李遠征， 苑清英， 周新義，戴 昆， 楊曉龍， 汪 強， 晁利寧， 唐家睿

（1. 寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞721008；2. 國家石油天然氣管材工程技術研究中心， 陜西 寶雞721008；3. 川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發(fā)項目經(jīng)理部， 成都610000）

0 前 言

特殊螺紋連接是指有別于API 5B[1]標準的螺紋連接， 其主要應用于高溫高壓氣井、 高內(nèi)壓多段體積壓裂非常規(guī)頁巖氣/油開發(fā)以及儲氣庫注采管柱等特定工況載荷和鉆井工藝。 檢驗特殊螺紋連接性能是否優(yōu)越的主要依據(jù)是ISO 13679 《石油天然氣工業(yè)用套管和油管螺紋連接試驗評價程序》[2]。ISO 13679[3]（API RP 5C5[4]） 標準是由國際石油公司共同起草， 在總結油田生產(chǎn)過程中螺紋連接失效教訓的基礎上結合不斷發(fā)展的鉆井和完井工藝需要制定， 是國內(nèi)外石油公司在復雜苛刻工況油套管螺紋連接選用的首要標準[5]。

寶雞石油鋼管有限責任公司前期開發(fā)的BJC-Ⅰ型氣密封特殊螺紋是一種適用于低壓、低滲透氣田水平井用氣密封特殊螺紋接頭產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有大角度導向面螺紋、 球面/錐面金屬密封、 直角臺肩等特點， 其拉伸效率達100%，壓縮效率大于60%， 循環(huán)壓裂最高試驗壓力為90 MPa[6]。 但對于頁巖氣、 致密油等非常規(guī)油氣勘探開發(fā)， 由于長距離水平井下套管摩阻效應、造斜段彎曲載荷效應、 水平段大載荷多級壓裂等引發(fā)的復雜載荷、 地層應力等綜合作用， 套管柱失效頻繁， 安全性和經(jīng)濟性的矛盾突出[7]， 所以亟需進行高性能氣密封特殊螺紋套管開發(fā)。

1 研究方法

在API 標準發(fā)展歷程和評價原理分析基礎上， 基 于API RP 5C5—2017 標 準[8]最高等 級（CAL IV 級） 性能要求， 充分結合BJC-Ⅰ型氣密封特殊螺紋特點， 利用ABAQUS 有限元軟件重新設計了螺紋結構和密封結構， 對螺紋連接進行建模分析， 并進行現(xiàn)場調(diào)試加工。

1.1 API 評價標準分析

氣密封特殊螺紋的密封完整性評價， 一直以來都是國際石油行業(yè)關注的熱點和難點[9]。 我國的塔里木油田蠕變地層要求套管有良好的抗擠性能， 高壓氣井對套管密封性能也有嚴格要求[10-12]。統(tǒng)計結果顯示： 塔里木油田所用特殊螺紋接頭油（套） 管滿足了API RP 5C5—1996 （第2 版） 接頭應用等級Ⅱ， 但仍有多口井油（套） 管柱泄漏，套壓升高。 同時發(fā)現(xiàn)部分油氣井剛開始投產(chǎn)套管壓力異常上升， 如迪那2-8 （DN 2-8） 井第一次下井的完井管柱泄漏， 套壓高達78.7 MPa， 該井不得不進行修井作業(yè)。 失效分析發(fā)現(xiàn)DN 2-8 井所用的多根油管接頭現(xiàn)場端和工廠端均發(fā)生泄漏，說明該種特殊螺紋接頭油管不適用于塔里木油田的工況。 但對DN 2-8 井所用的油管抽樣， 模擬井況實物試驗結果表明， 該特殊螺紋接頭油管可以通過實驗室實物評價。 因此， 最終投產(chǎn)后油（套） 管柱是否泄漏是檢驗評價試驗方案是否科學 的唯一標準[13]。 殼牌 （Shell） 石油公司基于ISO 13679： 2002 提出了螺紋連接檢測等級適用工況范圍， 并提出補充試驗要求， 氣壓55～103 MPa的生產(chǎn)套管螺紋連接需要經(jīng)過標準規(guī)定的四級試驗評價和企業(yè)制定的補充試驗評價 （即高溫環(huán)境下載荷包絡線循環(huán)試驗評價）， 經(jīng)過上述試驗要求評價的螺紋連接在油田應用17 萬個， 只有4 個發(fā)生泄漏失效[14]。

