油套管用特殊螺纹连接密封完整性探讨*

王建东，李玉飞，汪传磊，陈禹含，朱达江，马 力

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西 西安710077；2.中国石油西南油气田分公司，四川 成都610051；3.林州凤宝管业有限公司，河南 林州456550）

油套管标准接箍式气密封特殊螺纹接头具有很好的抗拉伸/内压/外压性能，以及高抗压缩性能（压缩效率60%～100%），广泛应用于高温高压气井、高内压多段体积压裂非常规页岩气/油开发以及储气库注采管柱，ISO 13679《石油天然气工业用套管及油管螺纹连接试验程序》（即API RP 5C5《套管和油管接头评价程序推荐作法》）是检验其性能是否优异的主要依据［1-7］。ISO 13679标准由国际石油公司共同起草，是在充分吸取油田生产过程中螺纹连接失效教训的基础上，结合不断发展的钻井和完井工艺需要制定的，是国内外石油公司检验复杂苛刻环境工况用油套管螺纹连接性能的首要标准。但是通过ISO 13679标准验证评价的螺纹连接，在高温高压气井工况使用时仍然有气密封失效泄漏发生。本文通过分析ISO气密封特殊螺纹检验标准，提出对高温高压气井用气密封特殊螺纹还需要进一步开展基于高温材料应力松弛的密封时间效应验证和评价分析，以进一步提高管柱的密封完整性。

1 研究方法

开展螺纹接头的APIRP 5C5（2017版）标准CALⅣ四级密封完整性试验，采用有限元计算方法分析螺纹密封性能变化规律。鉴于材料在高温下会发生应力松弛，分析螺纹危险载荷点的密封性能随时间变化的规律，确定螺纹的适用范围，并提出补充试验评价方法。

目前主要有两种方法来评价气密封特殊螺纹的性能。一是试验评价方法，依据API RP 5C5（2017版）规定的密封准则气体泄漏量来检验螺纹泄漏量，若15 min的气体泄漏量≤0.9 cm3，则判定其密封性合格。虽然实物试验具有检测全面、真实有效的特点，但该试验只能观察接头是否发生泄漏，不能了解其微观受力。二是有限元计算分析方法能了解螺纹接头的微观受力，获得沿密封面轴向的接触压力和接触长度的分布规律，依据气密封性能判据分析螺纹在载荷状态下的密封性［8-12］。

目前，ISO/TR 10400∶2018《石油和天然气工业套管、油管、钻杆和管线管性能公式与计算》是判断螺纹密封性能的主要标准，该标准提出螺纹接头的最大接触压力应大于内压，但没有对密封准则泄漏速率作要求；文献［13］基于小试样试验，提出接触压力占主导地位的气密封性能判据，试验研究中没有考虑密封面直径变化对密封性能的影响，不适用于油套管螺纹连接规格多样化要求。

文献［14］通过实物试验形成了考虑密封直径D、密封接触压力σ、泄漏速率Q和表面涂层、粗糙度多因素修正系数的气密封判据，有限元分析密封能SC见公式（1），密封有效内/外压所需的密封能SD见公式（2），密封能倍数SC/SD见公式（3），密封能倍数b≥1表明接头具有密封性。

