新疆某油田热采井套管接头密封脂评价试验研究

张益铭，韩 军，张 乐，余 志

中国石油集团石油管工程技术研究院国家质检中心，陕西西安 710077

随着油田开发的不断深入和常规原油产量的递减，稠油开采将成为本世纪开发的重点。但由于稠油黏度高，流动性能差，甚至在油层条件下不流动，因而采用轻质油开采中所使用的一般开采方式很难使稠油油藏得到经济有效的开采。在众多开采稠油的方法中，向稠油井中注入温度最高达350 ℃热蒸气的热采方法是最常见的一种。因此，开采稠油井时对套管螺纹的连接强度、密封性、抗粘扣性、抗腐蚀性等提出了更高的要求。如果使用特殊螺纹套管，尽管可以起到密封作用，但特殊螺纹套管价格昂贵、互换性差、操作严苛，较难被广泛使用。新疆某油田红003 井区热采井工况为：井深500 m，注采井口压力13 MPa，注采井口温度不超过340 ℃，使用年限6 年。采用的φ177.8 mm ×9.19 mm 偏梯型螺纹套管，钢级为TP-95H（如图1 所示），选用了三种螺纹脂：普通API 螺纹脂（CS-3）、TP-2189 和TRT-300 耐高温螺纹脂，以SY/T 6128 —2012《套管、油管螺纹接头性能评价试验方法》 中热采井套管评价试验为基础，对套管接头的密封性影响因素、材料拉伸性能、螺纹抗粘扣性能进行试验研究，并进行系统的热采井模拟对比实物评价试验，为红003 井区热采井偏梯型螺纹套管接头优选适合的密封螺纹脂。

图1 177.8 mm ×9.19 mm 套管接头形貌

1 套管接头密封性影响因素研究

1.1 几何尺寸影响

对TP -95H 套管接头涂漆进行打磨见光后，使用游标卡尺和超声波测厚仪对18 根套管接头进行外形尺寸和壁厚测量，测量位置如图2 所示，测量结果见表1。

图2 套管接头尺寸测量位置示意

表1 试样外形尺寸测量结果

从表1 测量结果可知，试样所用18 根TP -95H 套管接头外径及壁厚均满足标准API Spec 5CT要求。由于本试样研究项目针对热采井套管接头的密封性展开研究，故所用试样的外径不圆度和壁厚不均度均对密封性有较大影响，所以还需对试样个体的外径不圆度和壁厚不均度加以分析。依据标准ISO/TR 10400—2011 中对不圆度和壁厚不均度的定义，采用式（1）、（2）计算18 根管道的外径不圆度和壁厚不均度，结果如图3、4 所示。

式中：Dmax、Dmin为同一横截面上实测的最大、最小外径值，mm；tmax、tmin为同一截面上实测的最大、最小壁厚值，mm。

图3 试样外径不圆度测量结果

图4 试样壁厚不均度测量结果

从图3、图4 可以看出，10#和12#试样管的外径不圆度较大，考虑到本次试验的套管接头螺纹为偏梯型螺纹，不具备密封设计，较大的外径不圆度会增加偏梯型螺纹连接的泄漏通道，故将10#和12#试样管排除。11#管的壁厚不均度较大，达8.2%以上，由于壁厚不均度主要影响套管接头的抗击毁性能，同时11#管的外径不圆度较低，故仍可作为试验用管。

1.2 螺纹参数影响

对1#～18#管体（除10#、12#外） 外螺纹及接箍内螺纹进行清洗，依据标准API Spec5B —2017，使用工作量规、单项仪和普通长度量规，在室温下对管体外螺纹及接箍内螺纹参数进行测量，结果见表2、表3。从表2、表3 可以看出，所测试样的各项螺纹参数均符合标准API Spec5B —2017 要求。

表2 管体外螺纹参数检测结果

表3 接箍内螺纹参数检测结果

1.3 套管接头材料拉伸性能测试

1.3.1 常温拉伸性能试验结果

沿10#试样管体纵向截取一段25.4 mm×50 mm拉伸试样，依据标准ASTM A370 — 2017，使用UH -F500K1 试验机在室温下进行拉伸试验；沿10#试样接箍纵向切取φ6.25 mm×25 mm 的圆棒拉伸试样，依据标准ASTM A370—2017，室温下在CMT 5105 试验机上进行拉伸试验，结果见表4。

表4 常温拉伸性能试验结果

1.3.2 高温拉伸性能试验结果

沿10#试样管体纵向截取一段25.4 mm×50 mm拉伸试样，依据标准 ASTM A370—2017，使用UH-F500K1 试验机在350 ℃进行高温拉伸，结果见表5。

表5 高温拉伸性能试验结果

1.4 热采井套管上/卸扣试验研究

依据1.2 中螺纹参数测量结果，根据套管螺纹的螺纹锥度和紧密距配对，组成三种耐高温密封螺纹脂试验用试样，见表6。

表6 上/卸扣试验试样配对

依据标准SY/T 6128—2012，使用上/卸扣试验系统，在室温下对6 组配对好的试验进行上/卸扣试验，上/卸扣实验条件为：上扣次数1 ～3 次，上扣位置为三角形标记底边，上扣速度为5 ～10 r/min，螺纹脂涂抹均匀，结果见表7 ～9。3Z、1Y、2T、3T 试样在卸扣后出现轻微粘扣现象，如图5 所示。

