劉 標，田樹亞，樊金俠

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司天津石油專用管分公司，天津 300280）

0 引言

油套管是一種油井井壁的鋼管，采用的是螺紋連接，單根套管通過螺紋接頭相互連接在一起形成套管柱。螺紋連接部位是管柱中最薄弱的部位，油套管中約有80%的失效產生在螺紋連接處。API 標準（American Petroleum Institute，美國石油學會）規(guī)定，不同螺紋扣型確保井下管柱結構的完整性與密封性，但實際上仍然存在一些缺陷，如油氣井不能在高壓、高腐蝕的條件下使用。與普通螺紋相比，氣密螺紋密封性、抗變形、連接強度比較強，適用于條件惡劣的油氣井。一般在選擇油套管氣密螺紋時，需要從機加工、接觸應力等方面優(yōu)先選擇，使用密封性能強、不會頻繁發(fā)生塑性變形的油套管。

1 油套管氣密螺紋

石油開采研發(fā)全過程中，占據(jù)重要位置的始終是管柱結構，利用螺紋連接形成管柱，套管產品分為API 套管與非API 套管兩類。API 套管是嚴格按照API 標準生產和檢驗的一類套管產品，具有規(guī)范統(tǒng)一、互換性好、價格便宜、加工維修方便和易于操作等優(yōu)點，廣泛應用于各油田，用量占所有全部套管的70%左右。非API 套管使用量逐漸增加，目前使用量占全部套管的30%左右。隨著氣井開采量在逐年增加，隨著井深的增加，井內溫度、壓力相應提高，井況越來越復雜，特別是一些環(huán)境條件苛刻的氣井，對特殊螺紋油套管產品的需求日益增加。特殊扣螺紋一般分為高溫高壓抗扭螺紋、氣密封性螺紋等形式，開發(fā)頁巖氣井時一般采用氣密封性螺紋。氣密封性螺紋采用金屬和金屬接觸的形式進行密封，能夠很好地保證密封性能。金屬與金屬接觸方式進行密封的方法，對應的油套管扣型即為氣密封性螺紋，在石油開發(fā)中也有非常好的應用[1]。在實際應用中，油套管氣密螺紋具有如下性能：

（1）密封性。井內油套管朝著3 個方向受力，即管柱承受拉力、外部擠壓力和內部膨脹壓力，這就需要螺紋接頭具有抗拉性、抗壓性，在交變載荷與高溫環(huán)境下也可以體現(xiàn)出極佳的密封性。

（2）抗粘扣性。螺紋與密封范圍的過盈量參數(shù)比較高，上卸扣時可能出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象，這時氣密螺紋的抗粘扣性成為性能的一項重要考察指標。

（3）加工性。由于氣密螺紋內部結構比較復雜，所以通過加工性可以了解到螺紋實用性，具體總結為加工時間、加工成本2項指標[2]。

2 油套管氣密螺紋選擇要點

氣密螺紋優(yōu)選需要從多個維度綜合考慮，行業(yè)內常用油套管氣密螺紋的氣密性，需要采用數(shù)控車床精密加工的方式，以達到局部過盈配合效果，加強油套管氣密封性。對于數(shù)控車床的選擇，必須觀察設備運行期間機床整體振動、進刀量、車刀過渡等，而且需要保證工作人員操作的規(guī)范性、保證光潔度，不能有尺寸偏差，或是在加工過程中損傷產品表面，以此來保證密封性。如果油套管氣密性螺紋扣長期在井下壓應力狀態(tài)下使用，而且周圍環(huán)境溫度高，很容易使公扣接觸壓力鼻端出現(xiàn)接觸面應力松弛的現(xiàn)象，進而降低氣密性。接觸構件處于壓縮變形條件，材料自身溫度也非常高，加上疲勞狀態(tài)，從而降低了密封面接觸、強度、彈性模數(shù)的應力。油套管中的非定常流、輸送多相流，是油套管縱向流固偶聯(lián)振動的直接原因，進而出現(xiàn)螺紋密封面接觸疲勞的現(xiàn)象。該問題還會引發(fā)螺紋接觸面金屬軟化、金屬之間粘連，降低金屬強度，情節(jié)嚴重的還會在氣流沖擊腐蝕作用下成槽[3]。

