石油套管螺纹连接的密封结构.pdf

1997年第2 0卷第l期钻采工艺阅矿场机械卜石油套管螺纹连接的密封结构康晓雷(大港油田钻采研究院,3 0 0 280天津大港)摘要列举各种石油套 管的密封结构,重.点是特殊螺纹 石油套 管的密封 结构,分析A P I圆螺纹的密封缺陷,讨论各种特 殊螺纹套 管 良好的密封 结构,为进一步提高固井质量,提 高套 管的杭 泄漏能力,建议推 广使 用特 珠螺纹石油套管,并使用专业化下套管工具动力套管柑和扭 矩仅下套管作业,从而提高油井寿命。主题词套 管漏失螺纹密封性能结构分析石 油套管作为 油气通道,套 管螺 纹密封的可靠性是保证油气井正常生 产的关键因素。特别是近几年来,石 油天 然气的勘探和开采趋于深井化和 高 压化,对套管螺纹密封性的要求更 加严格。根据API调查,套管柱失效的86%出 现在螺纹 联接处,因此,如何保证螺纹联接质量 和 密 封的可靠性十分重要。本文将详细讨论A P I圆螺纹的密封缺陷及各种特殊螺纹套管可靠的密封结构。度,hn为内螺纹 的牙高,&n为三角形 顶 到内螺纹牙顶的高度。套管AP I圆螺纹的密封缺陷理论 上A P I圆螺 纹 不 具备 密封性能,AP I圆螺纹的套管的螺纹牙顶与螺 纹牙底之间存在间隙,并形成一条螺旋状空间间隙带,使套管内外空间连通而 发生泄漏,其间隙大小受螺纹公差带的控制,除了内外螺纹牙顶、牙底的间隙之外,其密封性能还受内、外螺纹牙型角公差带分布状况的影响。1.牙高公差带引起的间隙A P I套管圆螺纹联接后的牙型 见图1。图中H为三角形高度;&:为三角形 顶到外 螺纹牙顶的高度;h:为外螺纹牙的高度;Sr s为三角形 顶 到外螺纹牙底的高度,尸为螺矩,Sr n为三角形 顶 到 内螺纹牙底 的高堑堑堑堑堑堑堑堑堑粉粉粉、。(一一一一一一犷犷!不右一洲洲_ _ _丝_图1AP I圆螺纹容管螺纹联接妙I ST DSB规定的套管圆螺纹 尺寸见表l。表1AP I套管圆螺纹高度尺寸(单位:in)123螺纹参数1 0牙/i ns牙/i nP=0.1000P二0.12 5 0H=0.86 6 P0.0 8 6 600.10 825坑=h。=0.626p一0.0 070.0 5560、0.07 125S、=Sr。=0.12 0 P+0.00 20.0 1 4000.01 70 0凡=队=0.12 0 P+0.0 0 50.0170 00.0 2 00 0注:1英寸=2 5.4mm钻采工艺19 97年根据API STDSB规 定,套 管圆螺 纹高度的公差为(以10牙/i n为例)h,=hn二。0 55 6士:盘:i n由图1和表1,即可求得 内螺纹牙底与外螺纹牙顶之间的间隙Z,和内螺纹牙顶与外螺纹牙底之间的间隙Z:的值:Z;=S:,一S。=0.00 3(in)22=Sr,一Sr s=0.00 3(in)有两种极值情况 外螺纹高h:取最大极限尺寸,内螺纹高hn取最小极限尺寸,即可求出最大间隙值。即h:=0.0576(in)hn“0.0 516(in)=0.0060(in)外螺纹高h:取最小极限尺寸、内螺纹高hn取最大极 限尺寸,可求出最大间隙值,即h:=0.0516(in)hn二0.0576(in)=0.00 60(in)在极值情况下的间隙值是螺纹联接名义间隙值(z,、22)的两倍,这一间隙形成螺旋状空间 间隙带。勾通套管内外空 间,引起 泄漏。2.牙型角公差带引起的间隙根据AI PS T DSB规定,套管圆螺纹牙型角公差带为6了士 1.5。图2为内螺纹牙型角按上偏差十1,5 o取值,而外螺纹牙型角按下偏差一1.5 取值的示意图由图可计算出内、外牙型角极限偏差所引起的最大间隙为。