李遠(yuǎn)征， 苑清英， 周新義，戴 昆， 楊曉龍， 汪 強(qiáng)， 晁利寧， 唐家睿

（1. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721008；2. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)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(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)的螺紋連接， 其主要應(yīng)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(chǔ)氣庫注采管柱等特定工況載荷和鉆井工藝。 檢驗(yàn)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(yàn)評(píng)價(jià)程序》[2]。ISO 13679[3]（API RP 5C5[4]） 標(biāo)準(zhǔn)是由國際石油公司共同起草， 在總結(jié)油田生產(chǎn)過程中螺紋連接失效教訓(xùn)的基礎(chǔ)上結(jié)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(fù)雜苛刻工況油套管螺紋連接選用的首要標(biāo)準(zhǔn)[5]。

寶雞石油鋼管有限責(zé)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(dǎo)向面螺紋、 球面/錐面金屬密封、 直角臺(tái)肩等特點(diǎn)， 其拉伸效率達(dá)100%，壓縮效率大于60%， 循環(huán)壓裂最高試驗(yàn)壓力為90 MPa[6]。 但對(duì)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(yīng)、造斜段彎曲載荷效應(yīng)、 水平段大載荷多級(jí)壓裂等引發(fā)的復(fù)雜載荷、 地層應(yīng)力等綜合作用， 套管柱失效頻繁， 安全性和經(jīng)濟(jì)性的矛盾突出[7]， 所以亟需進(jìn)行高性能氣密封特殊螺紋套管開發(fā)。

1 研究方法

在API 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程和評(píng)價(jià)原理分析基礎(chǔ)上， 基 于API RP 5C5—2017 標(biāo) 準(zhǔn)[8]最高等 級(jí)（CAL IV 級(jí)） 性能要求， 充分結(jié)合BJC-Ⅰ型氣密封特殊螺紋特點(diǎn)， 利用ABAQUS 有限元軟件重新設(shè)計(jì)了螺紋結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)， 對(duì)螺紋連接進(jìn)行建模分析， 并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試加工。

1.1 API 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析

氣密封特殊螺紋的密封完整性評(píng)價(jià)， 一直以來都是國際石油行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[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(duì)套管密封性能也有嚴(yán)格要求[10-12]。統(tǒng)計(jì)結(jié)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(yīng)用等級(jí)Ⅱ， 但仍有多口井油（套） 管柱泄漏，套壓升高。 同時(shí)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(dá)78.7 MPa， 該井不得不進(jìn)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(duì)DN 2-8 井所用的油管抽樣， 模擬井況實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果表明， 該特殊螺紋接頭油管可以通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)物評(píng)價(jià)。 因此， 最終投產(chǎn)后油（套） 管柱是否泄漏是檢驗(yàn)評(píng)價(jià)試驗(yàn)方案是否科學(xué) 的唯一標(biāo)準(zhǔn)[13]。 殼牌 （Shell） 石油公司基于ISO 13679： 2002 提出了螺紋連接檢測等級(jí)適用工況范圍， 并提出補(bǔ)充試驗(yàn)要求， 氣壓55～103 MPa的生產(chǎn)套管螺紋連接需要經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的四級(jí)試驗(yàn)評(píng)價(jià)和企業(yè)制定的補(bǔ)充試驗(yàn)評(píng)價(jià) （即高溫環(huán)境下載荷包絡(luò)線循環(huán)試驗(yàn)評(píng)價(jià)）， 經(jīng)過上述試驗(yàn)要求評(píng)價(jià)的螺紋連接在油田應(yīng)用17 萬個(gè)， 只有4 個(gè)發(fā)生泄漏失效[14]。

基于工況載荷的模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)是一種不考慮現(xiàn)場操作、 井下載荷波動(dòng)不確定性以及安全使用余量的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。 API RP 5C5—1996 不是完全針對(duì)氣密封螺紋使用工況的評(píng)價(jià)方法， Shell公司補(bǔ)充試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法完全是基于井下生產(chǎn)高溫環(huán)境采氣密封的驗(yàn)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(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)。 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(bǔ)充試驗(yàn)基礎(chǔ)上的完善， 采用實(shí)測材料屈服強(qiáng)度和幾何尺寸計(jì)算的等管體性能極限包絡(luò)線承載能力檢驗(yàn)螺紋完整性， 為管柱設(shè)計(jì)系數(shù)安全余量的確定提供了充分依據(jù)。 該試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法已成為各石油公司選擇螺紋產(chǎn)品的首要標(biāo)準(zhǔn)。油（套） 管螺紋全尺寸試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法不同發(fā)展階段見表1， 實(shí)物評(píng)價(jià)方法如圖1 所示。

從表1 可以看出： ①螺紋完整性試驗(yàn)評(píng)價(jià)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(píng)價(jià)指標(biāo)從單一的結(jié)構(gòu)完整性向密封完整性發(fā)展， 也為井下管柱三軸設(shè)計(jì)校核提供依據(jù)。 ③試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法從單一的滿足低壓恒載荷密封驗(yàn)證向等管體密封驗(yàn)證以及滿足生產(chǎn)高溫環(huán)境螺紋性能驗(yàn)證發(fā)展。

