油管用气密封螺纹接头介绍

油管气密封螺纹接头介绍螺纹接头发展API1924年制定了第一套油套管标准，其中油套管接头的标准规定了油套管螺纹接头有每英寸10牙（管外径范围43/4～85/8英寸）和每英寸8牙（管外径范围95/8～241/2英寸）的V型螺纹接头。后来API标准又发展了10牙圆螺纹管端不加厚油管接头、8牙圆螺纹套管和管端加厚油管接头、偏梯形螺纹套管接头，一直延用至今，逐渐替代了V型接头。螺纹接头发展由于生产技术成熟、要求较低，价格便宜，且无知识产权限制，API的8牙及10牙圆螺纹接头和偏梯形螺纹接头在石油工业占据非常重要的位置，占世界油套管使用量的一半，我国油气田油套管使用量的60%左右也是API接头。随着深井、超深井、高压气井等的开发，API接头由于自身性能的限制，（气体）密封性和连接强度（尤其是压缩连接强度）已不能满足石油工业的要求。螺纹接头发展超深高压井使油管柱承受的载荷增加，而高温使承载能力降低（高温降低油套管屈服强度和弹性模量）；H2S、CO2和Cl－单独或复合作用下，油套管的腐蚀都是相当严重的；近10年来发展的钻井和完井新技术对油管性能的特殊要求。螺纹接头发展APl螺纹接头之所以不适应苛刻工况，是由其螺纹结构决定的。APl螺纹接头的密封是通过使用螺纹脂、金属镀膜和螺纹的过盈干涉等方法实现的上扣后局部位置形成金属对金属接触密封，阻挡介质的泄漏发生，但APl8牙圆螺纹齿根到齿顶间隙可大至0.0152mm；偏梯形螺纹导向面一侧的最大间隙，75／8以下规格套管可达0.0178mm，75／8in及其以上规格套管则大至0.0229mm，而且该间隙位于整个齿高范围内。螺纹接头发展螺纹脂一方面是填堵螺纹间隙，阻挡内压介质泄漏；另一方面是在接触的螺纹长度范围内造成压力降，降低介质的泄漏速度，仍不足以封堵气体泄漏，尤其是高温烘烤后。大量的研究结果已表明标准的API螺纹加标准的API螺纹脂在完全合格的拧接条件下，经过180℃24小时烘烤后，对气体是不密封的。螺纹接头发展由于API接头螺纹导向面角度较大，圆螺纹为30°，在偏梯形螺纹为10°，降低了接头抗弯曲及压缩载荷作用的性能。复合载荷作用显著降低API接头的密封性能，较大拉伸载荷或弯曲载荷作用下的API偏梯形接头的气密封性能基本为0。螺纹接头发展由于API螺纹接头强度与密封性能的不足，各制造厂纷纷发展自己的高性能螺纹接头。第一阶段：API螺纹接头内增加弹性密封环。第二阶段：开发金属对金属密封接头。对低产中低压油气井，采用高密封螺纹脂+圆螺纹，开发成本低，易粘扣，不方便再次应用。螺纹接头发展弹性密封环堵塞、切断螺纹间隙而产生了密封作用。ATLASBRADFOD、HYDRIL和GRAYTOOL公司等最早开发了这种弹性密封环结构并于六十年代在美国申请了专利注册。这种密封环结构简单，但是在弹性密封环附近容易产生较高的双轴应力，内/外压力较大时会失去密封作用，尤其在高温和高腐蚀性介质中，其弹性环寿命非常短，螺纹接头的可靠性不高。而且不利于现场的快速操作，容易脱落、移位、损伤，维护要求高。螺纹接头发展TMKOTTG标准中还有，但很少应用。现一般是作为辅助密封结构使用。螺纹接头发展特殊螺纹(PrcmiumConnection)油套管研究和开发，国外从四十年代后期起步，最早由法国瓦鲁瑞克等公司首先申请登记了专利，六十年代投入使用，八十年代大量应用。特殊螺纹广义是指密封结构和强度结构分别设计的螺纹接头，或高抗扭矩、压缩、弯曲载荷及腐蚀作用等特殊用途的螺纹接头，狭义是指高密封性能的螺纹接头，尤其是指带金属对金属密封面的螺纹接头。螺纹接头发展螺纹接头发展金属对金属密封结构是由光滑的金属表面弹性过盈配合而实现密封的，是螺纹接头密封的重大突破。金属对金属密封结构形式多样，包括：（1）端面密封结构，按端面在接头螺纹的位置可分为内端面、外端面、中间端面结构等；（2）径向密封结构，它又包括内径向、外径向密封结构;(3)复合多重密封结构，由径向密封结构（内或外）与端面密封结构（一个或多个）组合。