王雙來，彭　娜，劉　卜

（1.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，陜西西安710065；2.西安市節(jié)能技術服務中心，陜西西安710021；3.攀成伊紅石油鋼管有限責任公司，四川成都610301）

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高溫高壓井特殊螺紋接頭的選用與評價試驗*

王雙來1，彭娜2，劉卜3

（1.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，陜西西安710065；2.西安市節(jié)能技術服務中心，陜西西安710021；3.攀成伊紅石油鋼管有限責任公司，四川成都610301）

摘要：介紹了高溫高壓井的分類。分析了目前高溫高壓井開發(fā)中存在的問題。探討了高溫高壓井特殊螺紋接頭的選用及測試評價。介紹了殼牌公司在高溫高壓井測試評價試驗方面的成功應用經(jīng)驗。分析認為：應對高溫高壓井用特殊螺紋接頭進行全面的實物測試評價試驗，以證明其具有較高的可靠性和適用性；根據(jù)使用工況選擇適當?shù)慕宇^測試試驗級別，并依據(jù)ISO 13679∶2002標準制定補充試驗評價程序；可借鑒殼牌公司在高溫高壓井用特殊螺紋接頭選用中的經(jīng)驗，使用雙級密封結(jié)構的特殊螺紋接頭。

關鍵詞：高溫高壓井；特殊螺紋接頭；選用；評價試驗；雙級密封結(jié)構

*國家自然科學基金資助項目（51271146）、陜西省重點科技創(chuàng)新團隊資助項目

王雙來（1982-），男，碩士，工程師，主要從事油井管非API特殊螺紋接頭產(chǎn)品的開發(fā)及評價試驗研究。

隨著石油開采速度的加快，易開采的油氣資源已經(jīng)非常少，油氣的開采難度越來越大。隨著鉆井技術的發(fā)展，人們向工況更苛刻的高溫高壓井發(fā)起挑戰(zhàn)。在過去10年內(nèi)，全球范圍內(nèi)的高溫高壓井項目數(shù)量顯著增加，但僅占全球在產(chǎn)油氣藏的1%左右，主要分布在美國（墨西哥灣深水區(qū)域及較深的陸地高溫井）、北海、挪威海、泰國和印度尼西亞。此外，稠油熱采項目主要分布在加拿大、美國加利福尼亞、委內(nèi)瑞拉和東歐等地區(qū)。

我國的高溫高壓井主要分布在西北（塔里木油田）、西南（川西區(qū)塊）等區(qū)域，稠油熱采項目主要分布在遼河油田、克拉瑪依油田、勝利油田等［1-4］。塔里木油田的天山南坡帶狀構造帶是世界上少有的典型超高壓氣藏富集區(qū)域，其儲層埋藏較深，一般為5 000 m，最高可達7 800 m；地層壓力高，一般為105 MPa，最高可達150 MPa；地層溫度高，一般為130℃，最高可達176℃，開發(fā)工況十分苛刻［5］。

1　高溫高壓井定義

目前，人們勘探開發(fā)油氣活動越來越多地涉及到了高溫高壓井底環(huán)境下的作業(yè)，發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新的高溫高壓油氣藏可能會遇到一系列的技術難題。石油工業(yè)界已涉足高溫高壓作業(yè)環(huán)境多年，但直至目前還沒有建立起界定高溫高壓環(huán)境及其溫度和壓力之間的相互關系的行業(yè)標準。目前，對高溫高壓井有兩種分類：一種是國際高溫高壓協(xié)會的分類［5］，另外一種是美國斯倫貝謝公司的分類［6］。文獻［5］與文獻［6］對高溫高壓井的分類基本相同，但國際高溫高壓井協(xié)會沒有對極端高溫高壓井進行定義。根據(jù)文獻［6］中的分類定義，極端高溫井的溫度在204～232℃，極端高壓井的壓力在136～170 MPa。高溫高壓井的分類見表1。

表1　高溫高壓井分類

在油井開發(fā)中，國際高溫高壓協(xié)會對高溫高壓井的應用分類較多一點。國際高溫高壓井協(xié)會對高溫高壓井進行分類時，更側(cè)重于油井的勘探開發(fā)環(huán)境，但沒有對極端高溫高壓井進行分類。目前，極端高溫高壓井的勘探開發(fā)已經(jīng)非常少。

