曹峰 楊力能 李記科 李云龍 (中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所)

郭粉轉(zhuǎn) (西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

新型螺紋脂密封性能測試程序研究

曹峰 楊力能 李記科 李云龍 (中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所)

郭粉轉(zhuǎn) (西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

目前,國內(nèi)使用的錐形圓螺紋油套管主要采用API改進(jìn)型螺紋脂來密封。API改進(jìn)型螺紋脂通常含有鉛等其他金屬添加劑,這種螺紋脂對環(huán)境有較大傷害。然而,一些密封性能優(yōu)于API改進(jìn)型螺紋脂且環(huán)保的螺紋脂沒有得到足夠的重視。當(dāng)前,國際上沒有一套通用的螺紋脂密封性能測試的規(guī)范程序,傳統(tǒng)的模板測試過于簡單,不能反映真實(shí)情況,而全尺寸測試又代價過大且程序復(fù)雜,普及困難?；诖?奧地利石油天然氣公司研發(fā)了一套新的螺紋脂密封性能測試程序,本測試程序的一大特點(diǎn)是新引進(jìn)了溫度與測試時間對螺紋脂密封性能的影響,忽略了軸向載荷的影響。應(yīng)用此測試程序?qū)ζ叻N環(huán)保型螺紋脂及其他類型的螺紋脂進(jìn)行了密封性能測試,結(jié)果環(huán)保型螺紋脂的密封性能優(yōu)于API改進(jìn)型螺紋脂。

螺紋脂 油套管 密封 石油工程

螺紋脂的主要功能是對螺紋的潤滑與密封。目前,市場上應(yīng)用最廣泛的螺紋脂是API改進(jìn)型螺紋脂[1],但是這種螺紋脂含有一些有毒的金屬添加劑,對環(huán)境可造成重大影響。隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng),急待一種密封性能好且環(huán)保的螺紋脂。關(guān)于螺紋脂密封性能的測試,目前沒有統(tǒng)一的操作標(biāo)準(zhǔn)[2]。所以研發(fā)環(huán)保型螺紋脂前,首先應(yīng)該制定一種螺紋脂密封性能測試的標(biāo)準(zhǔn)程序。在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)上再來評價螺紋脂的密封性能是否環(huán)保才更為科學(xué)。奧地利石油天然氣公司開發(fā)了一套新的螺紋脂密封性能測試方法,此方法的最大特點(diǎn)是將溫度與測試時間列為影響螺紋脂密封的重要因素[3]。

1 螺紋脂的組成與功能

螺紋脂主要由油脂與分散在其中的固體顆粒組成。為了在高的載荷下具備一定的潤滑性,多數(shù)螺紋脂加入了一些添加劑,如極壓添加劑、防磨添加劑。這些油脂與添加劑混合在一塊來達(dá)到密封與潤滑性能的物質(zhì)就是螺紋脂。

API改進(jìn)型螺紋脂在API 5A3中有定義,其組成見表1。除了API改進(jìn)型螺紋脂外,還有可生物降解螺紋脂、厭氧硬化聚合物密封螺紋脂等,無論什么類型的螺紋脂,在本文中,只要能起到密封與潤滑作用的物質(zhì)都稱為螺紋脂。

表1 API改進(jìn)型螺紋脂組成

螺紋脂的主要功能為:①上扣時潤滑螺紋,防止黏扣;②密封公母扣間的間隙使螺紋緊密連接;③保護(hù)螺紋,防止腐蝕。

本文的焦點(diǎn)是螺紋脂的密封性能。API圓螺紋在API 5B中有定義,在公母螺紋的齒頂與齒底間有兩個間隙,也就是常說的螺旋泄漏通道 (圖1)。

圖1 API圓螺紋

2 螺紋脂密封性能測試

2.1 為什么要做氣密封測試

截至目前,沒有一種標(biāo)準(zhǔn)化的螺紋脂密封性能測試程序,對于這一問題,API 5A3與ISO/DIS 13678都表達(dá)了螺紋脂密封性能測試的必要性[4]。