螺纹接头发展目前世界上主要的特殊螺纹接头大多采用复合多重密封结构，即以径向金属对金属密封为主，辅以一个或多个端面密封。带这种密封结构的接头不靠螺纹和密封脂的封堵间隙作用来密封，因此接头螺纹间隙可增大。螺纹接头发展每英寸10牙/8牙V型螺纹API1924每英寸8牙/10牙圆螺纹接头每英寸8牙偏梯形螺纹接头出现特殊螺纹接头法国瓦鲁瑞克等公司申请了专利有一百多种特殊螺纹扣型国内近十家制造厂有或正在开发特殊螺纹随后二十世纪四十年代目前API圆螺纹接头易发生滑脱气密封性能不足API偏梯形螺纹接头连接强度高，密封性能不足发展历程螺纹接头发展偏梯形螺纹+金属密封面改进偏梯形螺纹+金属密封面楔形螺纹+金属密封面不需螺纹脂的特殊接头特殊环境应用接头同样气密封性能下抗高拉伸、弯曲、压缩、疲劳能力提高提高可靠性、易操作性，满足特殊应用膨胀管接头双金属管特殊接头内涂层用特殊接头套管钻井用接头低应力耐腐蚀接头螺纹接头发展气密封特殊接头适用性评价气密封特殊接头金属-金属特殊螺纹接头不再单纯依靠螺纹过盈配合及螺纹脂的封堵作用实现密封，普遍增加了主密封结构，即由光滑的金属表面过盈配合而实现密封，有的同时设计有弹性密封结构，从而实现了多级密封(金属、弹性、螺纹、台肩等)，其气密封压力可达管体内屈服压力。气密封接头特殊螺纹接头大多采用改进型偏梯形、钩形、楔形螺纹，并优化锥度、改善内部应力分布，使螺纹连接部位与管体等强度。全球特殊螺纹接头油套管已占油套管总需求量的21％，欧洲油气田特殊螺纹接头使用比例高达60%。气密封接头气密封接头国外已有30多家著名油井管厂商的科研机构开发了100多种有专利权的特殊螺纹油、套管接头。例如V&M的VAM，美国Hydril的SEALLOCK等。特殊螺纹接头的品种已从10年前的“百花齐放”、名目繁多的状态逐步收缩和集中。目前，VAM系列特殊螺纹接头油井管已占全球特殊螺纹油井管的50%左右。VAM接头是法国瓦鲁瑞克于1965年研究开发成功的复合多重密封结构接头VAMTOP系列特殊接头用量最大复合载荷作用下的良好气密封性能；较高的抗弯曲、压缩和过扭矩性能；易于上卸扣，抗粘扣性能较好；外螺纹端部内表面与接箍内平，其中VAMTOPHT和HC实现了真正的内平；VAM21是最新大外径接头气密封接头HYDRIL的563系列接头双面均为负角的楔形螺纹(WedgeThread)对螺纹加工和表面处理技术要求高复合载荷作用下的良好气密封性能；抗压缩载荷的效率均超过100％；抗弯曲能力强，弯曲条件下内、外螺纹间基本上没有相对位移；接头内、外螺纹台肩之间可填充防腐材料抗过扭矩能力，能承受3-5倍的过扭矩载荷563气密封接头气密封接头HYDRIL的BLUE接头气密封接头HYDRIL双阶梯接头MAC-II3SB接头内外螺纹的导向面及承载面之间无间隙是该类型接头的关键，提高了接头性能。563气密封接头FMT气密封接头俄罗斯TMK系列接头TMKPFTMKGFTMKFMCJFEBEAR特殊接头JFEBEAR管接头是JFE开发的用于替代FOX的最新一代特殊螺纹气密封接头每英寸8牙，导向面角度为25°,承载面角度为-5°，-15°扭矩台肩抗拉伸载荷的效率均超过100％；抗弯曲能力较高，抗压缩效率达到60%；气密封性达到100％管体水平锥面对锥面接触密封，优化了导向面和承载面角度、齿宽及导向面间隙。ContouredMetaltoMetalSeal气密封接头JFEFOX特殊接头接头螺纹采取了变螺距的方法，使接头上的载荷分布更加合理。采用了球面对球面金属密封结构，同时具有密封和扭矩台肩2种作用。其密封作用是通过外螺纹尖端径向和轴向2个方向过盈而实现的。圆弧台肩还具有抗过扭矩紧螺纹的能力。