由文獻［7］可知，美國斯倫貝謝公司僅對高溫高壓井的工況進行了分類，沒有對深井、超深井進行分類，側(cè)重于測井的工況。美國斯倫貝謝公司對高溫高壓井的分類主要以作業(yè)中一般會遇到的技術界限為依據(jù)，主要根據(jù)測井儀器中材料服役工作環(huán)境為界，將高溫高壓井劃分成3類。

從表1可以看出：高溫高壓井的起始井底溫度和起始井底壓力分別為150℃和69 MPa，這一界限的確定依據(jù)與標準彈性密封件的特性有關。超高溫高壓井是指溫度或壓力超過現(xiàn)有電子技術實際作業(yè)范圍（溫度≥205℃或壓力≥138 MPa）的那些井。目前要在超過205℃溫度條件下開展作業(yè)，電子儀器內(nèi)部必須增加散熱裝置，或者將儀器置于一個真空瓶內(nèi)，以便將其與高溫環(huán)境隔離開來。極端高溫高壓井是指在最極端的作業(yè)環(huán)境（溫度≥260℃或壓力≥241 MPa）下的井；雖然此類壓力條件在可預見的未來較少遇到，但在溫度方面，一些地熱井和熱采井的井底溫度已經(jīng)超過了260℃。

最近英國Welling & Company公司針對海底系統(tǒng)和服務的方向進行了專項調(diào)查。調(diào)查顯示：在未來5～10年將要鉆的油氣井中，有11%的油氣井的起始井底溫度將超過177℃；另外有26%的被調(diào)查者認為起始井底壓力將在69～103 MPa，而5%的被調(diào)查者認為壓力會更高。

2　高溫高壓井開發(fā)中存在的問題

塔里木油田是我國典型的高溫高壓超深井區(qū)塊，為了滿足高溫、高壓、超深苛刻工況地質(zhì)條件的開發(fā)，塔里木油田對高溫高壓井用特殊螺紋接頭油、套管提出更苛刻的要求［8］。特殊螺紋接頭具有較好的氣密封性能和連接強度，較好地解決了苛刻工況油氣藏的開發(fā)，但目前在高溫高壓井中的應用還存在一些問題。

2.1管柱存在氣密封泄漏現(xiàn)象

油、套管特殊螺紋接頭的氣密封與壓力介質(zhì)密切相關，壓力介質(zhì)分子直徑不同，其滲透率也不一樣，氣體介質(zhì)比液體更難密封。

2.1.1國外情況

1970年，美國Loomis公司首先提出了氦氣氣密封檢測，并實現(xiàn)氦氣檢測技術在油田的應用，在國外檢測井數(shù)超過2 600口。根據(jù)美國礦業(yè)管理局統(tǒng)計的8 122口井，11 498層套管生產(chǎn)中起了穩(wěn)定套壓，其中生產(chǎn)套管異常起壓井超過50%，主要由油管泄漏引起［9］。美國Loomis公司統(tǒng)計了1 053口井油管柱的泄漏情況，并按照螺紋接頭類型進行了分類，具體見表2。

2.1.2國內(nèi)情況

目前國內(nèi)特殊螺紋接頭應用最多的是接箍式結(jié)構，一般每個螺紋連接由兩個外螺紋和一個內(nèi)螺紋連接組成。制造廠將工廠端的一對外螺紋和內(nèi)螺紋擰接好，現(xiàn)場端的一對螺紋連接需要在井場下井時再進行螺紋擰接。特殊螺紋接頭的氣密封性能與密封面結(jié)構擰接配合后的應力狀況緊密相關，因此井場下井前現(xiàn)場端的螺紋擰接非常重要，扭矩過大或者太小都會造成氣密封性能下降甚至泄漏。為了保證每個特殊螺紋接頭在現(xiàn)場擰接后的氣密封性都能達到產(chǎn)品設計性能，避免密封失效造成重大事故，國內(nèi)某油田從2008年開始要求高溫高壓井中采用的氣密封特殊螺紋接頭在下井過程中測試每一個螺紋接頭擰接后的氣密封性能。

