新型快速上扣套管螺紋的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董星亮

（中國(guó)海油伊拉克有限公司）

新型快速上扣套管螺紋的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董星亮

（中國(guó)海油伊拉克有限公司）

基于海上鉆井作業(yè)特殊工況的要求，設(shè)計(jì)了新型快速上扣套管螺紋，新型螺紋錐度為1∶12，螺距為6.35 mm，導(dǎo)向面為30°，承載面為0°，并且采用臺(tái)肩結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置約束，采用內(nèi)平設(shè)計(jì)避免紊流。有限元力學(xué)分析結(jié)果表明，新型螺紋的等效應(yīng)力分布均勻，連接強(qiáng)度高于管體本身；室內(nèi)全尺寸實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果表明，新型螺紋具有良好的上卸扣特性，無粘扣現(xiàn)象，具有較高的連接強(qiáng)度，密封性能好。新型快速上扣套管螺紋在渤海某油田的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，下套管過程快速、平順，沒有發(fā)生錯(cuò)扣現(xiàn)象，上扣速度比同規(guī)格API偏梯形螺紋提高20%以上，大大提高了下套管作業(yè)效率。

新型快速上扣套管螺紋 有限元力學(xué)分析 全尺寸實(shí)物試驗(yàn) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外油田使用的油套管仍以API標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品為主[1－3]，該產(chǎn)品系列規(guī)范化，適配性強(qiáng)。但是，隨著國(guó)內(nèi)石油勘探開發(fā)向深海的邁進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件和要求發(fā)生了變化，這對(duì)套管串的完整性和下入速度提出了更高的要求。海上風(fēng)浪大，鉆井作業(yè)裝置多處于漂浮狀態(tài)，普通的API偏梯形扣的上扣速度慢，且容易錯(cuò)扣，特別是大尺寸的套管對(duì)扣、上扣更加困難，嚴(yán)重影響了下套管的作業(yè)效率，從而大大增加了海上鉆井作業(yè)成本。因此，有必要設(shè)計(jì)一套對(duì)扣性能好、上扣速度快、密封能力和強(qiáng)度滿足要求的特殊扣套管螺紋。2008年至2010年，中國(guó)海洋石油總公司聯(lián)合上海寶鋼技術(shù)研究院，設(shè)計(jì)了適合海上鉆井作業(yè)的新型快速上扣套管螺紋，并在渤海海域進(jìn)行了下井使用，取得了良好效果。

1 新型快速上扣套管螺紋的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案的確定

國(guó)內(nèi)外對(duì)套管螺紋的性能進(jìn)行了大量的研究，已形成了許 多 專 利 產(chǎn) 品[4－7]，其 中 Antares ER 扣[6]及Big Omega扣[7]是快速上扣產(chǎn)品的典型代表。Antares ER扣的主要參數(shù)：當(dāng)外徑＜355.6 mm時(shí)，錐度為8.5%，螺距為6.35 mm，齒形為偏梯形螺紋，導(dǎo)向面25°，承載面2°26′；當(dāng)外徑≥355.6 mm時(shí)，錐度為12.5%，螺距為8.47 mm，齒形為偏梯形螺紋，導(dǎo)向面25°，承載面0°，接箍螺紋根部帶止扭臺(tái)肩。Big Omega扣的主要參數(shù)：螺紋適用于外徑≥355.6 mm，錐度為1∶7.5，齒形為偏梯形螺紋，導(dǎo)向面30°，承載面與螺紋母線垂直，齒頂、齒底與螺紋母線平行。

