新型螺纹脂密封性能测试程序研究

曹峰 杨力能 李记科 李云龙 (中国石油天然气集团公司管材研究所)

郭粉转 (西南石油大学石油工程学院)

新型螺纹脂密封性能测试程序研究

曹峰 杨力能 李记科 李云龙 (中国石油天然气集团公司管材研究所)

郭粉转 (西南石油大学石油工程学院)

目前,国内使用的锥形圆螺纹油套管主要采用API改进型螺纹脂来密封。API改进型螺纹脂通常含有铅等其他金属添加剂,这种螺纹脂对环境有较大伤害。然而,一些密封性能优于API改进型螺纹脂且环保的螺纹脂没有得到足够的重视。当前,国际上没有一套通用的螺纹脂密封性能测试的规范程序,传统的模板测试过于简单,不能反映真实情况,而全尺寸测试又代价过大且程序复杂,普及困难。基于此,奥地利石油天然气公司研发了一套新的螺纹脂密封性能测试程序,本测试程序的一大特点是新引进了温度与测试时间对螺纹脂密封性能的影响,忽略了轴向载荷的影响。应用此测试程序对七种环保型螺纹脂及其他类型的螺纹脂进行了密封性能测试,结果环保型螺纹脂的密封性能优于API改进型螺纹脂。

螺纹脂 油套管 密封 石油工程

螺纹脂的主要功能是对螺纹的润滑与密封。目前,市场上应用最广泛的螺纹脂是API改进型螺纹脂[1],但是这种螺纹脂含有一些有毒的金属添加剂,对环境可造成重大影响。随着人们环保意识的增强,急待一种密封性能好且环保的螺纹脂。关于螺纹脂密封性能的测试,目前没有统一的操作标准[2]。所以研发环保型螺纹脂前,首先应该制定一种螺纹脂密封性能测试的标准程序。在统一的标准上再来评价螺纹脂的密封性能是否环保才更为科学。奥地利石油天然气公司开发了一套新的螺纹脂密封性能测试方法,此方法的最大特点是将温度与测试时间列为影响螺纹脂密封的重要因素[3]。

1 螺纹脂的组成与功能

螺纹脂主要由油脂与分散在其中的固体颗粒组成。为了在高的载荷下具备一定的润滑性,多数螺纹脂加入了一些添加剂,如极压添加剂、防磨添加剂。这些油脂与添加剂混合在一块来达到密封与润滑性能的物质就是螺纹脂。

API改进型螺纹脂在API 5A3中有定义,其组成见表1。除了API改进型螺纹脂外,还有可生物降解螺纹脂、厌氧硬化聚合物密封螺纹脂等,无论什么类型的螺纹脂,在本文中,只要能起到密封与润滑作用的物质都称为螺纹脂。

表1 API改进型螺纹脂组成

螺纹脂的主要功能为:①上扣时润滑螺纹,防止黏扣;②密封公母扣间的间隙使螺纹紧密连接;③保护螺纹,防止腐蚀。

本文的焦点是螺纹脂的密封性能。API圆螺纹在API 5B中有定义,在公母螺纹的齿顶与齿底间有两个间隙,也就是常说的螺旋泄漏通道 (图1)。

图1 API圆螺纹

2 螺纹脂密封性能测试

2.1 为什么要做气密封测试

截至目前,没有一种标准化的螺纹脂密封性能测试程序,对于这一问题,API 5A3与ISO/DIS 13678都表达了螺纹脂密封性能测试的必要性[4]。

对螺纹脂进行气密性测试的另一个重要意义是对其质量进行控制。通常,无论是在制造厂还是在螺纹脂使用者那里,都未对螺纹脂的气密性进行过测试。API RP 5A3和 ISO/DIS 13678标准明确指出,螺纹脂制造商应对螺纹脂的气密性负责。这样就出现一个问题,制造商怎样确保其螺纹脂达到要求的性能,因为目前没有相应的螺纹脂气密性测试的设备与方法。

2.2 密封测试的背景

最好的螺纹脂密封性能测试是全尺寸测试。此测试程序在API 5C5以及ISO/DIS 13678中已经标准化了[5],但是该程序仅测试螺纹的几个参数,而不能测试螺纹脂的密封性能。

如果要对大量不同类型的螺纹脂进行测试,就必须要寻找一种简单、科学的测试程序。历史上曾提出过“模板测试”、“螺旋沟槽衬板测试”等,但由于种种原因,没有一种测试程序成为通用标准。

2.3 螺纹脂密封性能测试的必要性

由于螺纹密封不好导致的油气井修井时间越来越长,开发新的螺纹脂密封性能测试程序显得非常迫切。油田现场应用表明,即使通过螺纹密封测试的油管在下入井后的数个星期或数月后仍然存在泄漏情况。

3 螺纹脂密封性能测试

3.1 新测试程序

前面提到的模板测试,相对于复杂的螺纹结构来说,该方法过于简化,不能反映真实情况;而全尺寸测试需要大型设备且测试费用高。新的测试程序取这两种测试程序的优点且把油田的实际情况考虑了进去。