在現(xiàn)場下井過程中進行管柱氣密封檢測，可檢測油、套管管柱在下井過程中受拉狀態(tài)的氣密封能力，并能同時檢測現(xiàn)場端和工廠端螺紋連接，保證螺紋接頭入井前的氣密封性能。氣密封檢測依據(jù)SY/T 6872—2012《套管和油管螺紋連接氣密封井口檢測系統(tǒng)》標準，檢測氣體為氮氣和氦氣，最小檢漏值為1×10-8Pa·m3/s。

文獻［10］統(tǒng)計了2008—2012年西部某油田100口井接箍式氣密封性套管的氦氣檢測結(jié)果，共計8 188根套管，3種國產(chǎn)氣密封螺紋類型，具體結(jié)果見表3。

表2　美國Loomis公司統(tǒng)計的油管柱泄漏情況

表3　國內(nèi)某油田的套管氣密封檢測結(jié)果

筆者對2008—2014年國內(nèi)某油田的143口井，共計6種螺紋類型的74 899根接箍式油管的氣密封性能進行了統(tǒng)計，具體見表4。6種螺紋類型為目前油管氣密封特殊螺紋接頭用量最大的螺紋類型，密封結(jié)構為單級金屬密封結(jié)構。這些螺紋類型都通過了API RP 5C5—1999《油套管螺紋連結(jié)性能評價方法》及SY/T 6128—1995《套管、油管螺紋接頭性能評價試驗方法》等標準的實物評價測試試驗，螺紋參數(shù)檢驗在井隊現(xiàn)場全部復檢合格，但在實際下井應用中普遍都存在泄漏現(xiàn)象。

表4　2008—2014年國內(nèi)某油田的油管氣密封檢測結(jié)果

2.2生產(chǎn)套管套壓異常

生產(chǎn)套管柱的套壓異常，長時間的高壓易導致套管柱失效，造成氣體泄漏，為安全生產(chǎn)埋下重大隱患。文獻［11］統(tǒng)計了國內(nèi)西部某油田投產(chǎn)1～2年不同區(qū)塊94口氣井的套管套壓情況。其中，生產(chǎn)井套管起壓比率高，有的區(qū)塊高達94.7%，有50%的氣井套管環(huán)空壓力高于油管壓力值的50%。國內(nèi)西部某油田高溫高壓井生產(chǎn)套管套壓異常統(tǒng)計如圖1所示。

圖1　國內(nèi)西部某油田高溫高壓井生產(chǎn)套管套壓異常統(tǒng)計

3　高溫高壓井螺紋接頭選用及測試評價

高溫高壓環(huán)境會使油井在整個壽命周期內(nèi)面臨一系列的技術難題。發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新的高溫高壓油氣藏可能會遇到一系列的困難，因為油氣開采者通常需要應對惡劣的井底環(huán)境。為了滿足苛刻工況的需要，各個油井管制造企業(yè)開發(fā)了適合不同工況使用的特殊螺紋接頭。為了驗證這些特殊螺紋接頭的適用性能，需要進行全尺寸實物評價試驗，并依據(jù)其試驗結(jié)果繪制載荷包絡線。

生產(chǎn)套管、油管管柱承受高壓，而螺紋接頭是承受高壓載荷的高風險、最薄弱環(huán)節(jié)的部件。在油氣井的生產(chǎn)管柱中大約每12 m就有一對螺紋接頭，每一串高壓管柱中有500～600個螺紋接頭［12］。實物評價試驗可以驗證螺紋接頭的性能是否可以達到螺紋接頭制造廠提供的接頭性能。如果接頭的性能與管體等強，鉆井設計工程師可以根據(jù)管體的性能設計管柱；如果接頭性能低于管體，需要根據(jù)接頭性能進行管柱設計。鉆井設計工程師應考慮實際工況載荷，計算載荷的不確定安全設計系數(shù)，接頭測試的載荷包絡線應確保測試載荷包絡線高于工況載荷、壓力、成倍的設計系數(shù)。對于高溫高壓井用特殊螺紋接頭，一般要求接頭的拉伸、壓縮、外壓、內(nèi)壓效率與管體相同。