新型快速上扣套管螺紋設(shè)計(jì)的使用目標(biāo)為海上平臺(tái)的套管作業(yè)，要求在保證連接強(qiáng)度和相應(yīng)的密封性能基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)扣、快速上扣。據(jù)此制定了如下套管螺紋的設(shè)計(jì)原則：①優(yōu)化接頭螺紋齒形。減小接頭螺紋承載面齒形角，確保接頭抗拉伸強(qiáng)度；增大螺紋導(dǎo)向面齒形角，增強(qiáng)上扣時(shí)螺紋的導(dǎo)入性能，改善防止錯(cuò)扣的能力。②采用大錐度、大螺距設(shè)計(jì)。在現(xiàn)有API螺紋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在保證連接強(qiáng)度的前提下，增大錐度和螺距，提高上扣速度。③采用扭矩臺(tái)肩結(jié)構(gòu)。接頭連接上緊后，通過止扭臺(tái)肩實(shí)現(xiàn)擰緊位置控制，通過扭矩控制保證上扣質(zhì)量，確保管體和接箍?jī)?nèi)外螺紋過盈量在設(shè)計(jì)范圍，實(shí)現(xiàn)接頭的較高抗粘扣性能，保證接頭上扣完整性。④接頭內(nèi)平設(shè)計(jì)。管體內(nèi)徑與接箍?jī)?nèi)通孔直徑采用內(nèi)平結(jié)構(gòu)，避免突起的出現(xiàn)，消除流體紊流沖蝕作用。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則并不斷優(yōu)化，確定了新型快速上扣套管螺紋的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和技術(shù)方案：①采用1：12的錐度；②采用6.35 mm的螺距；③螺紋導(dǎo)向面為30°齒形角；④螺紋承載面為0度齒形角；⑤采用臺(tái)肩結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置約束；⑥采用內(nèi)平設(shè)計(jì)避免紊流；⑦采用測(cè)量中徑的方法控制螺紋配合過盈量；⑧盡量減少鼻端長(zhǎng)度，適應(yīng)傾斜對(duì)扣。

1.2 有限元力學(xué)分析

利用有限元軟件對(duì)新型快速上扣套管螺紋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析和強(qiáng)度校核。采用有限元軟件 MSC.Marc為分析平臺(tái)，建立有限元模型[8－13]。因螺紋結(jié)構(gòu)的螺旋升角很小，可簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析，用平面應(yīng)變單元建模。接頭取尺寸為φ339.72 mm×10.92 mm的J55套管，材料模型取自J55套管的拉伸性能曲線，拉伸載荷取相應(yīng)管體屈服強(qiáng)度。

圖1～3是在名義尺寸配合、最大過盈配合和最小過盈配合條件下，對(duì)新型快速上扣套管螺紋的抗拉伸性能進(jìn)行有限元分析的結(jié)果。模擬計(jì)算中，管體的等效應(yīng)力（即J55套管的屈服應(yīng)力）達(dá)到了380 MPa。在上述3種配合下，絲扣螺紋牙齒的應(yīng)力水平基本保持在266 MPa以下，低于管體的應(yīng)力值，且螺紋等效應(yīng)力分布均勻，接觸應(yīng)力能夠保證接頭的密封性能。繼續(xù)拉伸至失效時(shí)失效部位發(fā)生在管體，如圖4所示。由此可見，新型快速上扣套管螺紋的連接強(qiáng)度在理論上能夠滿足要求。

1.3 全尺寸實(shí)物試驗(yàn)

按照API的設(shè)計(jì)要求，石油用套管上卸扣性能應(yīng)滿足三上兩卸螺紋形貌無損傷，螺紋的接頭連接強(qiáng)度應(yīng)盡量達(dá)到或超過管體屈服強(qiáng)度，對(duì)密封性能不作要求。為驗(yàn)證新型快速上扣套管螺紋的使用性能，2009年3月完成了該結(jié)構(gòu)的全尺寸實(shí)物試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括上卸扣試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和水壓爆破試驗(yàn)，取樣規(guī)格參數(shù)如下：管體外徑為339.72 mm；壁厚為10.92 mm；鋼級(jí)為J55。

圖5為新型快速上扣套管螺紋上卸扣試驗(yàn)后接箍螺紋和管體螺紋形貌。從圖5可以看出，經(jīng)過兩組上卸扣試驗(yàn)驗(yàn)證（最大扭矩19000 N·m，最小扭矩16000 N·m），在三上兩卸過程中螺紋形貌沒有損傷，而且整個(gè)試驗(yàn)過程中都沒有任何人工修復(fù)螺紋，證明螺紋齒形設(shè)計(jì)是合理的。

新型快速上扣套管螺紋拉伸試驗(yàn)的加載曲線如圖6所示，試驗(yàn)樣管在加載到API標(biāo)準(zhǔn)962 kips（1 kips＝4.448 k N）時(shí)未出現(xiàn)任何異常，證明螺紋接頭能夠達(dá)到100%管體屈服強(qiáng)度。繼續(xù)施加載荷至1460 kips時(shí)到達(dá)試驗(yàn)設(shè)備的最大行程，無法繼續(xù)拉伸，卸載試驗(yàn)結(jié)束，此時(shí)管體出現(xiàn)縮頸，螺紋接頭未出現(xiàn)異常，如圖7所示。