气密封接头气密封接头HSC系列接头气密封接头SEAL-LOCK®HTSEAL-LOCKAPEXSEAL-LOCKHCHUNTING系列接头更高的联结强度和抗滑脱能力、更优的上扣性能。具有金属对金属密封：超过管体的密封强度。具有扭矩台肩：精确的拧接位置和更高的抗压缩性能。气密封接头无螺纹脂接头进一步提升气密封接头的便利性Gallingresistance/抗粘扣Corrosionresistance/抗腐蚀无需涂抹、清洗丝扣油及上下井丝扣油从而节约了下管时间和成本多次重复上卸扣，性能稳定避免了丝扣油及丝扣碎屑污染避免了丝扣油涂抹不均减少了对环境的危害新产品，国外有应用国内还未见评价应用普遍存在担心气密封接头气密封接头经过了试验评价在耐腐蚀合金和双相不锈钢上应用结果显示良好。气密封接头国内发展1992年TGRC从美国H.O.MOHR引进了成套油套管全尺寸螺纹连接性能评价试验系统，对油田选用特殊螺纹接头油套管及特殊螺纹接头油套管的国产化起到了指导和促进作用；1996年，攀成钢率先自主开发了CGT螺纹接头；1998年，天津钢管公司引进Hunting系列螺纹接头专利技术，在此基础上开发TPCQ特殊螺纹接头；2001年，上海宝钢开发了BGT螺纹接头；2002年，无锡西姆莱斯开发了WSP-1T和2T螺纹接头；国内特殊螺纹接头油套管使用量约18万吨，占油井管总用量的比例为8％，与世界平均用量水平（21％）还有较大差距，而且国产化率为70％左右。气密封接头国内气密封接头的发展非常迅速BGT1接头采用API偏梯形螺纹，加工成本低-15°扭矩台肩，较好的抗过扭矩能力采用金属与金属柱面-柱面和球面-球面密封结构形式气密封接头TP-EX接头连接螺纹采用API偏梯形螺纹，以金属接触面保证接头的密封性-20°逆向台肩结构外螺纹端部加工成内平形式，减缓管内的油气紊流+3o+10o气密封接头螺纹接头发展气密封特殊接头适用性评价适用性评价即使各制造厂研制开发了各种气密封接头，及各种高强高韧、高耐腐蚀的材料，但由于油气开发工况日趋复杂、多变、不明朗，油田仍有很多高性能的油管（包括特殊接头油管）失效。适用性评价对以下油田气井用气密封接头进行检测中石油塔里木油气田中石油华北储气库中石油西南油气田中石油新疆油田储气库中石油吉林油田中石油长庆储气库中石化西北分公司中石油西南气田储气库中石油大庆油田中石油大港储气库神华CCS项目中石油辽河储气库中海油伊朗项目中石化中原储气库中石油土国气田中石化金坛储气库中海油南海气田中石化西南油气分公司、普光油气田结果：2008.05至今，共检测146多井次，近5万个扣次，1500个泄漏点，分布在139个井次。井次泄漏率95%，接头泄漏率3%。塔里木气密封检测施工井检测情况统计(2008.7-2011.7)序号油管扣型检测总根数泄漏总次数泄漏率井次泄漏率127/8A油管19641065.40%231/2A油管106721431.34%331/2B油管2331241.03%431/2C油管1823180.99%57′C套管39810.25%627/8D油管33851.48%731/2D油管1006191.89%827/8G油管10900.00%931/2G油管3634461.28%1041/2G油管1437312.16%1131/2H油管40810.25%合计241203941.63%83.30%适用性评价实际使用中出现各种失效事故适用性评价适用性评价油井管的失效模式可用八个字概括：脱、漏、粘、挤、破、裂、磨、蚀脱——管体螺纹从接箍内滑脱漏——螺纹连接处失去密封粘——螺纹粘结挤——管体挤毁破——管体受内压爆破裂——拉断、错断、纵裂、射孔开裂以及疲劳、应力腐蚀开裂等磨——如套管与钻柱相互磨损蚀——腐蚀及应力腐蚀脱漏粘挤破断磨蚀材料因素钢级韧性腐蚀结构因素密封强度管柱自身因素适用性评价管体材料API钢级材料非API钢级材料断裂破裂挤毁、弯曲缩颈、大变形尺寸偏差强度偏差耐腐蚀性能差韧性不足泄漏、腐蚀孔洞载荷偏差设