基于工況載荷的模擬試驗評價是一種不考慮現(xiàn)場操作、 井下載荷波動不確定性以及安全使用余量的試驗評價方法。 API RP 5C5—1996 不是完全針對氣密封螺紋使用工況的評價方法， Shell公司補充試驗評價方法完全是基于井下生產(chǎn)高溫環(huán)境采氣密封的驗證。 國際石油公司與全球知名油 （套） 管生產(chǎn)制造企業(yè)共同成立了API WG2工作組， 制定了氣密封螺紋連接檢測評價方法標準。 2017 年， API RP 5C5 第四版正式發(fā)布， 它是在第三版使用過程中發(fā)現(xiàn)問題和充分吸收Shell 公司補充試驗基礎上的完善， 采用實測材料屈服強度和幾何尺寸計算的等管體性能極限包絡線承載能力檢驗螺紋完整性， 為管柱設計系數(shù)安全余量的確定提供了充分依據(jù)。 該試驗評價方法已成為各石油公司選擇螺紋產(chǎn)品的首要標準。油（套） 管螺紋全尺寸試驗評價方法不同發(fā)展階段見表1， 實物評價方法如圖1 所示。

從表1 可以看出： ①螺紋完整性試驗評價發(fā)展是伴隨油氣田生產(chǎn)勘探開發(fā)的需要， 2000 年以前世界石油勘探開發(fā)主要以油為主且多為低壓淺井， 主要采用API 標準螺紋油套管； 2000 年以后隨著深井、 超深井以及水平井等日益復雜苛

刻工況和鉆井新工藝發(fā)展， 需要更高性能的螺紋連接。 ②螺紋性能評價指標從單一的結構完整性向密封完整性發(fā)展， 也為井下管柱三軸設計校核提供依據(jù)。 ③試驗評價方法從單一的滿足低壓恒載荷密封驗證向等管體密封驗證以及滿足生產(chǎn)高溫環(huán)境螺紋性能驗證發(fā)展。

表1 螺紋全尺寸實物試驗評價方法發(fā)展情況

圖1 螺紋全尺寸實物試驗評價方法

1.2 螺紋連接分析

針對油氣田現(xiàn)場實際使用要求， 設計了錐面/錐面BJC-Ⅱ型氣密封螺紋連接（見表2）， 開展了API RP 5C5—2017 CAL Ⅳ級試驗有限元建模（如圖2 所示）， 分析載荷計算參數(shù)見表3， 有限元分析材料力學性能參數(shù)見表4， 材料實測應力-應變曲線如圖3 所示， 設計的螺紋連接API RP 5C5—2017 CAL Ⅳ級試驗A 系室溫VME95%載荷譜如圖4 所示， 125SG 實測材料A 系VME95%試驗條件下的接頭應力分布如圖5 所示。 由圖5 可見， 該特殊螺紋套管在A 系試驗條件下， 螺紋接頭的受力分布情況良好， 可提供良好的氣密封性能。

表2 錐面/錐面氣密封螺紋結構

圖2 BJC-Ⅱ型螺紋有限元模型

表3 BJC-Ⅱ型螺紋載荷計算參數(shù)

表4 125SG 材料力學性能

圖3 125SG 材料拉伸真實應力-應變曲線

圖4 125SG 實測材料A 系VME95%包絡線載荷譜

圖5 125SG 實測材料A 系VME95%典型載荷點模擬結果

2 高性能氣密封螺紋開發(fā)驗證

針對新設計的螺紋和密封結構， 按照要求加工出了極限公差試樣， 參數(shù)見表5。 該螺紋連接的開發(fā)目標： ①以高溫高壓氣井需要的API RP 5C5—2017 CALⅣ級試驗程序為準， 完整性指標達到等管體； ②結合頁巖氣使用工況， 參考API TR 5SF[15]， 滿足生產(chǎn)多段壓裂密封和旋轉(zhuǎn)下套管扭矩。 螺紋連接設計目標性能見表6。

