李玲霞１ ２,邓叙燕１ ２ 穆增利１ ２

(１．达力普石油专用管有限公司,沧州０６１０００;２．河北省石油专用管工程技术研究中心,沧州０６１０００)

摘　要:对自行设计的?１３９．７mm×７．７２mmJ５５低压气密封螺纹套管接头进行了上卸扣、热循环气密封、弯曲条件下气体内压拉伸、拉伸至失效、加内压至失效等试验.结果表明:该接头的抗粘扣性能良好;１３５℃,３５MPa条件下的气密封性能和低压３０MPa、弯曲狗腿度１０°/(３０m)、拉伸载荷为８０％材料名义屈服强度条件下的气密封性能均合格;接头的泄漏失效内压和抗拉强度均远高于标准技术要求.

关键词:套管接头;低压气密封;上卸扣试验;热循环试验;拉伸失效试验;内压失效试验

中图分类号:TE９３１．２　　　文献标志码:A　　　文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０８Ｇ０５７３Ｇ０４

Performancesof?１３９．７mm×７．７２mmJ５５LowPressure

GasＧTightThreadedCasingJoints

LILingxia１,２,DENGXuyan１,２,MUZengli１,２

(１．DalipalPipeCompany,Cangzhou０６１０００,China;２HebeiOCTGEngineeringTechnologyResearchCenter,Cangzhou０６１０００,China)

Abstract:Makingupandbreakingouttests,thermalcyclegasＧtighttests,internalpressureandtensiontests

underbendingcondition,tensiontofailuretests,andinternalpressuretofailuretests werecarried outto

?１３９．７mm×７．７２mmJ５５low pressuregasＧtightcasingjointsamples．TheresultsshowthattheantiＧgluing

propertyofthejointswasgood,thesealingcapabilitywasqualifiedbothundertheconditionofthetemperatureof

１３５℃andthepressureof３５MPaandundertheconditionofthepressureof３０MPa,thebendingdoglegangleof

１０°/(３０m)andthetensionloadof８０％ nominalyieldstrength．Theleakagefailureinternalpressureandthe

tensionstrengthofthejointswereallmuchhigherthanthoseofthestandardtechnicalrequirements．

Keywords:casingjoint;lowpressuregasＧtight;makingupandbreakingouttest;thermalcycletest;tension

tofailuretest;internalpressuretofailuretest

伴随着油气工业的快速发展,气井的开采量在不断增加,普通的API圆螺纹油套管接头的气密封性能较差,不能满足开采要求,而且油套管接头泄漏是油套管失效的一个主要原因[１Ｇ３],因此气密封特殊螺纹接头已经成为我国油套管企业研究的重点.目前很多企业已经成功开发了深井、超深井及高温高压气井用气密封特殊螺纹接头[４Ｇ７],该类接头具有密

封性能良好、连接强度高等特点,但其对螺纹几何尺寸要求高,加工效率低,制造成本高,将其用于低压、低渗、低产气井的开采并不经济.我国的苏里格油田采用API长圆螺纹＋CATTS１０１特殊密封脂的方案进行气井的开采,CATTS１０１是以聚合物为基体,以云母、特殊石墨粉等无机材料为填料,结合现代胶黏剂技术制成的一种特殊密封脂,可增加接头

的气密封性,但使用该种密封脂接头的上扣速率较慢,且其一旦凝固就不能卸扣后再次拧接,给现场操作带来很大不便.

为克服现有螺纹连接的缺点,笔者设计了一种低压气密封螺纹,如图１所示. 在API长圆纹的基础上通过内螺纹变锥方式提高接头的连接强度,增强其密封性能,该螺纹接头在上扣时只需要采用普通密封脂,不设置密封面和台肩. 有限元分析发现[８],内螺纹的变锥,减小了螺纹两端的应力集中,使每个螺牙受力均匀,达到了增大连接强度的目的,而部分内螺纹锥度的增大,也减小了内、外螺纹齿顶与齿底之间的间隙,从而增强了其密封性能. 不设置密封面和台肩,采用普通密封脂,可实现该螺纹与API圆螺纹的互换,减小现场操作难度,提高其利用率. 笔者主要对该低压气密封螺纹套管接头的抗粘扣能力、气密封性能和连接强度进行了评价试验,为其应用于气井开采提供参考.

１　试验试样与试验方法

１．１　试验试样

１．１．１　试样规格及接头参数

用于低压气密封螺纹接头试样的公称外径为１３９．７ mm,壁厚为７．７２ mm,实测最小壁厚为７．４４mm;套管接箍公称外径为１５４．０mm,名义壁厚为１４．０ mm,实测最小壁厚为１３．７ mm. 试样内、外螺纹接头按设计标准加工,接头螺纹尺寸测量按照APISPEC５B－２００８«套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范»要求进行,在企业加工能力范围内进行试样配对,每个试样由两个一端带螺纹的管体和与之配对的两端带(A 端和B端)螺纹的接箍组成,配对原则和实测螺纹参数见表１,其中实测锥度和实测中径值为A 端和B端测得值范围.如表１所示:１号内螺纹中径偏小,外螺纹中径偏大,同时内螺纹锥度偏小,外螺纹锥度偏大,测试其中径低过盈情况下的气密封性能;２号为螺纹过盈量中值工况;３号则与１号试样相反,主要目的为测试其抗粘扣性能的同时测试其气密封性能.

