金根泰，李國韜

(中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 北京 102206)

0 引 言

隨著地下儲氣庫建設(shè)、天然氣開發(fā)的大規(guī)模進(jìn)行，儲氣庫注采氣井、高壓氣井、含酸性氣體的生產(chǎn)井等復(fù)雜高危工況井的比例越來越大，對油套管的密封性能要求越來越高,氣密封特殊螺紋油套管被廣泛應(yīng)用。然而，由于油套管的加工公差配合，運(yùn)輸過程中的磕碰、微腐蝕，螺紋脂不合理使用，油套管下入作業(yè)過程中上扣扭矩不合理，以及油管反復(fù)使用等因素的影響，極易造成螺紋密封性能下降。統(tǒng)計(jì)資料表明，螺紋連接部位是油套管最薄弱的環(huán)節(jié)，約86%的油套管柱失效事故發(fā)生在這個部位[1]。因此，及時檢測油套管螺紋的密封性，是杜絕安全隱患的必要手段。

在北美、墨西哥、南美的大部分油田對特殊螺紋進(jìn)行氣密封性能檢測是強(qiáng)制性要求，并且已開發(fā)出了油套管螺紋密封檢測設(shè)備，形成了油套管螺紋密封檢測技術(shù)。目前國內(nèi)對油套管螺紋進(jìn)行氣密封性檢測的工作尚處于起步階段，僅在儲氣庫注采井相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有明確要求。在檢測設(shè)備方面，處于國外壟斷局面，檢測費(fèi)用昂貴。[2-3]

因此，研發(fā)一套油套管特殊螺紋氣密封性檢測設(shè)備和配套相應(yīng)的技術(shù)，對于促進(jìn)我國氣井井筒完整性管理，避免因螺紋泄漏引發(fā)巨大損失，意義重大。

1 檢測的基本原理及設(shè)備

螺紋氣密封檢測是在油套管入井前，在測試管柱內(nèi)下入雙封檢測工具；向檢測工具內(nèi)注入氦氮混合氣，將檢測工具的上下膠筒分別坐封在接箍上下位置；繼續(xù)加壓至設(shè)計(jì)要求的檢測壓力，此時檢測氣體進(jìn)入檢測工具與管柱之間的密閉環(huán)形空間；用集氣套將油套管接箍包起來，形成密閉空間，通過高靈敏度的檢漏儀在螺紋外探測氦氣是否泄漏，從而來判斷螺紋連接的密封性。由于氦氣分子直徑小[4]，可以沿螺紋微細(xì)空間滲透，且為惰性氣體，使用安全。若有氣體泄漏則設(shè)備報警，表明螺紋密封不合格。因此，該技術(shù)可以精確地檢測出油套管螺紋連接的氣密封性能。螺紋氣密封檢測主要設(shè)備見表1。

表1 螺紋氣密封檢測主要設(shè)備

2 氦氣檢測技術(shù)的研發(fā)

2.1 整體設(shè)計(jì)思路

在調(diào)研國外相關(guān)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對動力和增壓系統(tǒng)、雙封隔器檢測工具、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)；完善相關(guān)工藝和配件；優(yōu)化配套工藝和操作程序；開展地面聯(lián)調(diào)和試驗(yàn)井測試，最終形成一套油套管特殊螺紋氣密封檢測工藝技術(shù)和配套裝備。重點(diǎn)完成液氣動力系統(tǒng)選配、增壓系統(tǒng)及檢測氣源選配、檢測執(zhí)行系統(tǒng)研發(fā)、控制系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

2.2 動力和增壓系統(tǒng)的優(yōu)化

野外作業(yè)，需自備動力源，對油套管螺紋進(jìn)行氣密性檢測，難點(diǎn)在于如何將氮?dú)夂秃獾幕旌蠚怏w快速從氣瓶壓力增壓到設(shè)計(jì)的檢測壓力。經(jīng)過方案比選，最終采用高壓泵給水增壓，然后通過蓄能器將水壓力轉(zhuǎn)化為氮氦混合氣壓力的方式。通過控制臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的柴油機(jī)、高壓卸壓閥、高壓截止閥、氣動離合器的控制。利用壓縮空氣作為動力，無需任何電器，滿足現(xiàn)場防爆的要求。

2.3 雙封隔器檢測工具設(shè)計(jì)

2.3.1 方案設(shè)計(jì)

雙封隔器檢測工具是一種上下均帶有封隔器的特制工具，能分程序完成卡封檢測部位、注入高壓氣體檢測和解封作業(yè)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、室內(nèi)試驗(yàn)，對比了壓縮式檢測工具與擴(kuò)張式檢測工具，最終選用了壓縮式檢測工具，采用抗疲勞壽命和非對稱設(shè)計(jì)，提高了使用次數(shù)，增強(qiáng)了檢測的安全性。壓縮式檢測工具具有以下特點(diǎn)：膠筒由氣壓推動活塞式滑套壓縮變形坐封，坐封壓力2 MPa，坐封后密封壓力與檢測壓力一致；膠筒變形小，結(jié)構(gòu)簡單，膠筒回彈時間較快，拆裝方便。

2.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙封隔器檢測工具主要包括膠筒密封件、活塞缸坐封裝置、進(jìn)氣測試機(jī)構(gòu)、泄壓解封裝置4部分，如圖1。

