CN103195295B - 一种油井管螺纹接头密封性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种油井管螺纹接头密封性能测试方法，其特点是：根据螺纹密封的机理即螺纹接头金属台肩面的接触面压和接触长度是决定其密封性能的主要因素，利用密封腔体的密封特性，通过透气孔向密封腔内注入高压气体进行密封性能测试。通过改变作用在密封腔体上的均匀压力，可测试螺纹接头在不同接触面压下的密封性能；改变连接在密封腔体上的螺纹连接件接触面的厚度，可测试具有不同接触长度的螺纹接头工作时的密封性能，从而确定螺纹接头的密封性能与金属台肩面的接触长度和接触面压之间的关系。本方法操作简单，能测出螺纹接头的金属台肩面在不同接触长度和不同接触面压下的真实密封性能。

Description

一种油井管螺纹接头密封性能测试方法

技术领域

本发明涉及石油天然气油井管螺纹接头密封性能测试方法。

背景技术

油井管螺纹接头是油气井管柱中受力最苛刻、结构最薄弱环节，其主要作用在于连接油井管并密封油井管内的高压气体，且其密封性能的好坏影响着油气井井筒安全。近年来，随着深井数量或高压气井数量增加，使得油井管螺纹接头的服役环境越来越恶劣，如我国塔里木油田的某些气井压力达到100Mpa以上，其性能将影响到油井管柱对高压天然气的密封，严重影响到油气井的井筒安全。

为了弥补常规螺纹接箍套管密封性能的不足，国外油井管厂家提出了一种具有较高密封性能的油井管螺纹接头，即特殊扣。随后，国内油井管厂家也研发了具有独立知识产权的特殊扣，较好的满足了天然气安全、高效开发的需要。其特点是：依靠传统的螺纹来实现油井管柱之间的连接并保证足够的抗拉性能，除此之外，还有一个具有一定接触面压和接触长度的金属台肩面来实现气体密封。此时，螺纹牙侧面啮合和螺纹脂仅仅起着辅助密封作用。

根据特殊螺纹接箍的特点和螺纹密封的机理可知，特殊扣的密封面的接触长度和接触面压是决定气体密封能力的主要因素。通常，接触面压越大密封性能越好，接触长度越长密封性能越好，因此合理的接触面压和接触长度成为螺纹接头设计的关键参数。但是，不同规格的螺纹接头在不同接触面压下的真实密封性能、接触面压和接触长度与临界泄漏压力之间的关系很难确定，目前都是靠有限元分析得到初步结果，没有相关的实验方法和装置来研究特殊扣的泄漏机理。

为了对特殊扣的泄漏机理及其密封性能进行分析和评价，需要弄清接触面的不同接触长度、不同接触面压下的真实密封性能(即：接触面压和接触长度与临界泄漏压力之间的关系)，从而为油井管柱特殊扣设计和使用提供理论支持，因此，本发明提出了一种特殊扣泄漏机理的评价方法，旨在研究接触面压、接触长度与临界泄漏压力之间的关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油井管螺纹接头密封性能测试方法，以测试螺纹接头金属台肩面具有不同接触长度在不同接触面压下的密封性能及密封性能与接触长度和接触面压之间的关系，为油井管螺纹接头设计提供关键参数。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：采用上、下密封腔体，将下密封腔体固定于底座上，在上密封腔体和下密封腔体的螺纹连接端上分别装一个密封垫片和螺纹连接件，两螺纹连接件接触面的厚度等同于某一工况下螺纹接头工作时金属台肩面的接触长度，同时用两根圆柱丝杠将装有螺纹连接件的上密封腔体连接在下密封腔体上，固定整个密封腔体的径向移动；随后在螺纹连接件的外表面套上O型密封圈和橡胶密封筒；为检测密封腔在注气过程中是否存在漏气，用排气管将橡胶密封筒与盛水容器保持连通；用压力试验机通过上密封腔体上的球铰对整个测试装置施加均匀外力，让两螺纹连接件的接触面上产生一定大小的接触面压；通过与密封腔连通的透气孔向密封腔内缓慢注入高压气体，注完一定压力的气体后，关闭透气孔上的安全阀并保持一段时间，同时观察盛水容器是否产生气泡，继续增加注气压力，直到盛水容器产生气泡即密封腔开始漏气为止，此时便可以确定该工况下螺纹接头在一定接触面压下的临界漏气压力。通过改变接触面压或螺纹连接件的厚度，重复上述步骤可以测试螺纹接头的金属台肩面在不同接触长度和不同接触面压下的临界漏气压力，从而利用数据拟合的方法能确定密封性能与金属台肩面接触长度和接触面压力之间的关系。

本发明与现有技术相比，有益效果在于考虑了螺纹接头金属台肩面的接触长度和接触面压对螺纹接头密封性能的影响，能测出螺纹接头的金属台肩面在不同接触长度和不同接触面压下的真实密封性能，同时也能得到螺纹接头的密封性能与接触长度和接触面压之间的关系，从而能够为螺纹接头的设计提供关键的参数，确保了井下螺纹密封的安全。