目前，油井管螺紋接頭測試主要依據(jù)ISO 13679∶2002《石油天然氣工業(yè)套管和油管接頭測試評價程序》［13］。該標準規(guī)定試驗分為4個等級，用戶可根據(jù)特定的服役條件確定接頭的適用等級。

（1）接頭級別Ⅳ（8個試樣）：適用于最苛刻的環(huán)境，適用于氣井生產(chǎn)和注采用的油管、套管。用氣體做試驗壓力介質(zhì)。

（2）接頭級別Ⅲ（6個試樣）：適用于苛刻的環(huán)境，適用于油、氣井生產(chǎn)和注采用的油管、套管。用氣體做試驗壓力介質(zhì)。

（3）接頭級別Ⅱ（4個試樣）：適用于較不苛刻的環(huán)境，適用于油、氣井生產(chǎn)和注采并承受有限外壓的油管、套管及技術套管。用氣體做試驗壓力介質(zhì)。

（4）接頭級別Ⅰ（3個試樣）：適用于最不苛刻的環(huán)境，適用于油井的油管和套管。用液體做試驗壓力介質(zhì)。

目前，實物試驗測試的復合載荷包括四個象限的VME等效應力（內(nèi)壓/外壓、拉伸/壓縮）加彎曲的包絡線試驗、熱循環(huán)試驗和極限載荷破壞試驗。ISO 13679∶2002標準提供了測試接頭試驗的等級，載荷包絡線主要根據(jù)管體的規(guī)格、壁厚、鋼級及螺紋接頭的性能、測試試驗等級來確定測試壓力、軸向載荷、溫度等。

由于ISO 13679∶2002標準中對苛刻工況與不苛刻工況沒有明確的劃分，因此用戶在實際應用中對選用試驗級別有一定的困惑，而油田用戶和制造廠商又存在一定的分歧。對于如何選用高溫高壓井螺紋接頭試驗等級問題，可以參考國外相關油田公司的成熟經(jīng)驗，根據(jù)具體井的實際工況參數(shù)、用途及失效造成的影響綜合進行選擇。

4　國外螺紋接頭選用經(jīng)驗及泄漏分析

4.1加強高溫高壓井的實物評價試驗程序

殼牌公司在高溫高壓井的開發(fā)中積累了很成熟的應用經(jīng)驗。殼牌公司的螺紋接頭評價程序主要采用ISO 13679∶2002和補充試驗程序。

4.1.1試驗等級的選用

（1）IV級試驗等級用于壓差ΔP∧82.74 MPa的一級屏障壓力管柱。

（2）III級試驗等級用于壓差ΔP在55.16～82.74 MPa的一級屏障壓力管柱。

（3）IV級試驗等級用于壓差ΔP∧103.42 MPa的二級屏障壓力管柱。

（4）III級試驗等級用于壓差ΔP在82.74～ 103.42 MPa的二級屏障壓力管柱。

由文獻［14］可知，在油氣井的使用壽命內(nèi)確保井筒完整性需要2個獨立的井身屏障，以阻止油氣以非常規(guī)方式從產(chǎn)層泄漏到地表。第一級屏障包括泥漿柱、封隔器、油管、尾管和井下安全閥等，第二級屏障包括技術套管、井口、采油樹等。確保井筒完整性的典型井身屏障如圖2所示。套管和油管被認為是井身屏障的組成元素，因此完井后的一級壓力屏障管柱包括封隔器、油管、尾管和井下安全閥，二級壓力屏障管柱包括技術套管、井口、采油樹等。

4.1.2補充試驗程序

殼牌公司在高溫高壓井螺紋接頭評價試驗中增加了以下補充試驗程序，試驗條件應根據(jù)特定井的載荷和壓力確定。

（1）每個接頭需要進行螺紋和密封極限公差組合的最差配合工況的螺紋擰接與卸載試驗，以驗證其螺紋黏結(jié)敏感性。

（2）有彈性密封環(huán)的螺紋接頭，需要根據(jù)ISO 13679∶2002標準對第9根試樣進行補充螺紋擰接與卸載試驗，確保沒有一點螺紋黏結(jié)現(xiàn)象。螺紋接頭公差配合為：螺紋高過盈+密封高過盈+最小體積密封環(huán)+外螺紋最陡錐度/內(nèi)螺紋最緩錐度，螺紋低過盈+密封高過盈+最小體積密封環(huán)+外螺紋最緩錐度/內(nèi)螺紋最陡錐度。