對螺紋脂進(jìn)行氣密性測試的另一個重要意義是對其質(zhì)量進(jìn)行控制。通常,無論是在制造廠還是在螺紋脂使用者那里,都未對螺紋脂的氣密性進(jìn)行過測試。API RP 5A3和 ISO/DIS 13678標(biāo)準(zhǔn)明確指出,螺紋脂制造商應(yīng)對螺紋脂的氣密性負(fù)責(zé)。這樣就出現(xiàn)一個問題,制造商怎樣確保其螺紋脂達(dá)到要求的性能,因為目前沒有相應(yīng)的螺紋脂氣密性測試的設(shè)備與方法。

2.2 密封測試的背景

最好的螺紋脂密封性能測試是全尺寸測試。此測試程序在API 5C5以及ISO/DIS 13678中已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了[5],但是該程序僅測試螺紋的幾個參數(shù),而不能測試螺紋脂的密封性能。

如果要對大量不同類型的螺紋脂進(jìn)行測試,就必須要尋找一種簡單、科學(xué)的測試程序。歷史上曾提出過“模板測試”、“螺旋溝槽襯板測試”等,但由于種種原因,沒有一種測試程序成為通用標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 螺紋脂密封性能測試的必要性

由于螺紋密封不好導(dǎo)致的油氣井修井時間越來越長,開發(fā)新的螺紋脂密封性能測試程序顯得非常迫切。油田現(xiàn)場應(yīng)用表明,即使通過螺紋密封測試的油管在下入井后的數(shù)個星期或數(shù)月后仍然存在泄漏情況。

3 螺紋脂密封性能測試

3.1 新測試程序

前面提到的模板測試,相對于復(fù)雜的螺紋結(jié)構(gòu)來說,該方法過于簡化,不能反映真實(shí)情況;而全尺寸測試需要大型設(shè)備且測試費(fèi)用高。新的測試程序取這兩種測試程序的優(yōu)點(diǎn)且把油田的實(shí)際情況考慮了進(jìn)去。

新測試程序中引入兩個重要參數(shù):在整個測試過程中使用溫度載荷,以及測試時間。大多數(shù)測試程序都使用室溫來進(jìn)行測試,雖然螺紋脂完全暴露在井的高溫環(huán)境中;過去密封測試時,溫度載荷只持續(xù)數(shù)十秒到幾小時,而這種新的測試程序,溫度持續(xù)很長一段時間,通常的測試周期大約為兩個星期。在本測試的開發(fā)階段,一些測試持續(xù)數(shù)月。測試管唯一使用的機(jī)械載荷是內(nèi)壓,因為測試管端部是用管帽密封的,這樣可不考慮軸向載荷。

3.2 測試設(shè)備與程序

切割一支帶有螺紋的27/8in(1 in=25.4 mm) 10牙圓螺紋油管,將不帶螺紋一端與標(biāo)準(zhǔn)油管帽焊接在一起,確保密封。這樣的油管取兩支,通過接箍連接起來,它們組成了測試管單元。通過不銹鋼管將測試管單元與存放測試流體的容器連接在一起。在不銹鋼管上安裝壓力表與控制流體進(jìn)出的開關(guān)。測試裝置見圖2。將測試管安裝在一個簡單的架臺上,并且把整個測試組件放在一個干燥室內(nèi),整個干燥室的最高溫度可達(dá)到300℃。測試裝置的實(shí)物見圖3。

圖2 測試裝置示意圖

圖3 測試裝置實(shí)物圖

3.3 測試

測試前的第一道工序是清洗管體與接箍螺紋,所有的螺紋都要通過機(jī)械與化學(xué)的方式清洗,清洗完成后再使用壓縮空氣干燥螺紋。在進(jìn)行下一道工序前再對螺紋進(jìn)行外觀檢查。

在確定螺紋清洗干凈并經(jīng)檢查螺紋無缺陷時,進(jìn)行如下工序:①用刷子把螺紋脂涂到螺紋牙齒內(nèi);②將接箍與管端螺紋以手緊的方式連接起來;③以同樣的方式將管體的另一端與接箍連接起來;④用大鉗將管體與接箍的連接上緊;⑤將接箍端部外漏的多余螺紋脂除掉;⑥將測試單元放入干燥室,通過管匯把測試單元與其他設(shè)備連接起來,并把溫度設(shè)定為室溫。

記錄初始測試壓力,加熱器以一定的周期開關(guān),在每個加熱周期結(jié)束后在室溫下記錄當(dāng)時壓力。完成以上工序后,把測試裝備搬出干燥室,旋開接箍,準(zhǔn)備下一序列測試。