表1 螺紋全尺寸實(shí)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法發(fā)展情況

圖1 螺紋全尺寸實(shí)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

1.2 螺紋連接分析

針對(duì)油氣田現(xiàn)場實(shí)際使用要求， 設(shè)計(jì)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(jí)試驗(yàn)有限元建模（如圖2 所示）， 分析載荷計(jì)算參數(shù)見表3， 有限元分析材料力學(xué)性能參數(shù)見表4， 材料實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3 所示， 設(shè)計(jì)的螺紋連接API RP 5C5—2017 CAL Ⅳ級(jí)試驗(yàn)A 系室溫VME95%載荷譜如圖4 所示， 125SG 實(shí)測材料A 系VME95%試驗(yàn)條件下的接頭應(yīng)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(yàn)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(jié)構(gòu)

圖2 BJC-Ⅱ型螺紋有限元模型

表3 BJC-Ⅱ型螺紋載荷計(jì)算參數(shù)

表4 125SG 材料力學(xué)性能

圖3 125SG 材料拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 125SG 實(shí)測材料A 系VME95%包絡(luò)線載荷譜

圖5 125SG 實(shí)測材料A 系VME95%典型載荷點(diǎn)模擬結(jié)果

2 高性能氣密封螺紋開發(fā)驗(yàn)證

針對(duì)新設(shè)計(jì)的螺紋和密封結(jié)構(gòu)， 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(biāo)： ①以高溫高壓氣井需要的API RP 5C5—2017 CALⅣ級(jí)試驗(yàn)程序?yàn)闇?zhǔn)， 完整性指標(biāo)達(dá)到等管體； ②結(jié)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(shè)計(jì)目標(biāo)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(shè)計(jì)目標(biāo)性能指標(biāo)

2.1 API RP 5C5—2017 CAL Ⅳ級(jí)驗(yàn)證

2.1.1 上卸扣試驗(yàn)

依據(jù)API 5C5—2017 CAL Ⅳ級(jí)規(guī)定試驗(yàn)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(yàn)

依據(jù)API 5C5—2017 CAL Ⅳ級(jí)完整性試驗(yàn)評(píng)價(jià)要求， 經(jīng)B 系、 C 系、 A 系試驗(yàn)評(píng)價(jià)， 未發(fā)生結(jié)構(gòu)和密封失效， 試驗(yàn)載荷譜如圖8 所示。

圖8 API 5C5—2017 CAL Ⅳ級(jí)試驗(yàn)載荷譜

2.1.3 極限失效載荷試驗(yàn)

1#～5#試樣的極限試驗(yàn)載荷譜如圖9 所示， 試驗(yàn)結(jié)果見表7。 從表7 可以看出， 試樣均超過管體屈服強(qiáng)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(yàn)證

參考API 5C5—2017 標(biāo)準(zhǔn)選取1#極限樣A、B 兩端分別進(jìn)行最小扭矩和過扭矩試驗(yàn)， 隨后對(duì)其進(jìn)行模擬壓裂循環(huán)試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果未發(fā)生結(jié)構(gòu)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(yàn)結(jié)果

過扭矩試驗(yàn)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(jìn)行井口最大扭矩25 000 N·m 的120% （即30 000 N·m） 試驗(yàn)評(píng)價(jià)， 經(jīng)3 次上扣2 次卸扣未發(fā)生粘扣， 試驗(yàn)結(jié)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(yàn)按照拉伸 （2 260 kN） +彎曲 （20°/30 m） +內(nèi)壓 （140 MPa） 復(fù)合載荷VME95%、 大于壓裂井口最大內(nèi)壓100 MPa 進(jìn)行900 次壓裂循環(huán)， 每次保壓時(shí)間為15 min， 均未發(fā)生結(jié)構(gòu)和密封失效， 試驗(yàn)載荷模擬結(jié)果如圖12所示。

表8 1#極限試樣過扭矩試驗(yàn)結(jié)果

圖10 1#試樣過扭矩試驗(yàn)上扣扭矩曲線

圖11 1#試樣過扭矩試驗(yàn)卸扣后形貌

圖12 螺紋內(nèi)壓循環(huán)壓裂試驗(yàn)載荷模擬結(jié)果

2.3 全尺寸實(shí)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)

新設(shè)計(jì)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(yàn)中心全尺寸實(shí)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)， 滿足設(shè)定的接頭適用等級(jí) （API RP 5C5-2017 CAL Ⅳ級(jí)） 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(jié)構(gòu)和密封完整性要求。

3 結(jié) 論

（1） API RP 5C5—2017 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是基于管柱生產(chǎn)實(shí)際需要和安全設(shè)計(jì)系數(shù)余量的螺紋連接試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法， 適用于復(fù)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(jié)構(gòu)完整性均達(dá)到等管體性能100%指標(biāo)， 滿足API RP 5C5—2017 CAL Ⅳ級(jí)試驗(yàn)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(fù)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。