新型螺紋脂密封性能測試程序研究

曹峰 楊力能 李記科 李云龍 (中國石油天然氣集團公司管材研究所)

郭粉轉 (西南石油大學石油工程學院)

新型螺紋脂密封性能測試程序研究

曹峰 楊力能 李記科 李云龍 (中國石油天然氣集團公司管材研究所)

郭粉轉 (西南石油大學石油工程學院)

目前,國內使用的錐形圓螺紋油套管主要采用API改進型螺紋脂來密封。API改進型螺紋脂通常含有鉛等其他金屬添加劑,這種螺紋脂對環境有較大傷害。然而,一些密封性能優于API改進型螺紋脂且環保的螺紋脂沒有得到足夠的重視。當前,國際上沒有一套通用的螺紋脂密封性能測試的規范程序,傳統的模板測試過于簡單,不能反映真實情況,而全尺寸測試又代價過大且程序復雜,普及困難。基于此,奧地利石油天然氣公司研發了一套新的螺紋脂密封性能測試程序,本測試程序的一大特點是新引進了溫度與測試時間對螺紋脂密封性能的影響,忽略了軸向載荷的影響。應用此測試程序對七種環保型螺紋脂及其他類型的螺紋脂進行了密封性能測試,結果環保型螺紋脂的密封性能優于API改進型螺紋脂。

螺紋脂 油套管 密封 石油工程

螺紋脂的主要功能是對螺紋的潤滑與密封。目前,市場上應用最廣泛的螺紋脂是API改進型螺紋脂[1],但是這種螺紋脂含有一些有毒的金屬添加劑,對環境可造成重大影響。隨著人們環保意識的增強,急待一種密封性能好且環保的螺紋脂。關于螺紋脂密封性能的測試,目前沒有統一的操作標準[2]。所以研發環保型螺紋脂前,首先應該制定一種螺紋脂密封性能測試的標準程序。在統一的標準上再來評價螺紋脂的密封性能是否環保才更為科學。奧地利石油天然氣公司開發了一套新的螺紋脂密封性能測試方法,此方法的最大特點是將溫度與測試時間列為影響螺紋脂密封的重要因素[3]。

1 螺紋脂的組成與功能

螺紋脂主要由油脂與分散在其中的固體顆粒組成。為了在高的載荷下具備一定的潤滑性,多數螺紋脂加入了一些添加劑,如極壓添加劑、防磨添加劑。這些油脂與添加劑混合在一塊來達到密封與潤滑性能的物質就是螺紋脂。

API改進型螺紋脂在API 5A3中有定義,其組成見表1。除了API改進型螺紋脂外,還有可生物降解螺紋脂、厭氧硬化聚合物密封螺紋脂等,無論什么類型的螺紋脂,在本文中,只要能起到密封與潤滑作用的物質都稱為螺紋脂。

表1 API改進型螺紋脂組成

螺紋脂的主要功能為:①上扣時潤滑螺紋,防止黏扣;②密封公母扣間的間隙使螺紋緊密連接;③保護螺紋,防止腐蝕。

本文的焦點是螺紋脂的密封性能。API圓螺紋在API 5B中有定義,在公母螺紋的齒頂與齒底間有兩個間隙,也就是常說的螺旋泄漏通道 (圖1)。

圖1 API圓螺紋

2 螺紋脂密封性能測試

2.1 為什么要做氣密封測試

截至目前,沒有一種標準化的螺紋脂密封性能測試程序,對于這一問題,API 5A3與ISO/DIS 13678都表達了螺紋脂密封性能測試的必要性[4]。

對螺紋脂進行氣密性測試的另一個重要意義是對其質量進行控制。通常,無論是在制造廠還是在螺紋脂使用者那里,都未對螺紋脂的氣密性進行過測試。API RP 5A3和 ISO/DIS 13678標準明確指出,螺紋脂制造商應對螺紋脂的氣密性負責。這樣就出現一個問題,制造商怎樣確保其螺紋脂達到要求的性能,因為目前沒有相應的螺紋脂氣密性測試的設備與方法。

2.2 密封測試的背景

最好的螺紋脂密封性能測試是全尺寸測試。此測試程序在API 5C5以及ISO/DIS 13678中已經標準化了[5],但是該程序僅測試螺紋的幾個參數,而不能測試螺紋脂的密封性能。

如果要對大量不同類型的螺紋脂進行測試,就必須要尋找一種簡單、科學的測試程序。歷史上曾提出過“模板測試”、“螺旋溝槽襯板測試”等,但由于種種原因,沒有一種測試程序成為通用標準。

2.3 螺紋脂密封性能測試的必要性

由于螺紋密封不好導致的油氣井修井時間越來越長,開發新的螺紋脂密封性能測試程序顯得非常迫切。油田現場應用表明,即使通過螺紋密封測試的油管在下入井后的數個星期或數月后仍然存在泄漏情況。

3 螺紋脂密封性能測試

3.1 新測試程序

前面提到的模板測試,相對于復雜的螺紋結構來說,該方法過于簡化,不能反映真實情況;而全尺寸測試需要大型設備且測試費用高。新的測試程序取這兩種測試程序的優點且把油田的實際情況考慮了進去。

新測試程序中引入兩個重要參數:在整個測試過程中使用溫度載荷,以及測試時間。大多數測試程序都使用室溫來進行測試,雖然螺紋脂完全暴露在井的高溫環境中;過去密封測試時,溫度載荷只持續數十秒到幾小時,而這種新的測試程序,溫度持續很長一段時間,通常的測試周期大約為兩個星期。在本測試的開發階段,一些測試持續數月。測試管唯一使用的機械載荷是內壓,因為測試管端部是用管帽密封的,這樣可不考慮軸向載荷。

