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油井管密封方法及密封机理综述

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高温高压天然气井的井筒密封性至今无法完全保障，油管、套管螺纹泄漏是主要原因。油井管最常用的四种密封系统是螺纹脂密封、台肩密封、弹性密封环密封、金属对金属接触密封。API标准螺纹依靠螺纹脂填充螺纹的螺旋通道实现液体密封，然而密封性有限。早在上世纪80年代，制造商就在螺纹表面镀锌以填充螺纹螺旋泄漏通道，改进了API标准偏梯螺纹密封性能，而不降低其它性能。台肩密封是钻具常用密封结构，为了保持台肩密封性，足够上扣预扭矩很重要。大部分特殊螺纹接头采用径向金属接触密封，密封面接触压力决定了密封能力，至少要超过井下压力，实际需要的接触压应力是两个密封面接触干涉和管内外压力的函数。一些特殊螺纹接头增加了高分子弹性密封环作为辅助密封，但可能会增加过多的径向应力。正确的金属接触密封会显示出一种压力激发效应，与被密封流体压力增速相比，密封接触压应力会以更快的速率增加。一种改进是将密封面设在远离鼻端面的位置，鼻端刚性增强了密封接触力，而不是依靠负扭矩台肩反作用力。管柱接头泄漏概率模型计算出单个金属密封的泄漏概率为10-2，金属密封与弹性密封环的双密封结构的泄漏概率为10-4，并非为0。即使密封接触压力明显高于流体压力时，小的泄漏通道仍然存在，泄漏速度取决于密封面的接触应力宽度、粗糙度、损伤程度、密封脂、涂层等。中国石油集团公司管研院试验表明，特殊螺纹接头在振动后，即使螺纹产生疲劳裂纹，也没有发生泄漏。中国石油集团公司管研院试验表明，一些特殊螺纹接头台肩刻槽后发生泄漏，而没有刻槽的接头不发生泄漏。很多高温高压气井管柱在刚完井后密封性良好，而服役几年甚至几月后就发生泄漏，检查发现扭矩台肩发生了明显腐蚀损伤，证明径向金属密封存在泄漏通道，事实上是扭矩台肩起主要密封作用。综上所述，接触压应力设计法无法解决特殊螺纹接头的密封问题，今后发展全新的设计理论和制造技术，堵塞泄漏通道，是保障特殊螺纹接头密封完整性的方向。