油管扣氣密檢測工藝及工具研制

李清濤，黃毓祥，陳 杰，張璽亮，劉傳剛

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司, 天津 300452)

隨著國際能源需求的增加，石油天然氣勘探開發不斷深入，井下工作環境復雜多變，油氣井開發越來越受到重視。氣井、深水井的開發不同于普通油井開發，尤其是含有腐蝕性氣體的氣田，對生產管柱密封性能要求嚴苛。日趨惡劣的開采環境對石油管接頭[1-3]的密封性能提出了更高的要求，具有較高氣密性的油套管接頭[4-6]，例如法國的WAM、阿根廷的3SB、日本的TM和FOX扣等在油氣井開采中應用日益廣泛。雖已形成規范化標準，但伴隨著油套管接頭的多次應用，以及現場工況載荷條件的限制[7]，生產過程中的油管滲漏現象時有發生，許多井存在井口油套帶壓現象，壓力波動。如果氣體存在腐蝕成分，嚴重影響套管安全，存在重大安全隱患。如果引起套管變形，控制天然氣的油套管出現問題，井內天然氣無法控制，后續工程施工無法保障，將對環境和社會造成不可預測的安全隱患。

現場常規密封檢測作業采取每下入約50根油管后，投入堵塞器，進行水密封試驗，即使水壓試驗合格，也有可能還會出現油套帶壓的問題。因為水分子量要遠大于天然氣的分子量，水不能穿透過的微間隙，天然氣能夠輕易穿透。因此，在含有天然氣井中，生產管柱使用水介質來進行試壓，其效果是非常不理想的，和氣井密封要求相差甚遠。對于生產管柱氣密扣的現場檢測，還沒有一套能夠被行業內普遍接受的手段、方法[8-11]和檢測標準，可以說這部分工作在國內剛剛起步。為了保證生產管柱在井下的安全，研究油管螺紋的氣密封性檢測技術極具必要性。中海油能源發展股份有限公司工程技術公司以現有氣體增壓設備和檢測儀器為主[12-15]，研制配套管內封隔器和管外檢測密封工具及其他配套工具，形成了一套油管扣密封檢測技術，能夠實現在生產管柱下入時高效、快速、安全地對氣密扣進行密封性能檢測，達到了現場推廣應用的條件。

1 氣密檢測原理

為保證入井管柱的完整性，油管在井口連接，要保證其氣密性良好，螺紋連接處是薄弱點，需采取合理的檢測手段對其檢測。現場檢測要求操作簡便，不過多占用機時，且判斷準確。傳統的濕式氣密性檢測方法有浸水法和氣泡法，這2種方法都需要將被測件浸沒在水中，或將肥皂水涂在被測物表面，觀察被測件外表面是否有氣泡產生，濕式法存在效率低、不能定量分析等缺點，不符合作業現場需求；干式氣密性檢測法對被測工件內充氣，通過測量儀器檢測工件內或外表面氣體，判斷氣密性。氦氣檢測法是干式氣密檢測的方法之一，氦氣分子直徑小，僅大于氫，易于沿微細間隙通道滲透，如表1，且氦氣是惰性氣體，對人無毒，對金屬管材無損傷，無腐蝕、安全清潔，具有反應時間快，檢測精度高等優點，符合現場需求，故根據氦氣檢漏的原理進行油管扣氣密性檢測工藝技術研究。

表1 不同介質的滲透率(25 ℃，與氦氣對比)

油管扣氦氣檢漏工藝流程如圖1～2。

1) 油管在井口連接并緊扣后，在接箍外罩上集氣罩。

2) 用氣動絞車將檢測封隔器從油管頂部放入到接箍位置，使油套管連接螺紋處于封隔器的上、下膠筒中間的位置。

3) 漲封密封膠筒，封隔器坐封完成后，保持坐封通道壓力不變。往封隔器和油管的密封環空注入高壓氮氦混合氣，用檢測儀在集氣罩中檢測是否存在氦氣。

4) 檢測完畢后，先釋放油管與封隔器環空壓力，再釋放封隔器坐封壓力，封隔器膠筒自動彈回，封隔器實現解封，取出封隔器。

5) 進行下一根油管檢測作業。

圖1 油管扣檢測流程

圖2 油管扣氣密檢測工藝技術原理

2 關鍵工具研制

2.1 工具結構及原理

根據油管扣氣密檢測工藝技術的原理，設計氣密檢測封隔器的結構，如圖3所示，由提升系統、密封系統、活塞系統、鎖緊系統、心軸等組成。提升系統由懸掛頭、提升頭、鋼絲繩組成；密封系統采取上下雙膠筒結構設計；活塞系統由連接套、彈簧、活塞、活塞套組成；鎖緊系統由調節環、鎖緊套組成。控制提升系統將封隔器下入到油套管內，使封隔器的上下膠筒處于油套管螺紋的兩側；密封系統上下對稱分布結構，通過單封隔器即可實現封隔器與油套管之間環空的密封；活塞與活塞套之間裝有助于膠筒復位的彈簧，活塞套上設計有可防止封隔器解封時產生負壓而影響膠筒復位的壓力平衡通道，可有效使膠筒解封；鎖緊套與調節環形成雙螺母對擰緊固結構，以防止封隔器坐封時活塞套產生移動；上下對稱的心軸結構，心軸上并列設置有兩條傳壓通道，其中一條傳壓通道為液壓坐封通道，設有兩個出口，分別與封隔器的上活塞腔室、下活塞腔室連通，控制密封機構的坐封及解封狀態，另一條傳壓通道為高壓氣體驗封通道，出口設置在封隔器上的兩個膠筒之間，對形成的油管接箍內封閉腔充氣驗封。

