[43]

2.3 特殊螺紋腐蝕失效行為研究

油井管在石油開采中通常會(huì)采用螺紋連接，但因?yàn)榭p隙和應(yīng)力耦合作用會(huì)導(dǎo)致腐蝕損傷，所以，螺紋接頭除了會(huì)受到應(yīng)力外，還會(huì)因?yàn)閼?yīng)力腐蝕開裂。實(shí)際上，應(yīng)力也會(huì)影響金屬的局部腐蝕，可能增加局部腐蝕敏感性[46]。圖9為某油田油管密封面的腐蝕形貌。

圖9 某油田部分油管密封面的腐蝕形貌Fig.9 Corrosion morphology of sealing surface of some oil pipes in an oilfield

對(duì)于特殊螺紋腐蝕性能上的研究，中外學(xué)者也進(jìn)行了大量深層次的研究：解仲英等[47]對(duì)油井管腐蝕進(jìn)行探討，提出局部的沖刷效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生接頭腐蝕的觀點(diǎn)；李亞慧等[48]對(duì)接頭腐蝕進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，得出了氫脆開裂是導(dǎo)致接頭失效的直接原因；王新虎等[49]針對(duì)13Cr油管公扣的內(nèi)壁腐蝕問題，提出內(nèi)壁腐蝕是Cl-和CO2共同作用的結(jié)果，且內(nèi)壁腐蝕速率受到臺(tái)肩處的縫隙寬度影響；Murtagian等[43]對(duì)壓應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度對(duì)腐蝕關(guān)系的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了H2S對(duì)于管道腐蝕以點(diǎn)蝕為主導(dǎo)，且壓應(yīng)力增加會(huì)加速材料腐蝕；蔡銳等[50]對(duì)某L80油井管螺紋接頭的腐蝕原因進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)腐蝕的產(chǎn)物為FeCO3，在下井時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部腐蝕現(xiàn)象且伴隨粘扣，密封性能下降使地下水等腐蝕介質(zhì)進(jìn)入造成縫隙腐蝕。

3 油井管特殊螺紋失效行為控制方法研究

對(duì)于油井管疲勞損壞，Takano等[51]借助二維有限元分析技術(shù)手段，研制出了適合于大曲率井眼、高壓條件下及大軸向壓縮載荷的專門螺紋連桿接頭。王曉斌等[52]為了防止螺紋脫扣，必須確定外螺紋斷裂時(shí)的應(yīng)力應(yīng)該小于內(nèi)螺紋的剪切應(yīng)力，建立螺紋脫扣模型(圖10)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化等措施解決連接失效，進(jìn)而提高連接可靠性。

連接可靠性應(yīng)滿足：

(1)

式(1)中：

(2)

式中：πd為接觸周長；σBB為螺栓抗拉強(qiáng)度；τBN為內(nèi)螺紋剪切強(qiáng)度；α為牙側(cè)角；ρ為摩擦角；P為螺距；L為螺紋嚙合長度；D2為內(nèi)螺紋中徑；AS為螺栓截面積；AAB為應(yīng)力截面積。

Shahani等[53]采用有限元分析的方法對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行了三維有限元分析，同時(shí)通過研究螺紋接頭螺紋牙關(guān)鍵路徑的接觸壓力分布特征，提出適當(dāng)增加上扣預(yù)緊力可以減小應(yīng)力波動(dòng)幅值的建議，這樣有利于改善鉆桿螺紋接頭的疲勞性能。

對(duì)于油井管密封失效。美國Hydrill公司的研究員改變過去螺紋接頭嚙合的方法，采用圓筒過盈配合，重新定義螺紋接頭的抗泄漏性能[54]。周先軍等[55]建立兩種特殊螺紋接頭模型，模擬不同工況下的連接及密封性能(表2和表3)，得出在臺(tái)肩與密封面過渡區(qū)域是氣密扣最薄弱地方，螺紋連接前三圈起主要承載作用，且應(yīng)注重受拉側(cè)應(yīng)力的彎曲載荷的結(jié)論。祝效華等[56]通過模型發(fā)現(xiàn)彎矩對(duì)螺紋連接應(yīng)力影響較大，在密封與連接強(qiáng)度合理的情況下，盡量采用大錐度、小螺距的套管，可以有效提升抗擠毀能力。

圖10 螺紋受力模型[52]Fig.10 Screw force model[52]

表2 兩種扣型上扣對(duì)應(yīng)的齒形過盈量[55]