表5 1#極限公差試樣螺紋參數(shù)

表6 螺紋連接設計目標性能指標

2.1 API RP 5C5—2017 CAL Ⅳ級驗證

2.1.1 上卸扣試驗

依據(jù)API 5C5—2017 CAL Ⅳ級規(guī)定試驗要求加工極限公差試樣1#～5#。 經(jīng)最大扭矩25 000 N·m的3 次上扣2 次卸扣后未發(fā)生粘扣。 5#試樣上扣扭矩曲線及卸扣后試樣形貌分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 5#試樣上扣扭矩曲線

圖7 5#試樣卸扣后形貌

2.1.2 氣密封完整性試驗

依據(jù)API 5C5—2017 CAL Ⅳ級完整性試驗評價要求， 經(jīng)B 系、 C 系、 A 系試驗評價， 未發(fā)生結構和密封失效， 試驗載荷譜如圖8 所示。

圖8 API 5C5—2017 CAL Ⅳ級試驗載荷譜

2.1.3 極限失效載荷試驗

1#～5#試樣的極限試驗載荷譜如圖9 所示， 試驗結果見表7。 從表7 可以看出， 試樣均超過管體屈服強度， 未發(fā)生泄漏或在管體處斷裂。

2.2 多段壓裂水平井螺紋驗證

參考API 5C5—2017 標準選取1#極限樣A、B 兩端分別進行最小扭矩和過扭矩試驗， 隨后對其進行模擬壓裂循環(huán)試驗， 試驗結果未發(fā)生結構和密封失效。

圖9 1#～5#試樣極限失效載荷譜

表7 1#～5#試樣極限失效試驗結果

過扭矩試驗依據(jù)頁巖氣水平井用氣密封螺紋連接套管旋轉(zhuǎn)下井扭矩分析， 進行井口最大扭矩25 000 N·m 的120% （即30 000 N·m） 試驗評價， 經(jīng)3 次上扣2 次卸扣未發(fā)生粘扣， 試驗結果見表8， 上扣扭矩曲線如圖10 所示， 卸扣后形貌如圖11 所示。

模擬壓裂循環(huán)試驗按照拉伸 （2 260 kN） +彎曲 （20°/30 m） +內(nèi)壓 （140 MPa） 復合載荷VME95%、 大于壓裂井口最大內(nèi)壓100 MPa 進行900 次壓裂循環(huán)， 每次保壓時間為15 min， 均未發(fā)生結構和密封失效， 試驗載荷模擬結果如圖12所示。

表8 1#極限試樣過扭矩試驗結果

圖10 1#試樣過扭矩試驗上扣扭矩曲線

圖11 1#試樣過扭矩試驗卸扣后形貌

圖12 螺紋內(nèi)壓循環(huán)壓裂試驗載荷模擬結果

2.3 全尺寸實物試驗評價

新設計的特殊螺紋連接 （BJC-Ⅱ型） 產(chǎn)品經(jīng)國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心全尺寸實物試驗評價， 滿足設定的接頭適用等級 （API RP 5C5-2017 CAL Ⅳ級） 的要求， 其拉伸效率、 內(nèi)壓效率、 外壓效率、 壓縮效率均滿足等管體100%的結構和密封完整性要求。

3 結 論

（1） API RP 5C5—2017 評價標準是基于管柱生產(chǎn)實際需要和安全設計系數(shù)余量的螺紋連接試驗評價方法， 適用于復雜苛刻環(huán)境的工況。

（2） BJC-Ⅱ型氣密封螺紋具有優(yōu)異的抗粘扣性能， 密封和結構完整性均達到等管體性能100%指標， 滿足API RP 5C5—2017 CAL Ⅳ級試驗要求。

（3） BJC-Ⅱ新型氣密封螺紋具有優(yōu)異的抗過扭矩性能， 滿足復合載荷VME95%高內(nèi)壓循環(huán) （拉伸+彎曲20°/30 m+內(nèi)壓140 MPa） 900 次密封完整性以及后續(xù)生產(chǎn)采氣高溫B 系氣密封完整性， 抗疲勞性能優(yōu)異， 可滿足水平井下套管和生產(chǎn)多段壓裂循環(huán)需要。