附图说明

图1为密封性能测试方法所使用的结构示意图。

图2为上密封腔体之示意图。

图3为下密封腔体和螺纹连接件之连接示意图。

图4为油井管螺纹接头结构示意图。

具体实施方式

如附图所示，1为球铰，2为上密封腔体，3为透气孔，4为安全阀，5为排气管，6为盛水容器，7为下密封腔体，8为螺纹连接件，9为橡胶密封筒，10球窝，11为密封腔室，12为密封垫片，13为O型密封圈，14为圆柱丝杠，15为底座，16为圆柱孔，17金属台肩面。

试验时，首先将下密封腔体固定于底座15上，且在上密封腔体2和下密封腔体7的螺纹连接端上分别装一个密封垫片12和螺纹连接件8，两螺纹连接件8之接触面A的厚度L等同于某一工况下螺纹接头18(见图4)工作时金属台肩面17的接触长度，同时用两根圆柱丝杠14将装有螺纹连接件8的上密封腔体2连接在下密封腔体7上，用于整个固定密封腔体的径向移动；随后在螺纹连接件8的外表面套上O型密封圈13和橡胶密封筒9；为检测密封腔在注气过程中是否存在漏气，用排气管5将橡胶密封筒9与盛水容器6保持连通；在上密封腔体的球窝10上安装球铰1，通过球铰1对整个测试装置施加均匀地压力，让两螺纹连接件8紧密接触并在其接触面A上产生一定的接触面压，其接触面压等同于油井管的螺纹接头18在某一特定工况下金属台肩面17上的接触面压。其次，通过密封腔室11的透气孔3向密封腔室11内缓慢注入高压气体，注完一定压力的气体后，关闭透气孔3上的安全阀4并保持一段时间，同时观察盛水容器6是否产生气泡；若无气泡产生，重复上述注气步骤，继续增加注气压力，直到盛水容器6产生气泡即密封腔室11开始漏气为止，此时便可以确定该工况下螺纹接头18在一定接触面压下的临界漏气压力。因此，通过改变接触面压和螺纹连接件8之接触面A的厚度L，重复上述操作可测试出不同工况下螺纹接头18的金属台肩面17在不同接触长度、不同接触面压下的临界漏气压力，从而利用数据拟合方法能确定螺纹接头18的密封性能与接触长度和接触面压之间的关系。

应用本试验方法，能测出螺纹接头的金属台肩面在不同接触长度和不同接触面压Pa(金属对金属接触面的平均表面压力)下的临界泄漏压力Pc(密封性能)。同时，结合如下处理方法，能够确定临界泄漏压力Pc与接触面压Pa和接触长度之间的关系；首先，参见图1可知在外力F的作用下两螺纹连接件的接触面A上产生的接触面压Pa：

$P_a=\frac{4F}{\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{(R-L)}^2}---\left(1\right)$

其次，根据密封机理可知，当气体通过间隙时产生的局部阻力ΔR取决于间隙空间和泄漏路径长度，可用下式表示

$\mathrm{\ΔR}\∞\frac{\mathrm{\ΔL}}{h}---\left(2\right)$

式中h——螺纹连接件之间的间隙。

ΔL——气体泄漏路径的最小长度。

由于间隙空间h与接触压力Pa成反比变化，公式可写成：

ΔR∞Pa·Δl   (3)

也就是说，当气体流动通过间隙时产生的阻力是：

R∞∫Pa·dL   (4)

由此可见，流动阻力与接触压力和密封长度成正比。在设计中，为了获得较高的密封性能，需增大流动阻力R即增大接触压力Pa或者接触长度。

最后，在研究中，引入等效接触面压，即接触面压与接触长度的乘积，即

P_ec＝∫P_adL   (5)

式中Pec——等效接触面压；

Pa——接触面应力；

L——接触长度即螺纹连接件的厚度。

通过上述实验可以得到等效接触面压与螺纹接头密封性能(临界漏气压力Pc)的关系，因此，该指标(Pec)可以较好地作为衡量螺纹接头接触面气体密封能力的物理量，从而根据该物理量可以为螺纹接头的使用和设计提供关键的参数。

Claims (1)

1.一种油井管螺纹接头密封性能测试方法，其特征在于：采用上、下密封腔体(2，7)，下密封腔体固定于底座(15)上，在上密封腔体(2)和下密封腔体(7)上分别装上密封垫片(12)和螺纹连接件(8)，两螺纹连接件(8)之接触面A的厚度L等同于某一工况下螺纹接头(18)工作时金属台肩面(17)的接触长度；用两根相同的圆柱丝杠(14)将上密封腔体(2)连接在下密封腔体(7)上，固定整个密封腔体的径向移动；将球铰(1)安装在上密封腔体的球窝(10)上，外部压力通过球铰(1)均匀地施加在上密封腔体(2)上，在外部压力的作用下两螺纹连接件(8)紧密接触并在其接触面A上产生一定大小的接触面压；在两螺纹连接件(8)外表面套上O型圈(13)和橡胶密封筒(9)；用排气管(5)将橡胶密封筒(9)与盛水容器(6)连通来检测注气过程中是否存在漏气；用高压泵将气体从透气孔(3)注入密封腔室(11)，直到漏气为止；重复上述步骤，通过改变作用在密封腔体上的均匀压力，可测试螺纹接头(18)在不同接触面压下的密封性能；改变连接在密封腔体上螺纹连接件(8)之接触面A的厚度L，可测试螺纹接头(18)的金属台肩面(17)在不同接触长度下工作时的密封性能；从而采用数据拟合方法，可以确定螺纹接头(18)的密封性能与接触长度和接触面压之间的关系。