耐高压气密封特殊连接螺纹的研究与应用.pdfVIP

耐高压气密封特殊连接螺纹的研究与应用 吴姬昊 内容提要：本文详细分析了 API 圆螺纹和偏梯螺纹在密封和强度方面的缺陷，说明了抗高压气密 封螺纹的特点和技术性能，并将抗高压气密封螺纹设计到尾管悬挂器等固井工具上，在现场得到了试验 应用，取得了良好的效果。 关键词：API 螺纹 特殊连接螺纹 气密封 尾管悬挂器 一、普通套管连接螺纹的缺陷 油气井套管是通过螺纹连接起来，形成长达几千米的管柱，在整个套管柱中最薄弱的 环节是连接螺纹，连接螺纹不仅要承担下部管柱的重量，还要承受套管内油气的压力，确 保高压油气在流经套管柱时不泄漏，否则就会造成重大的事故。API 规范中规定的套管连 接螺纹主要有两种，分别是圆螺纹和偏梯螺纹，用于套管的连接，由于这两种螺纹的设计 局限，在抗高压和高强度连接方面存在着一定的缺陷。 1、API 螺纹的密封性和连接强度 API常规圆螺纹和偏梯螺纹的密封主要借助于API螺纹脂来实现密封，其密封形式都是 在螺纹上紧至基面重合，圆螺纹的两个侧面重合，偏梯形螺纹的两个侧面和顶面重合，螺 纹的底角和顶角靠螺纹密封脂（俗称丝扣油）填充，由于螺纹密封脂非常粘稠，流动性差， 在公母螺纹之间的间隙内流动阻力非常大，套管内的高压液体无法穿透，从而实现高压密 封。见图1、图2。 密封脂 母螺纹 密封脂 母螺纹 公螺纹 公螺纹 图1 API圆螺纹的密封方式 图2 API偏梯螺纹的密封方式 但是这种密封方式仅使用在100℃以下的油井中，对于深井、超深井和气井不能满足 密封的要求，尤其是高温高压气井，由于气体的穿透性大大好于液体的穿透性，很容易穿 1 透公母螺纹间隙中的密封脂；另一方面高温会降低密封脂的粘稠度，使得气体更容易穿过， 引起密封失效；即使井底温度在常规的范围内，气泡在密封脂中的蠕动，也能突破螺纹密 封脂的密封。因此，API常规圆螺纹和偏梯螺纹无法达到高压油气井的密封要求。 2、螺纹的连接强度较低 常规长圆扣螺纹，其连接率较低(即螺纹连接强度与套管管体强度之比)，仅为原管体 的65%－85%，并随着套管钢级的提高而降低。偏梯螺纹的连接率虽然较高，可以达到 90%-95%，但是与套管螺纹的加工质量和上扣质量有较大的关系。圆螺纹和偏梯螺纹主要靠 上扣扭矩控制来控制上扣是否到位，一旦上扣扭矩达到设定值，就认为螺纹的基面重合， 上扣到位。因此这两种螺纹的上扣过程中，对上扣扭矩的控制非常严格，上扣扭矩过大， 使螺纹的横向分力加大，有可能造成螺纹锥面发生变形，俗称“喇叭口”；上扣扭矩过小， 螺纹牙齿啮合不够，这两种情况都会引起脱扣现象，影响了套管的连接强度。 连接螺纹的加工质量对螺纹的连接强度也会造成较大的影响，如表面光洁度达不到要 求，在上扣过程中，虽然上扣扭矩达到了设计值，但是基面没有重合，降低了套管的连接 强度和密封性能。 二、气密封特殊连接螺纹的特点 1、气密封特殊连接螺纹的现状及发展 为了解决 API 圆螺纹和偏梯螺纹存在的这些问题，同时也为解决高温高压油气井的套 管连接问题。国内外一些大型的套管生产厂家纷纷研制开发了一些特殊连接螺纹，并进行 了专利注册。据统计，目前国内外已有一百多种注册了专利的特殊连接螺纹，在国内各大 油气田获得广泛应用的有几十种，而且每年仍有多种特殊连接螺纹在研究开发之中。 特殊连接螺纹是一种采用扭矩台肩金属密封结构的油套管连接螺纹，在这种连接螺纹 上除了设计有金属对金属的密封结构，还设计有扭矩台肩作为螺纹上扣的定位限制。 特殊连接螺纹属于油套管领域的高技术产品，其加工