因此，氣密性螺紋的優(yōu)選要從井下工況、密封性能機理等多角度進行考慮，本文將其總結為以下4 點。

（1）基本材料處于在規(guī)定的彈性變形極限范疇之內，而且盡最大可能挑選出密封面接觸壓力比較大的原材料，可以保證密封面較大的過盈量，這是加強氣密封螺紋接頭密封性能的最根本標準。

（2）在不考慮氣密封性螺紋接頭密封面接觸壓力的情況下，一旦發(fā)現(xiàn)縫隙，很容易出現(xiàn)介質流出的現(xiàn)象，從而引發(fā)密封失效問題。所以，杜絕氣密封性螺紋接頭密封面裂縫也是選擇的重要標準之一。

（3）確?；w材料彈性變形、密封面接觸壓力滿足要求的基礎上，一般需要優(yōu)先選擇大接觸面積的氣密螺紋[4]。當接觸面積得到保證之后，流體通道距離也會隨之延長，從而提高泄漏阻力與氣密性。

（4）檢查螺紋密封表面，重點觀察粗糙度、表面處理情況，這2 項指標會直接影響螺紋密封性能，而且在生產環(huán)節(jié)尤其要做好表面處理工藝的優(yōu)化。

3 油套管氣密螺紋優(yōu)選建議

3.1 氣密封結構

選擇油套管氣密封性螺紋，應該關注螺紋的嚙合程度，即螺紋徑向過盈嚙合時所形成的接觸壓力。螺紋具有自密封流體的作用，其原因具有接觸壓力的齒側面，如果接觸面的壓力較高，那么密封流體內壓力也會比較高。在此方面有不同的看法，一方面當內壓力大于接觸壓力，此時密封螺紋有很大概率會發(fā)生泄漏現(xiàn)象；另一方面，接觸壓力為0 時螺紋才會出現(xiàn)泄漏[5]。主流氣密封性螺紋密封面的設計具有獨立特性，氣密封螺紋在設計中起到連接密封作用。氣密螺紋密封性能優(yōu)良，在接觸內外密封面之后，間隙大小則起到重要作用。間隙尺寸大于介質分子直徑，不考慮接觸壓力的條件下，螺紋不密封而且流體介質分子直徑小，密封難度也隨之增加。以天然氣為代表的氣體與液體相比，密封起來更加困難。由此發(fā)現(xiàn)，氣密封結構設計時，需要關注到的高壓氣密封影響因素比較多，還需要關注應力腐蝕穿孔。為了滿足氣密封效果，需要保證氣密封螺紋接觸應力超出擬螺紋密封氣體壓力。如果流體介質經(jīng)過密封面間隙所形成阻力ΔR 與密封面接觸路徑長度、間隙空間有關，建議根據(jù)公式來表達，其中h 為密封面間隙、Δl 為接觸路徑最小長度。

根據(jù)實踐經(jīng)驗，接觸面接觸長度、面壓之間的聯(lián)系極為密切。氣體在接觸壓力密封時，如果氣密封螺紋密封面形成的接觸面比較大，則接觸壓力較小；如果密封面接觸面小，反而氣密封接觸面接觸壓力較大。所以，氣密封螺紋密封面接觸壓力、接觸面積可以作為氣密封特殊扣螺紋密封性的最重要影響因素。氣密螺紋設計階段可以在原始材料允許的彈性條件變形范圍之內，提高密封面的接觸壓力、增加接觸面積，同時使密封面的接觸路徑長度得以適當延長。期望有效減小接觸面應力時，需要將重點放在預防應力腐蝕穿孔上，擴大密封螺紋結構的接觸面積。