式中l——密封接触长度，mm；

n——密封能加权指数，取1.95；

A——密封常数；

K——表面处理影响系数，取0.8；

m——表面粗糙度影响系数，取-0.033；

P——密封有效压力，MPa。

1.1 API评价标准分析

气密封特殊螺纹的密封完整性评价一直都是国际石油界关注的热点和难点。中国石油塔里木油田公司高温高压气井用油套管的气密封失效分析表明，现用特殊螺纹接头油套管通过了API RP 5C5（1996版）标准CALⅡ级+TGRC1+TGRC2试验评价（SY/T 6128—1995《油套管螺纹连接性能评价方法》中的TGRC1和TGRC2试验分别是85%VME内压恒定试验和外压挤毁试验，VME是指冯·米塞斯等效应力），但油田现场的多口井油管柱发生泄漏，套压升高。有些井刚开始投产时，套管的压力就出现异常上升情况。塔里木油田的DN2-8井，第一次下的完井管柱发生泄漏，套压高达78.7 MPa。失效分析发现，DN2-8井所用的多根油管在接头现场端和工厂端发生泄漏，说明该特殊螺纹接头油管不适用于塔里木油田的工况。对DN2-8井所用油管进行模拟井况实物试验，该特殊螺纹接头油管全部通过了试验。因此，最终投产后的油套管柱是否泄漏是检验评价试验方案是否科学的唯一标准［15］。这说明基于工况载荷的模拟试验评价是一种不考虑现场操作和井下载荷波动不确定性以及安全使用余量的试验评价方法。API RP 5C5（1996版）针对气密封特殊螺纹接头的密封完整性检测试验评价只有封堵管端内压和热循环试验、室温下拉伸压缩+内压气密封试验，不符合井下油管柱设计三轴全包络线校核。

国际石油公司与全球知名油套管生产制造企业共同成立了API WG2工作组，制定了气密封螺纹连接检测评价方法。2017年美国石油学会发布了API RP 5C5（2017版），采用实测材料屈服强度和几何尺寸计算的等管体性能极限包络线承载能力检验螺纹完整性，为管柱设计系数安全余量的确定提供了充分依据。该试验评价方法已成为各石油公司选择螺纹产品的首要标准。API全尺寸实物试验评价标准发展见表1，通过对比分析API全尺寸实物试验评价标准规定的最高评价等级可以反映检测的苛刻程度。

由表1可知：①螺纹完整性试验评价是伴随油气田生产勘探开发的需要而发展起来的，2000年以前世界石油勘探开发主要以油为主且多为低压浅井，主要采用API标准螺纹油套管；2000年以后随着深井、超深井及水平井等日益复杂苛刻工况和钻井新工艺的发展，需要更高性能的螺纹接头；②螺纹性能评价指标从单一结构完整性向密封完整性发展，也为井下管柱三轴设计校核提供依据；③试验评价方法从单一满足低压恒载荷密封验证向等管体密封性验证以及满足井下生产、高温环境下螺纹密封完整性验证评价发展。

表1 API全尺寸实物试验评价标准发展

1.2 密封完整性的试验研究

依据APIRP 5C5（2017版）评价Φ88.9 mm×6.45 mm 110SS油管的标准接箍式气密封特殊螺纹。选取极限公差配合的1号试样来检验螺纹密封面的密封完整性，对1号试样进行A系包络线试验，1号试样的螺纹高过盈、密封低过盈，外螺纹台肩端面刻槽（破坏台肩密封作用）。螺纹A端1次上扣，B端10次上扣9次卸扣，未发生螺纹黏结现象。A系包络线试验载荷谱见表2。螺纹密封完整性试验评价结果如图1（c）和图2～3所示。由试验结果可知，1号试样经A系包络线载荷温度循环未发生螺纹泄漏和结构失效。

图1 API全尺寸实物试验评价方法

图2 CAL四级A系室温90%VME载荷循环试验

图3 CAL四级A系室温95%VME载荷循环试验

表2 A系包络线试验载荷谱

1.3 密封完整性的有限元分析

依据1号试样实测螺纹参数和管体几何尺寸以上扣扭矩对圈数曲线，进行有限元建模，采用轴对称模型四边形轴对称单元CAXA4，轴对称模型及载荷边界条件如图4所示。

图4 轴对称模型及载荷边界条件

决定密封性能的主要因素是密封接触压力和密封接触长度，通过密封判据分析可知螺纹在不同载荷状态下的密封性。1号试样在A系包络线载荷循环时的密封能如图5～8所示，在A系包络线载荷2次循环的密封能降低量如图9～10所示。图6所示，载荷点13c的密封能SD为67 m·MPa1.95，载荷点22e的密封能SD为75 m·MPa1.95，数值接近。