3.4 測試參數(shù)

(1)室溫下把壓力設(shè)定在2～4 MPa之間,因為高的壓力可能導(dǎo)致螺紋連接處有大量的泄漏。

(2)最苛刻的測試環(huán)境是圖4所示的溫度周期。高的溫度會導(dǎo)致鋼管與氣體膨脹,最終使螺紋滑動。進(jìn)一步來說,高溫對螺紋脂的影響類似于真實(shí)井況。

(3)為了分析螺旋泄漏通道的影響因素,做了如下改變,切短接箍,縮短螺旋泄漏通道;切短接箍螺紋牙齒,擴(kuò)大局部螺旋泄漏通道面積。

(4)延長測試時間到數(shù)月,通過這些試驗,得出最佳測試時間大約為兩個星期。

(5)在油田,扭矩是一個非常重要的變化參數(shù)。在本試驗中,由于沒有軸向載荷,所以沒有使用與油田現(xiàn)場一樣大的扭矩。

(6)為了研發(fā)測試方案,使用了不同測試氣體。

通過大量不同測試參數(shù)的組合試驗,試驗結(jié)果與理論預(yù)期的結(jié)果相符。測試表明應(yīng)用新的測試方法能得到較好的測試結(jié)果,可以作為螺紋脂密封性能測試標(biāo)準(zhǔn)來推廣。

圖4 溫度周期

3.5 測試結(jié)果

通過對測試裝置及程序的全面開發(fā)與研究,這種螺紋脂的密封性能測試方法已經(jīng)可以商業(yè)化推廣。本文選擇了七種環(huán)保型螺紋脂,其中兩種為通用螺紋脂。為了與API改進(jìn)型螺紋脂對比,對兩個制造廠的兩種API改進(jìn)型螺紋脂進(jìn)行了測試。

每次測試選擇4種不同的螺紋脂,每種螺紋脂在4支測試管上進(jìn)行,以便證明測試結(jié)果的可靠性。每個測試持續(xù)兩個星期,在測試中由于某些原因進(jìn)行二次測試是經(jīng)常的事情。

測試結(jié)束時的壓力相對于測試開始時的壓力以百分比的形式記錄,這個數(shù)字說明螺紋脂的密封性能。末端壓力為100%說明4支測試管完全密封。末端壓力為0%說明4支測試鋼管完全泄漏。

如圖5所示,縱軸代表測試末端壓力,每一個立柱代表一種螺紋脂,橫軸簡單描述了螺紋脂的組成與類型。

測試結(jié)果令人驚訝:三種密封性能最好的螺紋脂中的兩種為環(huán)保型螺紋脂,它們是無金屬甚至是可生物降解螺紋脂。兩種API改進(jìn)型螺紋脂的密封性能差別很大。通用螺紋脂也顯示出較差的密封性能?，F(xiàn)在可以明顯看出,選擇一種通用的螺紋脂來滿足油套管與鉆管的不同需求較難。

圖5 測試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)成功地開發(fā)了螺紋脂密封性測試程序,本測試程序填補(bǔ)了API與ISO關(guān)于螺紋脂密封性能測試程序的空白,利用此測試程序來選擇密封性能好的螺紋脂變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

(2)來自不同廠家的API改進(jìn)型螺紋脂差別較大,雖然都滿足API標(biāo)準(zhǔn)。

(3)通過測試試驗可以看出環(huán)保型螺紋脂比API改進(jìn)型螺紋脂的密封性能好且相對便宜,主要體現(xiàn)在降低了螺紋泄漏事故發(fā)生率,從而減少了修井費(fèi)用。

[1]API RP 5A3-2003套管、油管和管線管用螺紋脂推進(jìn)做法[S].

[2]劉養(yǎng)琴,李娜等.石油工程用螺紋密封脂質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用介紹[J].標(biāo)準(zhǔn)評價,2008(5).

[3]Jaroslaw Nowinka,Dan Dall’Acqua.New standard for evaluating casing connections for thermal well applications:SPE 119468,2009.

[4]ISO13678-2000石油天然氣工業(yè)-套管、油管和管線管用螺紋脂的評價和試驗[S].

[5]API RP 5C5-2003套管和油管接頭評價推進(jìn)做法[S].

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.7.013

2009-08-20)