圖2　確保井筒完整性的典型井身屏障示意

（3）外壓用氣體介質(zhì)進行測試。

（4）對于海洋井應用工況，重復完成最終的C系循環(huán)試驗（拉伸和內(nèi)壓條件下的熱循環(huán)試驗），試驗溫度為4.4℃。

（5）B系試驗（第I和第II象限的載荷包絡線試驗）在實際使用的工況溫度下進行。

（6）外壓試驗應在接箍上開小孔，外壓載荷直接加載在金屬密封面上。

（7）在測試金屬密封試驗的加載載荷時，應根據(jù)管體實際內(nèi)徑來計算管端封堵端部效應產(chǎn)生的載荷。為了避免接頭載荷過載，殼牌勘探開發(fā)公司使用接箍扭矩臺肩頂點的最大內(nèi)徑來計算內(nèi)壓載荷作用的端部載荷有效面積。這樣計算的原因是，過高的軸向載荷作用時接箍和外螺紋的扭矩臺肩是分離的。當測試彈性密封計算試驗載荷，由于泄漏檢測孔在接箍上，在計算中使用接箍螺紋減少槽的直徑。

在螺紋接頭測試過程中，尤其是高溫高壓井工況中使用，殼牌公司會實行全程的項目管理和監(jiān)督試驗。所有的試驗工作都依據(jù)ISO 13679∶2002標準，并以ISO 13679∶2002標準為基礎制定螺紋接頭測試質(zhì)量計劃。

4.2使用雙級密封結(jié)構的特殊螺紋接頭

殼牌勘探開發(fā)公司在高溫高壓井用管柱內(nèi)壓壓差大于55.16 MPa時，選用2個獨立的通過了測試試驗的具有密封結(jié)構的特殊螺紋接頭。殼牌公司其他特殊工況的區(qū)塊也使用雙級密封結(jié)構的螺紋接頭。自1981年以來，隨著油井開發(fā)壓力的逐漸增大，殼牌勘探開發(fā)公司在高溫高壓井中開始使用雙級密封結(jié)構的特殊螺紋接頭，即金屬密封和彈性密封組成的雙級密封接頭。補充試驗方案要求對螺紋接頭的每一個密封結(jié)構單獨進行測試，每個密封結(jié)構都需要獨立通過苛刻的試驗程序檢測。由文獻［15］可知，在過去的20年里，殼牌勘探開發(fā)公司在高溫高壓井中已經(jīng)成功地應用了1 700萬個特殊螺紋接頭，僅有4個螺紋接頭失效，失效發(fā)生在現(xiàn)場旋合擰接過程中。

國外文獻也有較多對高溫高壓井接頭選用的介紹。文獻［16］介紹了關于氣密封螺紋接頭的密封性能，大多數(shù)的高溫高壓井用氣密封特殊螺紋接頭至少選用一個徑向的金屬密封，一部分選用多重的金屬密封結(jié)構，還有選擇彈性密封作為輔助密封和金屬主密封進行復合的雙重密封結(jié)構。在高溫高壓鉆井及完井中使用的特殊螺紋接頭，其徑向的金屬過盈密封是克服高壓流體通過屏障的最主要組成部分。4.2.1雙重金屬密封結(jié)構