3.2 測試設備與程序

切割一支帶有螺紋的27/8in(1 in=25.4 mm) 10牙圓螺紋油管,將不帶螺紋一端與標準油管帽焊接在一起,確保密封。這樣的油管取兩支,通過接箍連接起來,它們組成了測試管單元。通過不銹鋼管將測試管單元與存放測試流體的容器連接在一起。在不銹鋼管上安裝壓力表與控制流體進出的開關。測試裝置見圖2。將測試管安裝在一個簡單的架臺上,并且把整個測試組件放在一個干燥室內,整個干燥室的最高溫度可達到300℃。測試裝置的實物見圖3。

圖2 測試裝置示意圖

圖3 測試裝置實物圖

3.3 測試

測試前的第一道工序是清洗管體與接箍螺紋,所有的螺紋都要通過機械與化學的方式清洗,清洗完成后再使用壓縮空氣干燥螺紋。在進行下一道工序前再對螺紋進行外觀檢查。

在確定螺紋清洗干凈并經檢查螺紋無缺陷時,進行如下工序:①用刷子把螺紋脂涂到螺紋牙齒內;②將接箍與管端螺紋以手緊的方式連接起來;③以同樣的方式將管體的另一端與接箍連接起來;④用大鉗將管體與接箍的連接上緊;⑤將接箍端部外漏的多余螺紋脂除掉;⑥將測試單元放入干燥室,通過管匯把測試單元與其他設備連接起來,并把溫度設定為室溫。

記錄初始測試壓力,加熱器以一定的周期開關,在每個加熱周期結束后在室溫下記錄當時壓力。完成以上工序后,把測試裝備搬出干燥室,旋開接箍,準備下一序列測試。

3.4 測試參數

(1)室溫下把壓力設定在2～4 MPa之間,因為高的壓力可能導致螺紋連接處有大量的泄漏。

(2)最苛刻的測試環境是圖4所示的溫度周期。高的溫度會導致鋼管與氣體膨脹,最終使螺紋滑動。進一步來說,高溫對螺紋脂的影響類似于真實井況。

(3)為了分析螺旋泄漏通道的影響因素,做了如下改變,切短接箍,縮短螺旋泄漏通道;切短接箍螺紋牙齒,擴大局部螺旋泄漏通道面積。

(4)延長測試時間到數月,通過這些試驗,得出最佳測試時間大約為兩個星期。

(5)在油田,扭矩是一個非常重要的變化參數。在本試驗中,由于沒有軸向載荷,所以沒有使用與油田現場一樣大的扭矩。

(6)為了研發測試方案,使用了不同測試氣體。

通過大量不同測試參數的組合試驗,試驗結果與理論預期的結果相符。測試表明應用新的測試方法能得到較好的測試結果,可以作為螺紋脂密封性能測試標準來推廣。

圖4 溫度周期

3.5 測試結果

通過對測試裝置及程序的全面開發與研究,這種螺紋脂的密封性能測試方法已經可以商業化推廣。本文選擇了七種環保型螺紋脂,其中兩種為通用螺紋脂。為了與API改進型螺紋脂對比,對兩個制造廠的兩種API改進型螺紋脂進行了測試。

每次測試選擇4種不同的螺紋脂,每種螺紋脂在4支測試管上進行,以便證明測試結果的可靠性。每個測試持續兩個星期,在測試中由于某些原因進行二次測試是經常的事情。

測試結束時的壓力相對于測試開始時的壓力以百分比的形式記錄,這個數字說明螺紋脂的密封性能。末端壓力為100%說明4支測試管完全密封。末端壓力為0%說明4支測試鋼管完全泄漏。

如圖5所示,縱軸代表測試末端壓力,每一個立柱代表一種螺紋脂,橫軸簡單描述了螺紋脂的組成與類型。

測試結果令人驚訝:三種密封性能最好的螺紋脂中的兩種為環保型螺紋脂,它們是無金屬甚至是可生物降解螺紋脂。兩種API改進型螺紋脂的密封性能差別很大。通用螺紋脂也顯示出較差的密封性能。現在可以明顯看出,選擇一種通用的螺紋脂來滿足油套管與鉆管的不同需求較難。

圖5 測試結果

4 結論

(1)成功地開發了螺紋脂密封性測試程序,本測試程序填補了API與ISO關于螺紋脂密封性能測試程序的空白,利用此測試程序來選擇密封性能好的螺紋脂變為現實。

(2)來自不同廠家的API改進型螺紋脂差別較大,雖然都滿足API標準。

(3)通過測試試驗可以看出環保型螺紋脂比API改進型螺紋脂的密封性能好且相對便宜,主要體現在降低了螺紋泄漏事故發生率,從而減少了修井費用。

[1]API RP 5A3-2003套管、油管和管線管用螺紋脂推進做法[S].

[2]劉養琴,李娜等.石油工程用螺紋密封脂質量檢驗標準及其應用介紹[J].標準評價,2008(5).

[3]Jaroslaw Nowinka,Dan Dall’Acqua.New standard for evaluating casing connections for thermal well applications:SPE 119468,2009.

[4]ISO13678-2000石油天然氣工業-套管、油管和管線管用螺紋脂的評價和試驗[S].

[5]API RP 5C5-2003套管和油管接頭評價推進做法[S].

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.7.013

2009-08-20)