/2、Htg(6 1.5./2)一tg(58.5./2)1二0,0030 23(in)=0.0 06046(in)牙高公差带所引起的间隙与牙型角公差带所引起的间隙都要导致泄漏,但后者对泄漏的影响比前者更严重,假定牙顶与牙底所形成的螺旋状空间间隙带的法向截面为边长等于最大间隙值的正方形,则其截面积为 F l=0.0062=0.0 000 361矛,牙型角间隙则不然,它是可2组成的一个螺旋状空间间隙带,其法向截面积近似为凡二(配2)x(H/c os 3 0)=o.oo3o23in Z,因此,F 2/F,=53.96,就是说牙型角公差带所形成的螺旋状空间间隙带的法向截面积是牙高公差带所形成的螺旋状空间间隙带法向截面积的8 3.96倍。由以上分析可知,理论上A P I套管圆螺纹不具备密封性能,若要保证有密封性能必须采取其它措施,通常在内.螺纹镀一定厚度的锡或锌层,并使用性能优异的密封脂作间隙充填剂来实现密封。但在高压油气井中,这些通常的密封方式就 可能失效,正是基于这一原 因,国外已大量采用了特殊螺纹套管石特殊累纹套管的螺纹连接都是靠金属与金属密封,不存在间隙问题,因而具有可靠的密封性能。图2牙型角公差带引起的牙侧间隙国外特殊螺纹套管的密封结构所谓“特殊螺纹”,是指与A PI圆螺纹和API偏梯形螺纹不同的螺纹,国内外常用的特殊螺纹套管主 要有:日本的川崎制铁公司(KAWA SAKIS TE EL COR PORAT ION)的FOX特殊螺 纹套 管;新日铁(N IP PONSTE EL CORPA T ION)特殊 螺纹套管;住友金属工业株式会社(SUMITOMOME TAL S)TM特殊螺纹套管;NKK(N K KOIL COUN-TRYTUBULAR)公司的特殊螺纹套管;阿根廷的斯特佳(S ED ER CA)SEC特殊螺纹套管等。各个公司的特殊螺纹套管的螺纹 和密封结构各有其特点,下面简单地作一个介绍。1.日本NK K公司的特殊螺纹套管第20卷第1期康晓雷:石油套管螺纹连接的 密封结构N K K的特殊 螺纹套管主要有N K ZS C和N K 3S B两种,下面以NK3S B为例。NK 3S B螺纹联接如 图3所示。负载面为直角,可防止在轴向负载条件下发生使啮合的螺纹错开的反作用力,以确保牢靠的高结合强度,并且螺纹为退刀纹,牙根延伸到管体表面,因此,N K3S B具有相当于管强度的高结合强度,可防止发生脱扣。扣特殊螺纹套管此套管有以下4个特点:螺纹是改进梯形 丝扣(图5)。这种丝扣精加工公差狭小化,提高抗拉载荷下的屈服强度,减小接箍表面的圆周应力,可以在腐蚀环境下使用,由于公扣的攻 丝 面利用接箍罩住,接头强度与管主体同等以上。+3.+10.一勺、口口口口图3NK3S B螺纹联接密封结构如 图4所示,具有两个金属与金 属密封,即滑动式的正 切总密封和内台肩密封。球面的金属与金属 密封为主密封,具有 自行密封性能,即密封面的接触压力随着内压力升高西蹭大乙在设计上,公扣密封部位的正 切点外径稍大于母扣密封部位的内径,具有密封过盈量。N K3S B的公母扣密封部位均为高精度的机械加工;在装配 时,公扣的曲线插入母扣的圆锥 形部位,两个接触面在弹性范围内互相施加 压力,以产生预期的接触压力。在正常的扭矩下,内台肩和接头外台肩在机紧后,内台肩 的接触压力可保持管体材料的6 0%以上,具有很好的密封性能。此外,精密 加工的锥形螺纹 配以适当的螺纹脂,也可以起到辅助密封的作用。入扣面角度l0 承载面角度3 锥度1/1 6图5TM扣螺纹联接 密封性能(图6)采用气密性的锥形金属与金属 密封。由于密封的锥度依照管体直径采取最佳的角度,因此,即使在严酷的拉伸压缩下,也会充分地保持气密性。