3.2 密封面過盈量

氣密螺紋的密封面接觸壓力比較高的情況下，接頭氣密封性能越良好，接觸壓力一般與過盈量有關。過盈量小，受力使密封面可能發(fā)生泄漏，如果過盈量較大，則會增加螺紋變形的概率，從而出現(xiàn)粘扣[6]。了解過盈量可以仔細觀察螺紋密封接觸壓力，正常情況下接觸壓力是小于材料的屈服強度。此外，密封面接觸壓力還需超出管體內屈服壓力，而且峰值接觸壓力與接觸長度低、密封面平均接觸壓力大，降低上卸扣時粘扣的可能性。過盈量設計時還需規(guī)避塑性變形問題，過盈量原則上是不能超過材料比例極限應變量。

（1）計算最大過盈量需按公式ΔSmax=σp×OD 進行。其中，σp是比例極限應變量，OD 是管子外徑。

（2）計算最小，在常規(guī)狀態(tài)下過盈量應該大于管體內屈服壓力，通常按照公式ΔSmin=2d×dt2×P/E（dt2-d2）即可得知。其中：d 是嚙合位置的直徑；dt 是接箍外徑；P 是內屈服壓力；E 是彈性模量。

3.3 密封面精度

觀察螺紋接頭密封面表面的粗糙度，這是螺紋密封性的重要影響因素。在表面粗糙度比較大的情況下，一般施加密封面初始接觸應力會相應提升，反而表面粗糙度減小時，在螺紋密封面表面施加初始接觸應力則會減小。通常螺紋接頭的密封面粗糙度需要控制在0.8～3.2 μm。

3.4 接頭扭矩臺肩

油套管氣密螺紋的扭矩臺肩，可以改善接頭抗粘扣性與抗過扭性，扭矩臺肩如果在負角度套件下，其密封性一般會比直角臺肩更佳。但需要注意的是，負角度過大的情況下，母螺紋臺肩面剛度很有可能受到影響，提高加工難度。所以，負角度以15°以下為宜。扭矩臺肩設計時，接箍中孔長度也是重要的參考標準，中孔的長度比較短，那么管體和接箍螺紋扭矩臺肩會對中心孔產生一定的附加力，致使中孔所在部位、尺寸參數(shù)等發(fā)生改變。所以，中孔長度必須滿足公式Ld＞2Lp=2Ls×（sin15°+cos15°）的要求。其中，Ld是接箍中孔長度；Lp是扭矩臺肩在影響區(qū)內的長度；Ls是扭矩臺肩厚度。

3.5 螺紋配合

螺紋配合一般是采取兩種形式，一是承載面—導向面，二是齒頂面—齒根面。如果采用第一種配合方式，只有螺紋牙頂、牙底中間有間隙存在，螺紋抗壓縮載荷性、連接強度比較高，承載面—導向面這種配合方法在使用中需要保證相當高的加工精度。第二種配合方式，齒頂面—齒根面部位有一定的縫隙存在，必須要做好牙側間隙的各方面控制工作，使密封螺紋在壓縮載荷加大作用下充分接觸。在API 偏梯扣螺紋要求下，牙側間距以20～90 μm 為宜，此時抗壓縮載荷性能最佳。

3.6 螺紋承載面與導向面角度

按照承載面、導向面角度，螺紋接頭共有5 種類型，分別是：①導向面正角度；②承載面負角度；③雙正角度；④雙負角度；⑤承載面直角。如果承載面角度不高，抗壓縮性較良好，但負角度的承載面需要克服表面、加工處理難度較大的問題。在導向面角度比較大的情況下，上扣更加方便。因此需要控制好“度”，以免導向面角度太大而影響到螺紋密封接頭抗壓縮能力。根據(jù)操作經(jīng)驗總結，接觸面系數(shù)大于齒形角半角正切值，此時接頭滑脫的概率較小，計算公式為tanθ≤μ，其中θ 是齒形半角、μ 是接觸表面摩擦因數(shù)。

4 結束語

石油機械類設備中的油套管氣密螺紋的選擇，直接關系到石油開發(fā)與現(xiàn)場施工作業(yè)的質量，所以，工作人員在選擇時需要分析的問題與因素也比較多。具體應從氣密螺紋性能著手，起到優(yōu)化油套管應用效果的作用，并且能夠在優(yōu)選氣密螺紋的基礎上，加強密封性能，降低塑性變形發(fā)生概率。