新型快速上扣套管螺紋水壓試驗(yàn)加載曲線和水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示，加內(nèi)壓至約為17.2 MPa，保壓60 min，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，未發(fā)生泄露；繼續(xù)加壓至21.3 MPa（API標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)屈服壓力），并保壓10 min，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，未發(fā)生泄露；加壓至管體失效，管體失效壓力為37MPa，失效形貌為管體失效爆裂，表明螺紋密封性能良好。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

應(yīng)用了新型快速上扣套管螺紋的套管于2010年5月在渤海某油田A、B井開始下井試用，規(guī)格為：φ339.7 mm×10.92 mm，鋼級(jí)為 N80－Q。A 井井深497 m，套管鞋深度493.84 m，使用新型螺紋套管33根，下入用時(shí)1.75 h，全過程總用時(shí)2.25 h，下套管過程快速、平順，沒有發(fā)生錯(cuò)扣現(xiàn)象，碰壓10 MPa、5 min，試壓10 MPa、10min，均無異常。B井井深599 m，套管鞋深度596.39 m，使用新型螺紋套管41根，下入用時(shí)2.58 h，全過程總用時(shí)3.25 h，下套管過程快速、平順，亦未發(fā)生錯(cuò)扣現(xiàn)象，碰壓8 MPa、5 min，試壓10 MPa、10 min，均無異常。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，該新型螺紋單對(duì)純連接時(shí)間為20～25 s；而同工況下同規(guī)格API偏梯形螺紋的純連接時(shí)間為35～40 s。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工表明，該新型螺紋上扣速度快，對(duì)扣性能好，在套管傾斜5～10°情況下仍能準(zhǔn)確對(duì)扣。

3 結(jié)論

通過對(duì)新型快速上扣套管螺紋接頭的理論分析計(jì)算、室內(nèi)全尺寸試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)下井應(yīng)用，可得出如下結(jié)論：

（1）絲扣的螺紋牙齒的應(yīng)力水平低于管體的應(yīng)力值，且螺紋等效應(yīng)力分布均勻，繼續(xù)拉伸至失效時(shí)失效部位發(fā)生在管體，說明設(shè)計(jì)的新型快速上扣套管螺紋的連接強(qiáng)度在理論上能夠滿足要求。

（2）在三上兩卸試驗(yàn)中，螺紋形貌完好；在拉伸試驗(yàn)至失效試驗(yàn)中，絲扣未失效，管體首先出現(xiàn)了屈服縮頸；在水壓爆破試驗(yàn)中，絲扣未發(fā)生泄漏。這些試驗(yàn)結(jié)果均表明，所設(shè)計(jì)的新型快速上扣套管螺紋達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)試用的條件。

（3）新型快速上扣套管螺紋套管已成功應(yīng)用于渤海某油田，下井試用中下套管過程平順、快速，沒有發(fā)生錯(cuò)扣現(xiàn)象，比同規(guī)格API偏梯形螺紋上扣速度提高20%以上，大大提高了下套管作業(yè)效率。

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Design and application of a new type of fast make－up casing thread

Dong Xingliang
（CNOOC Iraq Ltd.，Beijing，100010）

Based on the requirements of special work condition in offshore drilling operation，the new type of fast make－up casing thread is designed with 1∶12 conicity，6.35 mm thread pitch，30°guiding face and 0°supporting face.The shoulder structure is adopted to constrain the position，and internal flush is designed to avoid the turbulent flow.The finite element dynamics analysis indicates the new thread presents uniform equivalent stress distribution and higher joint strength than the casing.The laboratory full scale test shows that the new thread is characterized by good making－up and breaking out，no thread gluing，high strength of joint and well sealing property.The new thread has made well application effect in an oilfield in Bohai Sea，with fast and smooth making－up，no cross threaded，and make－up speed raised by 20%compared with API buttress thread，so that the operating efficiency of casing job is improved greatly.

new type of fast make－up casing thread；finite element dynamics analysis；full scale test；field application

董星亮，男，高級(jí)工程師，1983年畢業(yè)于原華東石油學(xué)院鉆井專業(yè)，主要從事鉆井技術(shù)綜合研究和管理工作，現(xiàn)任中國(guó)海油伊拉克有限公司副總經(jīng)理。地址：北京市東城區(qū)朝陽門內(nèi)大街2號(hào)凱恒中心B座（郵編：100010）。

2011－10－24

（編輯：孫豐成）