锥形密封面经过特殊的表面 处理,防止 反复使用 而造成的磨损。匡“图4NK3SB密封结构密封和台肩密封锥度2%一4坷i nl/1 05一6%i nl/87一8%inl/79%一 13%inl/6台肩角度90.公 扣端内倒 角巧.图6TM扣密封结构接头和管体结合处的内径加工非常光滑,可将管内的涡流控制在最小程度。2.日本住友金 属工业株式会社的TM 内扭矩台肩采用90 直角扭矩制动台肩。既能承受高扭矩、过扭矩,也能耐 高压钻采工艺1如,年缩、弯曲载荷,即使在复合载荷下,能保持台肩的表面 压力,防止内压对密封的影响。内平的特征。为防止接头部的紊流使能量损失最小化,采用长尺寸内平倒棱。3.日本的川崎制铁公司FOX特殊螺纹套管密封部分由一个l0 的锥形密封面和一个 1 5的过扭矩台肩构成。采用10 的锥形 密封面,金属与金属接触式密封,1 5.的过扭矩台肩承受过载扭矩。_ 接头和管体结合处的内径加工非常光滑,可把管内涡流减小到最小程度。金肠与 全属白 封主目弧认识及结论,砂砂代丫钾扭趁白脚又内 部光柑俏 除润流密封和台肩密封锥度2%一 4万i nl/1 05一 6%i nl/87 一 8%inl/79%一13%inl/6台肩角度9 0.公扣端内倒 角l5 图7F)X特殊螺纹套管密封结构密封部分由3个连续的圆弧构 成、连续的圆弧结构可以大大地减小局部的应力集中,也不会发生由于旋得过紧而损坏或变形。密封都是金属与金属的密封,它的密封部分受到由旋入力 而致的 压缩 力,这种金属间的接触压力比管内流体压 力大,可确保密封性能。接头 和管体结合处的内径加工非常光滑,可消除管内涡流。4.阿根廷的斯特佳公司s EC特殊螺纹套管副副副.!卜卜卜.一.-叫叫叫叫二二二二二二二二二二护一一知知知知知知知知知知知知知l l l l lr r r材材材材材!云云云云云云=才才雀雀雀雀雀雀雀雀一一一一一一一一一州州图8sEC特殊螺纹套管密封结构A P I圆螺纹的联接本身,由于设计和制造特点,并不具备抗泄漏能力。从原始设计来看,妙I圆螺纹联接本来就在牙根和牙底之间存在 内外相通的螺旋状空间间隙带,从制造公差的规定来看,牙高、牙型角的存在都形成更大的螺旋空间间隙带而引起泄漏。因此,为保证A PI圆螺纹的密封性,必 须对接箍的内螺纹镀一定厚度的软金属镀层和使用性能优异的密封脂。为了提高A PI圆螺纹的密封性,除了软金属 和选用性能优异的密封脂外,控制A PI套管螺纹公 差带至关重要,建议我国套管及接箍生产厂家,将API牙型角公差带由6 0士 1.5 降至60 士0.7 5.,这样其极限尺寸间隙带的横截面积降低一半,可有效地提高其密封性。特殊螺纹套管,其密封结构都是金属与金属接触式密封,不存在向隙间题,因而具有可靠的密封性能。特殊螺纹套管在国外已大量使用,特别是在高压油气井中已普遍采用。但是特殊螺纹套管紧扣扭矩要求比较严格,一般有最大扭矩、最佳扭矩、最小扭矩3个值。不同的特殊螺纹套管这3个值 各不相同,有的特殊螺纹套管最大扭矩、最小扭矩间范围很窄,在实际的下套管作业 中,紧扣扭矩必须严格控制在这个范围之内,超过最大扭矩值,就会破坏特殊螺纹套管 的金属密封面,小于最小扭第2 0.第l期康晓雷:石油套管螺纹连接的密封结构矩值,特曲裸纹套管的金属与金属密封面就不能很好地接触,起不到密封效果。前面涉及到的几种特殊螺纹套管(图9)紧扣扭矩值如表2所示(仅为5万i n套管)。衰25万i n特殊螺纹套管紧扣扭矩(呵m)创创t厂家家日本住友金月株式会社社日本N K K公司司日本 川崎制铁公司司日本新日铁公 司司阿根廷斯特佳公司司鑫鑫甘甘TMMM3s B B BFOX X XN S甲s eC C C CS EC C C.