１．１．２ 试样材料

采用J５５钢级套管,在套管管体和接箍上分别取样进行化学成分分析和拉伸试验,结果见表２和表３,可见管体和接箍的化学成分和力学性能均符合 APISPEC５CT－２０１１«套管和油管规范»技术要求.

１．２ 试验方法

加工套 管 实 物 短 节 作 为 评 价 试 样,参 照 ISO１３６７９－２００２«石油和天然气套管和管连接的测试程序»设计试验程序,为模拟套管服役条件,３组试样在不同极限条件下失效,评价项目包括:接头的抗粘扣性能、热循环气密封性能、复合载荷气密封性能、内屈服强度及连接强度.试验流程如图２所示.

２ 试验结果与讨论

２．１ 上卸扣试验

上卸扣试验参考ISO１３６７９－２００２中规定,A 端模拟工厂端１次上扣,３个试样扭矩控制分别为最小、最佳和最大扭矩;B端模拟现场端３次上扣、２次卸扣,上扣扭矩见表４.上扣前清洗并检查内、外螺纹是否有缺陷或粘扣现象,采用ShellType Ⅲ螺纹脂涂抹 均 匀 后 使 用 直 立 式 上 卸 扣 试 验 机 上 扣.由表４可见,B端卸扣后螺纹均未发现粘扣现象,经２次上扣、２次卸扣后接头的内、外螺纹形貌见图３.

２．２ 热循环气密封试验

热循环气密封试验在热循环试验系统上完成,加压介质为干燥氮气,采用气泡瓶检测试样泄漏情况,封 堵 方 式 采 用 焊 接 堵 头. 试 验 载 荷 为 内 压３５MPa(５０７５psi),保压时间为１５ min,热循环加载程序见表５.试验发现在整个热循环试验过程中套管接头未发生泄漏,接头气密封性能良好.

２．３　复合加载气密封试验

在复合加载试验机上进行弯曲条件下的气体内压拉伸试验,试验载荷计算依据如下:名义外径１３９．７mm,９５％ 名义壁厚７．３３４ mm,屈服强度３７９MPa,螺纹拉伸效率０．８. 按照室温、内压３０MPa、弯曲狗腿度１０°/(３０m)、拉伸载荷为８０％材料名义屈服强度及９５％名义壁厚加载,试验加载载荷、保持时间和结果见表６,试验过程中未发生泄漏.

２．４ 极限失效载荷试验

在复合加载试验机上对２号试样进行拉伸至失效试验,在静水压试验机上对１号和３号试样进行不同条件下的内压失效试验,加压介质为水,试验结果见表７.拉伸至失效后的试样形貌见图４.

２．５ 讨论

试验结果表明:?１３９．７ mm×７．７２ mmJ５５钢级低压气密封套管接头的理化性能符合 APISPEC５CT－２０１１技术要求;螺纹经３次上扣、２次卸扣未发生粘扣现象,说明其抗粘扣性能良好;另外接头还满足１３５ ℃,３５MPa条件下的气密封性能和低压３０MPa、弯曲狗腿度１０°/(３０m)、拉伸载荷为８０％材料名义屈服强度条件下的气密封性能.有研究指出[９],当套管接箍的屈服强度与管体接近时,套管的薄弱环节为接箍部分,在水压爆破试验过程中,接箍承载能力低于管体,接箍首先胀大变形,最后发生失效.试验接箍试样的屈服强度低于管体的,如采用承载能力强的接箍,可进一步提高螺纹的 抗 内 压 强 度.２ 号 试 样 拉 伸 失 效 载 荷 为１５５８kN,高于 API标准规定的长圆螺纹接头的失效载荷１０９９kN,从拉伸失效后的螺纹形貌可以看出,接头表面存在多处牙型撕裂,说明在拉伸过程中多牙受 力,整 个 螺 纹 受 力 比 较 均 匀,达 到 了 提 高接 头 抗 拉 强 度 的 效 果 .APIBULL５C２－１９９９规定:?１３９．７mm×７．７２mmJ５５长圆螺纹接头的泄漏抗力是３６．７MPa,而长圆螺纹全尺寸试样试验结果表明,静水压压力未达到２０．７ MPa就出现从接头部位发生泄漏的情况[９],１号和３号试样内压失效试验的压力分别为７０．９ MPa和７３．７ MPa,远高于API规定值.

３ 结论

(１)设计的低压气密封螺纹套管接头的抗粘扣性能良好,１３５ ℃,３５ MPa条件下的气密封性能和低压３０MPa、弯曲狗腿度１０°/(３０m)、拉伸载荷为８０％材料 名 义 屈 服 强 度 条 件 下 的 气 密 封 性 能 均合格.

(２)设计的低压气密封螺纹套管接头在拉伸至失效过程中多牙受力,整个螺纹受力比较均匀,可提高接头的抗拉强度,其抗拉强度远高于 API标准同规格长圆螺纹套管接头的规定值.

(３)设计的低压气密封螺纹套管接头不设置密封面和台肩,采用普通密封脂,可实现与 API圆螺纹套管接头的互换,减小现场操作难度,提高其利用率.

(文章来源：材料与测试网-理化试验-物理检测)