對于雙重金屬密封結(jié)構的特殊螺紋接頭，其金屬密封面之間的過盈配合接觸壓力能夠有效、可靠地阻止氣體介質(zhì)通過。密封接觸壓力能量存在于螺紋接頭旋轉(zhuǎn)擰接后產(chǎn)生的徑向過盈中，決定了接頭在氣井使用中的氣密封性能。這種接觸壓力必須考慮到螺紋旋合擰接過程中可能存在的金屬密封面黏結(jié)的影響。密封面的接觸壓力越高，金屬徑向過盈量就越大，從而增加了密封面黏結(jié)的敏感性，特別是在酸性環(huán)境中使用的抗腐蝕合金材料。對于雙重密封結(jié)構的機械過盈配合結(jié)構，其密封面接觸壓力的真實作用是克服管柱中流體介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓或外壓壓力。這就是很多特殊螺紋結(jié)構在鋼管鼻端設計內(nèi)密封結(jié)構抵抗鋼管內(nèi)部的壓力，在接箍端面設計一個外密封結(jié)構克服外部壓力的真正原因。很多接箍式特殊螺紋接頭也設計有兩個金屬密封結(jié)構，其位置接近接箍端面或者在螺紋中間，用于阻止外部高壓流體介質(zhì)的通過。法國VAM公司的Ф273.05mm×24.52 mm VM100SS VAM HP SC80特殊螺紋接頭已在北海成功應用，其結(jié)構如圖3所示，它是一個雙重金屬密封結(jié)構，第二級密封結(jié)構設計在連接螺紋的中間部位。

圖3　Ф273.05 mm×24.52 mm VM100SS VAM HP SC80雙重金屬密封結(jié)構的接箍式特殊螺紋接頭

4.2.2金屬密封和彈性密封的復合雙重密封結(jié)構

為了增加金屬徑向密封的可靠性，有的廠家設計了彈性密封結(jié)構作為金屬密封結(jié)構的補充。金屬密封和彈性密封復合雙重密封結(jié)構的接箍式特殊螺紋接頭如圖4所示。彈性密封圈通常被放置在接箍的一個內(nèi)凹槽中，彈性密封圈的材質(zhì)為添加了玻璃纖維改良的聚四氟乙烯。使用彈性密封結(jié)構時，必須全面考慮接頭應力分布的合理性；不僅要考慮彈性密封結(jié)構的應力分布，還要綜合分析彈性密封結(jié)構產(chǎn)生的應力大小對接頭整體應力的影響，不能過多地減小金屬徑向密封結(jié)構的接觸壓力。需注意的是：對于金屬密封和彈性密封復合的雙重密封結(jié)構的特殊螺紋接頭，應單獨測試其每個密封結(jié)構的密封性能而不是整體進行，具體參考ISO 13679∶2002標準的附錄J。這一點能夠確保彈性密封結(jié)構真正起到金屬密封的輔助補充密封作用。VAM PRO RS是一種典型的金屬密封和彈性密封復合雙重密封結(jié)構特殊螺紋接頭，外螺紋鼻端對頂特殊螺紋接頭如圖5所示。文獻［16］指出，Ф202.44 mm× 28.52 mm P110鋼級VAM PRO RS特殊螺紋接頭的彈性密封最高壓力為170 MPa，最高溫度為218℃。Ф202.44 mm×28.52 mm P110鋼級VAM PRO RS外螺紋鼻端對頂特殊螺紋接頭形貌如圖6所示，接頭測試試驗性能見表5。

圖4　金屬密封和彈性密封復合雙重密封結(jié)構的接箍式特殊螺紋接頭示意

圖5　VAM PRO RS外螺紋鼻端對頂特殊螺紋接頭示意

圖6　Ф202.44 mm×28.52 mm P110鋼級VAM PRO RS外螺紋鼻端對頂特殊螺紋接頭形貌

表5　Ф202.44 mm×28.52mm P110鋼級VAM PRO RS接頭測試試驗性能

聚四氟乙烯彈性密封材料具有一系列優(yōu)良的使用性能：耐高溫（200～260℃）環(huán)境長期使用，耐低溫（在-100℃時仍柔軟）；耐腐蝕，耐王水和一切有機溶劑；耐氣候，在塑料中具有最佳的老化壽命；高潤滑，在塑料中的摩擦因數(shù)（0.04）最?。徊火ば?，在固體材料中的表面張力最小，不黏附任何物質(zhì)。聚四氟乙烯材質(zhì)的彈性密封圈具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、抗老化耐力，能在-180～250℃溫度下長期工作。油井管用彈性密封圈的材質(zhì)為添加玻璃纖維的聚四氟乙烯，增加了硬度，提高了彈性密封面之間的接觸壓力。在油套管螺紋接頭中，應用彈性密封圈較多的接頭有日本川崎制鐵公司的FOX RS彈性密封特殊螺紋接頭，其接箍形貌如圖7所示；美國格蘭特公司的Grant Prideco FL-4S、RTS-6、TC-4S等接頭也都采用了管端金屬-金屬密封結(jié)構和彈性密封相結(jié)合雙重密封結(jié)構，TC-4S特殊接頭螺紋結(jié)構如圖8所示。