封及拐坟坟O O O 的的.分形状状状状状状状外外径径盆厚厚切级级推荐扭矩(吨卜m)(.)(.”)最最最最最小小最佳佳最大大最小小最佳佳最大大最小小最佳佳最大大.小小最佳佳最大大最小小最佳佳最大大几几 39.7 7 7,.牲牲J5 5 5 5650 0 0723 3 3796 6 689 7 7 799 6 6 610 96 6 6 6 6867 7 7 7 7512 2 2595 5 56 92 2 27 06 6 6776 6 68 47 7 7N N N N N N N一别】98 4 4 410 93 3 31202 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 28 02 2 2朋3 3 3963 3 31 1 1 1 1 1 1,-110 0 0 0 0 0 0 0 010 83 3 31204 4 41324 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 485 8 8 8944 4 41 0 30 0 09 9 9 9 9.17 7 7J一5 5 5 5,96 6 61107 7 71217 7 7L046 6 6116 2 2 2127 8 8 8128 6 6 6l09()148 0 0 0706 6 68 16 6 6941 1 19 96 6 611 20 0 0!20 0 0 0N N N N N N N习 O O O O O O O O O1170 0 0130 0 0 0盆430 0 0 0 013 8 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3996 6 6!120 0 0120 0 0 0P P P P P P P-110 0 0 0 0 0 0 0 01319 9 91466 6 61613 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 399 6 6 6112 0 0 012 00 0 01 1 1 1 1054.J一55 5 5 5 5 5 5 5 51220 0 01356 6 61491 1 1 1 11335 5 5 5 5706 6 6816 6 694L L L996 6 611 20 0 01200 0 0N N N N N N N一8 0 0 0 0 0 0 0 0 01370 0 0152 2 2 2【67 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4996 6 6112 0 0 020 0 0 0P P P P P P P-110 0 0 0 0 0 0 0 01532 2 21702 2 2187 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 21083 3 311 9 2 2 2l30()0.百/.百.封德面/锥 面密封帷面/谁面密封图9 在下特殊螺纹套管 的作业 中,建议使用专业化下套管工具套管钳和扭矩监控仪,两者联合使用,可严格控制下套管紧扣扭矩,保证下套管的质量,保证套管优异的密封性。为了提高套管螺纹联接的密封性,提高油井寿命,建议在全国范围内大力推广使用特殊螺纹套管。参考文献1套管油管与管线管螺纹 的加工、测量和检验,专用管材手册(第二分 册),石油工业出版社,第5一9页。(收稿:1 996一的一1 0,技审:魏明扬(教 授级高工,编辑:秦敬蓉)