图5 1号试样在高温A系90%VME载荷循环时的密封能

图6 1号试样在A系13c～22e载荷温度循环时的密封能

图7 1号试样在室温A系90%VME载荷循环时的密封能

图8 1号试样在室温A系95%VME载荷循环时的密封能

（1）结合图1（c）、图5和图9可知，在高温环境90%VME载荷包络线第2次循环时，“拉伸+内压”载荷点（12e～15e）密封能显著降低，最大拉伸载荷点12e的密封能降低量最大（为75%），密封能倍数为4.3；随着内压的增加，载荷点13e的密封能降低量减少到50.3%，密封能倍数为4.8，相同拉伸载荷下，内压增大，外螺纹密封胀大提高了接触压力，表明在“高拉伸+低内压”工况下易发生泄漏，需要控制最大拉伸载荷。载荷点14e的密封能降低量为48%，密封能倍数4.8；最大内压载荷点15e的密封能降低量为70%，且密封能倍数最小（仅为3.4）。这表明高内压下降低拉伸载荷对密封没有显著影响，需要控制最大内压载荷。

图9 1号试样在高温A系90%VME载荷2次循环的密封能降低量

（2）结合图2、图7和图10可知，在室温环境90%VME载荷包络线第2次循环时，密封能降低量均小于16.4%。“拉伸+内压”载荷点15a的密封能降低量最大（为14.1%），密封能倍数为3.5；“拉伸+外压”载荷点25a的密封能降低量最大（为16.4%），密封能倍数为1.38；载荷点26a的密封能倍数为0.66，存在外压泄漏的可能性，需要控制拉伸载荷使用范围；载荷点24a的密封能倍数为2.4。由此可知，1号试样在轴向压缩状态具有更好的外压密封性。

图10 1号试样在室温A系包络线载荷2次循环的密封能降低量

（3）结合图3、图8和图10可知，室温环境95%VME载荷包络线第2次循环时，“拉伸+内压”载荷点12a的密封能降低量最大（为77.5%），密封能倍数为3.8；“拉伸+外压”载荷点25a和26a的密封能降低量分别为40%和51%，密封能倍数分别是0.60和0.11，存在外压泄漏的可能。外压试验时（介质液压油）未发生泄漏，其主要原因是采用“气密封泄漏量”作为密封判据时需要更大的密封能SC。因此，通过密封能分析可以判定载荷点25a和26a是危险载荷点。

（4）从图6可以看出，载荷点13c（室温）～22e（高温）的5次循环密封能无变化，载荷点13c密封能倍数为4.5，载荷点22e的密封能倍数为9.2。由此可知，气密封螺纹连接在室温90%VME“拉伸+内压”和高温90%VME“压缩+外压”工况下具有优异的密封性。

有限元分析结果表明，通过标准密封性试验评价的气密封特殊螺纹，在环境温度和包络线载荷循环状态下，其密封能显著降低，存在危险载荷点。因此，需要进一步研究危险载荷点密封性能随时间的衰减规律，为油套管螺纹在井下的安全使用提供依据。

1.4 螺纹在高温时的密封持久性分析

金属材料在承载状态下的总应变保持不变，但应力会随时间的延长而逐渐降低，这种现象叫应力松弛。材料在高温条件下会出现明显的应力松弛现象。随着时间的延长，一部分弹性变形转变为塑性变形，即弹性应变不断减小，所以材料中的应力相应地降低。蠕变与松弛在本质上差别不大，可以把松弛现象看作是应力不断降低时的多级蠕变，但用蠕变数据来估算松弛数据还是很困难的。因为应力松弛表达了材料在不同初始应力状态和一定温度下经规定时间后的剩余应力。蠕变是在恒定应力状态下材料的塑性应变不断增加直至发生断裂失效，不能反映应力的降低程度。因此，用蠕变分析密封接触压力的变化是不科学的。