1—鋼絲繩；2—提升頭；3—懸掛頭；4—鎖緊套；5—調節環；6—活塞套；7—膠筒；8—活塞；9—彈簧；10—連接套；11—心軸；12—導向鎖緊套。

2.2 技術參數

氣密檢測封隔器在油管扣氣密檢測工藝中的作業工況分為3種：封隔器坐封、驗油管扣氣密性和封隔器解封。針對這3種作業工況，設計氣密檢測封隔器的技術參數。

2) 膠筒坐封額定壓力25 MPa，油壓坐封；密封壓力70 MPa以上，氣體密封。

3) 密封膠筒卸載后殘余變形小，能夠無阻礙的提出和放入88.9 mm(3英寸)油管內，連續有效重復使用次數不低于50次，現場拆裝方便。

2.3 受力分析

封隔器受力主要來自兩部分:一部分來自兩條壓力通道內的液體和氣體壓力；另一部分來自懸掛在心軸上的零部件對其的作用力。封隔器金屬部件均選用40CrMnMo材質，強度極限980 MPa，材料屈服強度785 MPa。心軸受力最為惡劣，對心軸進行受力分析。

1) 坐封極限工況下心軸強度分析。

當坐封壓力達到最高35 MPa時，其坐封壓力通道承受的內壓最大；同時，活塞的推力傳遞到心軸上，使心軸受到向兩端的拉力F=21 450 N，在此情況下，對心軸進行建模，進行受力分析，如圖4～5。

圖4 心軸坐封極限狀態下力學模型

圖5 心軸坐封極限應力云圖

由圖5可以看出，心軸受 35 MPa 內壓及兩端拉力F作用時，最大應力出現在壓力出口處，最大值為 202.4 MPa，遠小于心軸材料 40CrMnMo 的屈服強度785 MPa，安全系數為 3.9。

2) 驗封極限工況下心軸強度分析。

封隔器坐封完成后，膠筒緊貼在油管內壁上，油管和工具環空中的氣體壓力主要由膠筒承擔，在此情況下，心軸主要承受驗封壓力85 MPa拉力作用以及坐封壓力35 MPa的內壓作用，對心軸進行強度校核分析，如圖6～7。

由圖7可以看出，心軸在驗封極限工況下最大應力出現在氣體通道入口的錐面處，最大值為242.8 MPa，心軸材料40CrMnMo 的屈服強度785 MPa，安全系數為 3.2。設計合理。

圖6 心軸驗封極限狀態下力學模型

圖7 心軸驗封極限狀態下應力云圖

由以上分析可知，心軸材質選擇及結構設計均滿足坐封及驗封極限工況下的強度要求，且安全系數均在3 以上，設計合理。

3 工具性能測試

封隔器的密封能力、各部件能否順利地反復多次動作是工具研制成敗的關鍵。重點對工具的整體性能進行測試及驗證。

工具零部件清洗干凈，檢測各部件尺寸滿足設計要求，對工具進行裝配，各滑動表面和螺紋連接處涂抹潤滑油，裝配后，各部件靈活無卡阻現象，工具實物圖如圖8。

圖8 氣密檢測封隔器

a 封隔器送入測試筒

b 接封隔器兩路壓力管線

c 加壓泵加壓測試

經測試，封隔器在25 MPa坐封時，液壓驗封30～85 MPa，穩壓情況良好。解封后，將封隔器從測試筒內取出，反復測試80次，封隔器動作靈活，坐封、驗封、解封情況良好，證明封隔器設計合理。膠筒為易損件，作業時至少備2套工具，一用一備，適時更換工具及膠筒零部件，提高作業效率。

表2 驗封試驗數據

4 現場應用

油管扣氣密封檢測技術在中海油鉆采試驗基地JJSY-1井進行了成功應用，如圖10。在井口檢測3" 9.21 b/ft FOX型油管扣200個，檢測出4個泄漏點。現場及時更換油管，提高了作業可靠性。現場下1根油管的時間分配為：油管扣上扣2 min38 s，檢測2 min50 s，下油管(鉆井隊操作)24 s，起管到鉆臺1 min30 s，合計7 min22 s。檢測時間占38.4%，檢測過程的時間是封隔器下入20 s，坐封50 s，注入高壓氣20 s，穩壓及檢測60 s，泄壓10 s，封隔器起出10 s。

a 封隔器準備送入油管內

b 井口油管檢漏

c 井口封隔器檢測

5 結論

1) 為保證氣井、深水井生產管柱在井下的安全，提高作業可靠性，降低井內復雜事故的發生率，建議現場進行油管氣密扣的氣密封性檢測。

2) 油管氣密扣氦氣檢測技術，具備檢測精度高、反應時間快、安全清潔、無腐蝕等優點；氣密檢測封隔器采用無卡瓦坐封結構，避免對油管的傷害。采用雙組膠筒、雙增壓通道結構，保證泄壓完成后再解封，防止工具上竄而發生危險，工具結構設計合理。

3) 通過整體性能測試及現場應用，研發的油管扣氣密檢測技術工藝可行，工具性能可靠，能夠實現在生產管柱下入時高效、快速、安全地對氣密扣進行密封性能檢測，應用前景廣闊。