圖1 雙封隔器檢測工具示意圖

膠筒密封件是在外力的作用下，擠壓膨脹而密封環(huán)形空間，防止流體通過的部件。它是封隔器的關(guān)鍵部件，主要由彈性膠筒、安裝密封元件的鋼碗，隔環(huán)和防止密封元件突出的元件構(gòu)成。

活塞缸坐封裝置是使封隔器坐于測試段后保持密封狀態(tài)的部件。坐封開啟后，進(jìn)入氣缸的壓力氣體推動活塞運(yùn)動，壓縮高強(qiáng)度彈性膠筒，使之膨脹而密封環(huán)形空間。它是由坐封活塞、中心管、上、下接頭、滑套組成。

進(jìn)氣測試機(jī)構(gòu)是在封隔器膠筒坐封后，保持膠筒持續(xù)密封并測試環(huán)形空間氣體泄漏的部件。它由進(jìn)氣閥、中心管、活塞缸構(gòu)成。

泄壓解封裝置是釋放環(huán)形空間和活塞缸的壓力，使膠筒回彈恢復(fù)原狀，并順利起封的裝置。它由泄壓閥、中心管、活塞缸構(gòu)成。

2.3.3 膠筒設(shè)計(jì)

膠筒是整個檢測工具的核心部件，用于封隔檢測工具與管柱之間的環(huán)形空間，其材料是硫化丁腈橡膠。由于橡膠材料屬于非線性復(fù)合材料，機(jī)械特性也會由于外部因素的影響而變得復(fù)雜。為此，在驗(yàn)證膠筒密封性能前，采用兩組膠筒模型，對橡膠進(jìn)行有限元分析。

通過優(yōu)化分析、試驗(yàn)優(yōu)選，采用高強(qiáng)度和特殊工藝制作的膠筒和保護(hù)套，承壓可達(dá)50 MPa以上，實(shí)驗(yàn)室承壓次數(shù)200次以上；上、下膠筒采用不同硬度、扯斷強(qiáng)度、扯斷伸長率、壓縮永久變形的橡膠材料，最終實(shí)現(xiàn)上膠筒解封速度、回彈速度快于下膠筒，避免了下膠筒先于上膠筒解封，造成檢測工具因環(huán)空高壓被“頂出”管柱，引發(fā)操作現(xiàn)場安全事故。

2.4 檢漏儀優(yōu)選和集氣套設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的集氣套密封效果好、操作方便，可以更好地收集泄漏氣；優(yōu)選檢漏儀，提高了檢測評價的準(zhǔn)確度，檢測氦氣泄漏速率精度為1.0×10-8Pa·m3/s。

2.5 氦氣檢漏儀數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

開發(fā)了氦氣檢漏儀數(shù)據(jù)采集軟件，具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時顯示、展示數(shù)據(jù)走勢、超標(biāo)數(shù)據(jù)報警等功能。此外，可以將穩(wěn)定值存儲到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查看、按照格式匯總、最后輸出格式報告等目的，有效降低了現(xiàn)場人員工作強(qiáng)度，顯著提高了工作效率。

2.6 裝備的主要參數(shù)

該套裝備的主要性能指標(biāo)以及與國外同類產(chǎn)品的對比見表2。由表可知，該套設(shè)備與國外同類裝備相比具有系統(tǒng)緊湊、安裝簡捷、檢測時間短，膠筒承壓次數(shù)高、解封安全性高，操作效率高和記錄準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

表2 與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)對比

注：1 in=25.4 mm

3 應(yīng)用情況

該裝備在中石油、中石化20口井中完成了1 800余扣次的螺紋氣密封檢測,見表3所示。在檢測入井管柱螺紋密封性的同時，對檢測設(shè)備的檢測壓力、檢測精度、檢測時間和膠筒使用壽命都進(jìn)行了優(yōu)化完善，使整套設(shè)備達(dá)到了吊裝方便、裝卸快捷、操作靈活、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，為有效保證高壓氣井井筒密封完整性提供了技術(shù)支撐。該項(xiàng)成果目前已經(jīng)授權(quán)2項(xiàng)實(shí)用新型專利，申請4項(xiàng)發(fā)明專利。

表3 螺紋氣密封檢測現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論與建議

1)研發(fā)的螺紋氣密封檢測裝備，系統(tǒng)緊湊簡捷、升壓迅速、運(yùn)行順暢、檢測速度快，2 min30 s可完成所有檢測操作，能很好地適應(yīng)現(xiàn)場作業(yè)需要。

2)檢測工具采用壓縮式坐封和非對稱解封設(shè)計(jì)，有效提高了檢測工具使用壽命和操作安全性，解決了現(xiàn)場膠筒使用次數(shù)少、工具易“頂出”的技術(shù)難題。

3)開發(fā)的油套管螺紋氣密封檢測數(shù)據(jù)采集軟件，具有實(shí)時記錄泄漏速率圖像和數(shù)據(jù)的功能，解決了現(xiàn)場手工記錄、數(shù)據(jù)可靠性低的技術(shù)難題。

4)根據(jù)國內(nèi)氣井的實(shí)際工況條件，匹配適當(dāng)?shù)脑鰤浩骱蛢δ芷鞯淖畲蟪袎耗芰?，進(jìn)一步降低成本，提高裝備的性價比。