圖7　日本川崎制鐵公司FOX RS彈性密封特殊螺紋接頭接箍形貌

圖8　格蘭特公司Prideco TC-4S特殊螺紋接頭結(jié)構示意

4.3泄漏原因分析

從文中及文獻［5-9］統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出：國內(nèi)外高溫高壓井的套壓異常及管柱泄漏現(xiàn)象普遍存在，這也是開發(fā)高溫高壓井面臨的挑戰(zhàn)。殼牌公司在開發(fā)高溫高壓井方面積累了成熟的應用經(jīng)驗，其失效的概率非常低，因此可以借鑒其相關經(jīng)驗。殼牌公司在內(nèi)壓壓差ΔP∧55.16 MPa時，選用兩個獨立的、已通過密封測試試驗的特殊螺紋接頭，在高溫高壓井中選用金屬密封和彈性密封復合的雙重密封結(jié)構，其應用效果非常好。英國北海區(qū)塊的高壓高壓井中也成功應用VAM HP雙重金屬密封結(jié)構。金屬密封和彈性密封復合的雙重密封結(jié)構，如法國VAM公司的Ф202.44 mm×28.52 mm P110鋼級VAM PRO RS接頭，其單獨測試的彈性密封和金屬密封的氣密封性能非常好，適用于高溫、高壓井的苛刻工況。

在高壓氣井中，管柱泄漏概率顯著增大的原因是：高壓管柱由大量的螺紋接頭相互連接組成，每對螺紋接頭連接里每個螺紋連接都存在泄漏風險，一旦有螺紋出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，整個管柱的抗泄漏壓力屏障將不能滿足整個管柱所需的密封功能要求，從而造成管柱泄漏。為了控制和降低整個管柱泄漏的風險，必須降低每個螺紋泄漏的風險。

殼牌公司在高溫高壓井中使用兩個獨立的、已通過密封測試試驗的特殊螺紋結(jié)構，其每個密封結(jié)構失效的概率很低。由于油套管應用工況中經(jīng)常有腐蝕介質(zhì)，鑒于金屬表面存在潛在的腐蝕，殼牌勘探開發(fā)公司在其所有的高壓井中使用兩種不同類型的螺紋接頭密封結(jié)構，即金屬密封和彈性密封相結(jié)合的雙級密封結(jié)構。這種將兩個相互獨立、但都必須獨立通過試驗驗證的復合密封結(jié)構（金屬密封和彈性密封）特殊螺紋接頭，其失效概率是每個獨立密封結(jié)構螺紋接頭泄漏概率的平方，大大降低了接頭的失效概率。

目前，國內(nèi)的高溫高壓氣井普遍選用單級金屬密封結(jié)構特殊螺紋接頭，存在油管柱泄漏概率高，環(huán)空帶壓比例高的情況。其泄漏概率高的可能原因是：

（1）在由500個螺紋接頭組成的管柱中，只有一小部分螺紋接頭可能承受極其苛刻的壓力、軸向載荷、彎曲等復合載荷組合，它們的服役條件比較苛刻，因此泄漏的風險較高。

（2）對于一個單級密封結(jié)構的螺紋接頭，不管其測試試驗的結(jié)果多么好，檢驗和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)處理得多么好，也不可能比兩個獨立的高性能雙級密封結(jié)構具有更低的泄漏概率。在雙級密封結(jié)構的特殊螺紋接頭中，第二級密封屏障能夠起到輔助密封，保證第一級密封失效后的密封可靠性，提高整個管柱的氣密封性能及安全可靠性。