新测试程序中引入两个重要参数:在整个测试过程中使用温度载荷,以及测试时间。大多数测试程序都使用室温来进行测试,虽然螺纹脂完全暴露在井的高温环境中;过去密封测试时,温度载荷只持续数十秒到几小时,而这种新的测试程序,温度持续很长一段时间,通常的测试周期大约为两个星期。在本测试的开发阶段,一些测试持续数月。测试管唯一使用的机械载荷是内压,因为测试管端部是用管帽密封的,这样可不考虑轴向载荷。

3.2 测试设备与程序

切割一支带有螺纹的27/8in(1 in=25.4 mm) 10牙圆螺纹油管,将不带螺纹一端与标准油管帽焊接在一起,确保密封。这样的油管取两支,通过接箍连接起来,它们组成了测试管单元。通过不锈钢管将测试管单元与存放测试流体的容器连接在一起。在不锈钢管上安装压力表与控制流体进出的开关。测试装置见图2。将测试管安装在一个简单的架台上,并且把整个测试组件放在一个干燥室内,整个干燥室的最高温度可达到300℃。测试装置的实物见图3。

图2 测试装置示意图

图3 测试装置实物图

3.3 测试

测试前的第一道工序是清洗管体与接箍螺纹,所有的螺纹都要通过机械与化学的方式清洗,清洗完成后再使用压缩空气干燥螺纹。在进行下一道工序前再对螺纹进行外观检查。

在确定螺纹清洗干净并经检查螺纹无缺陷时,进行如下工序:①用刷子把螺纹脂涂到螺纹牙齿内;②将接箍与管端螺纹以手紧的方式连接起来;③以同样的方式将管体的另一端与接箍连接起来;④用大钳将管体与接箍的连接上紧;⑤将接箍端部外漏的多余螺纹脂除掉;⑥将测试单元放入干燥室,通过管汇把测试单元与其他设备连接起来,并把温度设定为室温。

记录初始测试压力,加热器以一定的周期开关,在每个加热周期结束后在室温下记录当时压力。完成以上工序后,把测试装备搬出干燥室,旋开接箍,准备下一序列测试。

3.4 测试参数

(1)室温下把压力设定在2～4 MPa之间,因为高的压力可能导致螺纹连接处有大量的泄漏。

(2)最苛刻的测试环境是图4所示的温度周期。高的温度会导致钢管与气体膨胀,最终使螺纹滑动。进一步来说,高温对螺纹脂的影响类似于真实井况。

(3)为了分析螺旋泄漏通道的影响因素,做了如下改变,切短接箍,缩短螺旋泄漏通道;切短接箍螺纹牙齿,扩大局部螺旋泄漏通道面积。

(4)延长测试时间到数月,通过这些试验,得出最佳测试时间大约为两个星期。

(5)在油田,扭矩是一个非常重要的变化参数。在本试验中,由于没有轴向载荷,所以没有使用与油田现场一样大的扭矩。

(6)为了研发测试方案,使用了不同测试气体。

通过大量不同测试参数的组合试验,试验结果与理论预期的结果相符。测试表明应用新的测试方法能得到较好的测试结果,可以作为螺纹脂密封性能测试标准来推广。

图4 温度周期

3.5 测试结果

通过对测试装置及程序的全面开发与研究,这种螺纹脂的密封性能测试方法已经可以商业化推广。本文选择了七种环保型螺纹脂,其中两种为通用螺纹脂。为了与API改进型螺纹脂对比,对两个制造厂的两种API改进型螺纹脂进行了测试。

每次测试选择4种不同的螺纹脂,每种螺纹脂在4支测试管上进行,以便证明测试结果的可靠性。每个测试持续两个星期,在测试中由于某些原因进行二次测试是经常的事情。

测试结束时的压力相对于测试开始时的压力以百分比的形式记录,这个数字说明螺纹脂的密封性能。末端压力为100%说明4支测试管完全密封。末端压力为0%说明4支测试钢管完全泄漏。

如图5所示,纵轴代表测试末端压力,每一个立柱代表一种螺纹脂,横轴简单描述了螺纹脂的组成与类型。

测试结果令人惊讶:三种密封性能最好的螺纹脂中的两种为环保型螺纹脂,它们是无金属甚至是可生物降解螺纹脂。两种API改进型螺纹脂的密封性能差别很大。通用螺纹脂也显示出较差的密封性能。现在可以明显看出,选择一种通用的螺纹脂来满足油套管与钻管的不同需求较难。

图5 测试结果

4 结论

(1)成功地开发了螺纹脂密封性测试程序,本测试程序填补了API与ISO关于螺纹脂密封性能测试程序的空白,利用此测试程序来选择密封性能好的螺纹脂变为现实。

(2)来自不同厂家的API改进型螺纹脂差别较大,虽然都满足API标准。

(3)通过测试试验可以看出环保型螺纹脂比API改进型螺纹脂的密封性能好且相对便宜,主要体现在降低了螺纹泄漏事故发生率,从而减少了修井费用。

[1]API RP 5A3-2003套管、油管和管线管用螺纹脂推进做法[S].

[2]刘养琴,李娜等.石油工程用螺纹密封脂质量检验标准及其应用介绍[J].标准评价,2008(5).

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

[4]ISO13678-2000石油天然气工业-套管、油管和管线管用螺纹脂的评价和试验[S].

[5]API RP 5C5-2003套管和油管接头评价推进做法[S].

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

2009-08-20)