表3 邊界條件[55]

對(duì)于油井管腐蝕失效的情況，Rajendran等[57]通過研究鈦合金的縫隙腐蝕行為發(fā)現(xiàn)鈦合金中的Mo能改變其表面的氧化膜，與純鈦相比，Mo使鈦合金的抗縫隙腐蝕能力大幅度改善。Chen等[58]通過對(duì)高溫條件下材料發(fā)生縫隙腐蝕時(shí)縫隙幾何形狀對(duì)腐蝕行為的影響進(jìn)行研究，提出通過改進(jìn)縫隙寬度可以改變縫隙內(nèi)腐蝕介質(zhì)pH的想法。

劉文紅等[59]通過深入研究液相和其他腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)流體CO2的相積和體積速度分?jǐn)?shù)計(jì)算分布，建立了基于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化的高產(chǎn)氣液多相沖刷管的腐蝕運(yùn)動(dòng)速度分?jǐn)?shù)計(jì)算分析模型，此計(jì)算模型大大改善了由于徑向旋流重力作用的速度。劉和興等[60]通過考慮環(huán)空壓力等變化對(duì)于腐蝕的影響，建立了CO2溶解度模型優(yōu)化腐蝕速率預(yù)測(cè)模型，揭示了環(huán)空壓力對(duì)腐蝕速率的影響。高飛[61]在苛刻腐蝕性油氣井條件下研究Ti80合金抗腐蝕能力。宋江波等[62]通過研究硫化氫對(duì)套管的影響，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際作用的高強(qiáng)度抗硫化氫應(yīng)力腐蝕油套管。

4 結(jié)論與展望

國外的螺栓研發(fā)公司一直在持續(xù)改進(jìn)或推出管端新特殊扣牙型或密封結(jié)構(gòu)，但是幾乎不公布其依托或支撐的機(jī)理或設(shè)計(jì)理論?？傮w上，中國在油管、套管螺紋密封和強(qiáng)度設(shè)計(jì)、制造、產(chǎn)品信譽(yù)、創(chuàng)新專利以及其基礎(chǔ)理論研究等方面與國外相比還存在一定差距。中國油套管管端螺紋的開發(fā)、管端力學(xué)行為以及螺紋密封機(jī)理研究等，基本基于反復(fù)的加工和實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)，對(duì)管端特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)機(jī)械密封、過盈量控制、接觸力學(xué)、塑性力學(xué)及動(dòng)力學(xué)與應(yīng)力波傳播等螺紋工作力學(xué)缺乏基礎(chǔ)性研究，即缺乏以基礎(chǔ)和機(jī)理研究為支撐的源頭創(chuàng)新研究。

特殊螺紋主密封結(jié)構(gòu)屬于典型的接觸式密封。一般認(rèn)為防止管內(nèi)氣體泄漏的條件為：密封面上平均接觸應(yīng)力大于擬密封管內(nèi)流體壓力。而這一理論也是研究人員作為油套管螺紋接頭連接密封設(shè)計(jì)的依據(jù)。然而，該密封判據(jù)是建立在特殊螺紋密封面完全光滑的基礎(chǔ)之上。實(shí)際上，無論何種金屬加工工藝都不可能使得密封面完全光滑，密封面均存在一定的粗糙度。因此，過盈配合的密封面之間永遠(yuǎn)存在微小間隙，螺紋氣體泄漏速度永不可能為零。因此，對(duì)極端條件氣井油管柱特殊螺紋氣體泄漏問題，需要在微觀尺度下，考慮密封接觸壓力和密封接觸有效區(qū)域?qū)β菁y泄漏的影響。

對(duì)于高產(chǎn)氣井管柱而言，生產(chǎn)過程中由于產(chǎn)量的波動(dòng)、頻繁開關(guān)井作業(yè)以及油氣在流動(dòng)過程中相態(tài)變化等均能使流體處于不穩(wěn)定流狀態(tài)，流體流速反復(fù)變化將引起氣井管柱發(fā)生振動(dòng)。油管柱在反復(fù)振動(dòng)的過程中，即使螺紋上扣擰緊完成，螺紋密封面上的切向力也會(huì)使密封面產(chǎn)生相對(duì)“微滑”，在兩個(gè)表面之間的接觸位置產(chǎn)生一定的磨損。在超高溫超高壓超高產(chǎn)量氣井中，由于“微動(dòng)磨損”的存在，能夠?qū)е掠凸苤宇^因疲勞而形成過早的破壞或者泄漏。