曹峰等：新型螺纹脂密封性能测试程序研究 ４３ 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） 摘要 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。 关键词螺纹脂油套管密封石油 工程 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６４１Ｘ．２０１０．７．０１３ 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¨】］，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ｌ２］。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 ］。 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 ４４ 国外油田工程第２６卷第７期（２０１０．７） 测试。ＡＰＩ ＲＰ ５Ａ３和ＩＳＯ／ＤＩＳ １３６７８标准明确 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 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Ｌ５］，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２ ｉｎ（１ ｉｎ＝２５．４ ｍｍ） １Ｏ牙圆螺纹，将不带螺纹一端与标准帽 焊接在一起，确保密封。这样的取两支，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 实物见图３。 图２测试装置示意图 图３测试装置买物图 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将测试单元放人干燥 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 （ｒ）室温下把压力设定在２～４ ＭＰａ之间，因 曹峰等：新型螺纹脂密封性能测试程序研究 ４５ 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 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 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 一巷＼Ｒ咀妻＊ ∞ ∞ 船 船 ∞ Ｏ 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。 鼍譬－鬟盘 羹髫馨 封 一Ｉ＿曩 －宰掌嗷 鼍譬－一■ ■甘Ｉ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ｉ００ 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 来满足油套管与钻管的不同需求较难。 羹 ■ 鬟 ■ 一 霉 捌 ４ 结论 （１）成功地开发了螺纹脂密封性测试程序，本 图 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 ｄｖ 测 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 脂 果 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 摹嗽 体现在降低了螺纹泄漏事故发生率，从而减少了修 井费用。 参考文献 ［１３ ＡＰＩ ＲＰ ５Ａ３—２００３套管、和管线管用螺纹脂推进 做法Ｅｓ］． ［２３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 ａｐｐｌｉ— ｃａｔｉｏｎｓ：ＳＰＥ １１９４６８，２００９． ［４］ＩＳＯ１３６７８—２０００石油天然气工业一套管、和管线 管用螺纹脂的评价和试验Ｉｓ］． ［５］ＡＰＩ ＲＰ ５Ｃ５—２００３套管和接头评价推进做法 厂Ｓ］． （收稿日期２００９—０８—２０） 生霉抽