对于采用金属对金属的气密封特殊螺纹，决定密封的主要因素是密封接触压力和密封接触长度。因此，材料在高温条件下经应力松弛后的剩余接触压力是决定密封持久性的关键因素之一。笔者对110SS油管材料进行了高温应力松弛试验，基于螺纹在载荷状态下密封面的平均塑性应变，施加初始应力进行高温下材料应力松弛试验。经高温180℃环境包络线载荷2次循环有限元分析可知：90%VME最大内压载荷点15e的密封能倍数最小，该载荷点是危险泄漏点。1号试样在上扣和15e载荷点的等效塑性应变如图11～12所示，平均塑性应变为2.26%。密封面的平均塑性应变是影响密封性能的重要因素；因此，对110SS油管材料进行180℃高温环境下的应力松弛试验，试验结果如图13所示，应力松弛拟合方程见公式（4）。

图11 1号试样在上扣时的等效塑性应变

图12 1号试样在15e载荷点的等效塑性应变

图13 110SS油管材料在180℃高温环境下的应力松弛试验结果及拟合结果

110SS油管材料的应力松弛拟合方程是根据应力松弛试验结果和Cowper-Symonds法则［16］拟合出来的。其中，σs为稳态强度，MPa；x和y为应力松弛常数；E为弹性模量，MPa；t为保持时间，min；σ0为初始应力，MPa。由公式（4）可确定110SS油管材料的应力松弛参数，具体见表3。

表3 110SS油管材料的应力松弛参数

由图13可知，110SS油管的初始塑性应变越大，初始阶段速率变化越显著，初始塑性应变3.0%时，试验30 min后的初始应力从803 MPa降到734 MPa，下降速率为2.3 MPa/min；初始塑性应变为0.7%时，试验230 min后的初始应力从781 MPa降到545 MPa，下降速率为1.03 MPa/min，后期应力松弛趋于缓慢。因此，对于气密封特殊螺纹密封设计，应控制密封面在载荷状态下的塑性应变小于材料高温屈服应变，使材料具有更大的应力松弛抗力和更低的松弛速率，提高密封稳定性。

基于110SS油管材料高温应力松弛试验结果拟合的应力松弛方程，采用有限元方法分析气密封螺纹在高温180℃载荷点15e的密封能随时间变化规律，结果如图14所示，变化分析见表4。分析可知，密封能在保载初期10 h变化最大（下降了16.0%），保载1个月后的降低量为22.0%，保载6个月后的降低量为22.4%，降低量随保载时间的增加而缓慢变化；保载6个月后的气密封螺纹密封能倍数为2.62，说明螺纹仍然具有密封性能。如果管柱三轴设计系数提高30%，可以抵消高温环境长期载荷降低的密封性能。气密封螺纹按照API RP 5C5（2017版）标准进行四级评价的保载时长238 h是指在室温和高温环境B、C、A三个系列试验中保载时间总和，载荷点最长保载时间1 h。经过上述分析可知，API标准密封性能试验评价是基于材料强度验证螺纹密封性能的评价方法，没有充分考虑高温应力松弛时间效应的影响。为确保油套管螺纹在高温高压气井的长期安全使用，应增加基于时间效应的试验评价和有限元密封性分析。

表4 110S油管气密封螺纹在高温载荷点15e的密封能随时间变化分析

图14 110S油管气密封螺纹在高温载荷点15e的密封能随保载时间的变化规律

2 结 论

（1）模拟工况载荷的试验评价是一种不考虑现场操作和井下载荷波动不确定性以及安全使用余量的试验评价方法。API RP 5C5标准密封性能试验评价是一种依据材料强度验证螺纹密封性能的评价方法，没有充分考虑材料高温应力松弛时间效应的影响。为确保油套管螺纹在高温高压气井的长期安全使用，应增加基于时间效应的试验评价和有限元密封性分析。

（2）高温和室温环境下不同等效全包络线载荷2次循环的密封能倍数变化规律表明：气密封特殊螺纹连接密封性对高温（180℃）和室温95%VME包络线载荷循环极其敏感，密封能降低量较大；室温90%VME包络线载荷循环下密封能降低量较小。

（3）对于通过了API RP 5C5标准密封完整性试验评价的气密封特殊螺纹，还需采用有限元方法分析危险载荷点在高温环境下的材料应力松弛情况与密封性随时间变化的规律，从而为合理设计三轴安全系数提供理论依据。