在高溫高壓井時，殼牌公司優(yōu)先選用雙級密封結(jié)構，即金屬密封和彈性密封復合的雙級密封特殊螺紋接頭，并加強實物試驗評價程序，實施全程的過程監(jiān)督等方法，取得了成功應用。采用通過獨立測試試驗的雙級密封結(jié)構螺紋接頭，其失效概率可以降低到與管體失效概率相同的水平。與單級密封結(jié)構特殊螺紋接頭的管材相比，雖然進行性能測試評價試驗的雙級密封結(jié)構螺紋接頭管材的價格高一點，但是增加的成本與一口井失效后的處理成本相比而言是相當?shù)奈⑸?，特別是在高溫高壓井中。因此，選擇高溫高壓井用特殊螺紋接頭應綜合考慮特殊螺紋接頭密封結(jié)構類型、價格、安全可靠性及失效后的風險。

5　結(jié)　語

高溫高壓井對特殊螺紋接頭提出更高的要求，螺紋接頭制造廠不僅應重視前期規(guī)劃階段準備工作、螺紋接頭設計、質(zhì)量保證程序，并且要貫穿于產(chǎn)品加工、運輸及到井場的各個環(huán)節(jié)。高溫高壓井用螺紋接頭需要進行全面的實物測試評價試驗，以證明其具有較高的可靠性和適用性。應根據(jù)使用工況接頭測試試驗選擇適當?shù)脑囼灱墑e，依據(jù)ISO 13679∶2002標準制定補充試驗評價程序，提供可靠的載荷包絡線試驗。在高溫高壓井用特殊螺紋接頭的選用和評價方面，殼牌公司有以下經(jīng)驗值得借鑒：

（1）通過IV級試驗等級的高溫高壓井用管柱接頭用于壓差ΔP∧82.74 MPa的一級屏障壓力管柱，III級試驗等級用于55.16 MPa∧ΔP∧82.74 MPa的一級屏障壓力管柱。

（2）應根據(jù)特定高溫高壓井的載荷和壓力，確定高溫高壓井螺紋接頭評價試驗中需要增加補充試驗的程序。

（3）高溫高壓井中管柱內(nèi)壓壓差ΔP∧55.16 MPa時，選用兩個獨立的通過了測試試驗的具有密封結(jié)構的特殊螺紋接頭。

（4）通過單獨對雙級密封的螺紋接頭的每個密封結(jié)構進行測試評價試驗，可以大大降低整個管柱的泄漏概率。

（5）通過獨立測試的雙級密封結(jié)構的特殊螺紋接頭將比單個密封結(jié)構的特殊螺紋接頭更少受質(zhì)量保證、質(zhì)量控制、運輸環(huán)節(jié)失誤的影響。

（6）雖然購買雙級密封結(jié)構的螺紋接頭管材的價格略高一點，但是這些增加的成本，與一口井失效后控制處理或井噴處理成本相比是相當?shù)奈⑸?，尤其是在高溫高壓苛刻的氣井中?/p>

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Selection of Premium Connection as Used in HPHT Well and Relevant Evaluation Test Methods

WANG Shuanglai1，PENG Na2，LIU Bo3
（1. Xi’an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China；2. Xi’an Energy-saving Technical Service Center，Xi’an 710021，China；3. Pancheng Yihong Pipe Co.，Ltd.，Chengdu 610301，China）

Abstract：Described in the paper are the category of the HPHT oil/gas wells，and the problems as currently staying with exploitation of such wells. Also discussed are selection and evaluation testing of the premium connections as used in the said wells. Elaborated here are the experience of SHELL in successful application of such evaluation testing. The analysis leads to the conclusion as follows. Overall physical evaluation testing should be conducted to the premium connections for HPHT wells to prove their rather high reliability and suitability；Based on the actual service conditions，proper connection testing class should be chosen，and relevant supplementary test evaluation procedures should be made as per ISO 13679∶2002；and furthermore，SHELL’s experience in selection of premium connections for HPHT wells should be used for reference，i.e.，using the premium connection with 2-step seal structure.

Key words：HPHT oil/gas well；premium connection；selection；evaluation testing；2-step seal structure

收稿日期：（2015-07-08；修定日期：2015-09-01）

中圖分類號：TG62；TE921+.2搖

文獻標志碼：B搖

文章編號：1001-2311（2016）01-0064-08