表7 上/卸扣试验结果 （TRT-300 螺纹脂）

由以上试验结果可以看出，三种螺纹脂涂抹后进行上/卸扣试验，套管短节均发生不同程度的粘扣现象。

1.5 三种螺纹脂热采模拟实物评价试验

对用普通API 螺纹脂（CS-3）、TP-2189螺纹脂和TRT-300 耐高温螺纹脂上扣连接好的试样进行热采模拟实物评价试验。试验目的：评价使用三种不同螺纹脂的接头在红003 井区工况下的气体（N2） 密封性能。

表8 上/卸扣试验结果 （CS -3 螺纹脂）

表9 上/卸扣试验结果 （TP -2189 螺纹脂）

图5 试样卸扣后形貌

依据热采井实际工况并参照SY/T 6128—2012确定热采模拟参数：试验压力13 MPa，压力介质为N2，温度340 ℃，使用年限6 年（12 个周期），高温下拉伸/压缩循环载荷为50%的管体屈服强度，室温下内压及拉伸/压缩整体等效应力为65%VME（三轴等效复合应力），试验过程及结果如下：

（1） 三组试样加热到340 ℃，保温12 h，然后冷却。对保温冷却后的试样在室温下进行保压试验，试验内压为13 MPa，压力介质为N2，保压时间30 min，均无泄漏发生，说明此时三种螺纹脂均具有密封性。

（2） 将试样装载至全尺寸实物加载系统，加热至340 ℃，按图6 所示施加拉伸和压缩载荷循环，拉伸/压缩载荷为管体在该温度下50%的屈服强度，即1 484 kN，拉伸/压缩载荷循环8 个周期。所有试样均未发生滑脱或断裂失效。

图6 热注采井模拟试验 （高温）

（3） 待试样冷却至室温，按图7 所示施加内压及拉伸/压缩复合载荷循环，试验内压为13 MPa，压力介质为N2，试样施加拉伸/压缩载荷，使其整体等效应力为管体的65%VME，拉伸/压缩载荷循环4 个周期，检验螺纹接头的气体密封性能，试验结果表明所有试样均发生泄漏失效，如图8所示。

图7 热注采井模拟试验 （室温）

图8 试样漏泄失效形貌

以上结果表明，在模拟红003 井区热采井工况的条件下，三种螺纹脂均无法满足高温下的密封性。

选取发生泄漏的3Z、2Y 和3T 试样，将螺纹连接处沿纵向剖开，截取宽80 mm×200 mm 螺纹试样对试验后的螺纹脂形貌进行观察分析，螺纹脂形貌见图9。

图9 实物试验后外螺纹螺纹脂形貌

对热采井模拟实物评价试验后的三种螺纹脂在内、外螺纹上的形貌进行观察表明，普通API 螺纹脂（CS-3）、TP-2189 螺纹脂和TRT-300 耐高温螺纹脂经过试验后均结块破碎或呈粉末状，无法有效地堵塞泄漏通道，故无法到达试验所要求的密封要求。

2 分析与讨论

所有的套管接头试样中，除10#和12#外，其余套管接头的几何尺寸与各项螺纹参数均满足标准API Spec 5CT—2011 与 API Spec 5B—2017 的要求。试样管拉伸性能试验表明，拉伸强度满足强度要求。

三种螺纹脂上/卸扣试验结果表明，套管接头均发生不同程度的粘扣现象。依据标准SY/T 6128—2012，卸扣后内外螺纹若出现粘扣，可进行修复并记录在案后继续使用。而螺纹的抗粘扣性能与很多因素有关，主要包括使用的螺纹脂类型、螺纹的表面处理方式、上扣的标准化作业、上扣前的清理、扣型的加工精度等。螺纹脂对于螺纹抗粘扣性能的影响本文暂不作深入研究。此外，由于偏梯型螺纹自身的特点，在上扣和拉伸载荷作用下，各齿面上的接触压力分布严重不均匀以及螺纹配合后泄漏通道面积要大于圆螺纹，导致其密封性能较差。上文中，三组试样加热到340 ℃，保温12 h，冷却后进行的保压试验均未发生泄漏。因此，轻微的粘扣现象并不会对偏梯型螺纹的密封性能造成严重的影响。

对热采井模拟实物评价试验后，三种螺纹脂均无法满足高温下的密封性能要求。观察三种螺纹脂在内、外螺纹上的形貌发现，普通API 螺纹脂CS-3、TP-2189 螺纹脂和TRT-300 耐高温螺纹脂经过试验后均结块破碎或呈粉末状。CS-3 是一种普通油基脂螺纹脂，由于API 偏梯型螺纹本身就有泄漏间隙，用普通油基螺纹脂来堵塞该间隙，高温下会流失部分成分，最后呈干涸粉末状，试验证明确实无法堵塞泄漏间隙。而耐高温螺纹脂的主要组成材料为高分子，且含有部分溶剂及其他小分子成分，随着温度的升高，部分溶剂和小分子组成流失，螺纹脂在高温下可能发生固化，导致其弹性不足[10]，因而无法有效地堵塞泄漏通道，故无法达到试验所要求的密封性能。

3 结论

（1） 10#和12#套管接头试样的外径不圆度较大，不再进行后续试验。其余套管接头试样的几何尺寸、各项螺纹参数及拉伸强度均符合API Spec 5CT—2011、API Spec 5B—2017 标准要求。

（2） 使用 API 螺纹脂 （CS-3）、TP-2189 螺纹脂和TRT-300 耐高温螺纹脂的套管接头试样均发生不同程度的粘扣现象。

（3） 普通 API 螺纹脂 （CS-3）、TP-2189 螺纹脂和TRT-300 耐高温螺纹脂在进行热采模拟实物评价试验后均结块破碎或呈粉末状，无法有效地堵塞泄漏通道，因而无法达到试验所要求的密封性能。