圓螺紋套管接頭偏心對(duì)連接強(qiáng)度影響的分析

閆 凱，袁 野，楊紅兵，衛(wèi) 棟，田新新

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077；2.遼河石油勘探局有限公司 物資分公司，遼寧 盤(pán)錦 124012)

API圓螺紋套管因其良好的連接性能和實(shí)用性能已廣泛應(yīng)用于油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中。圓螺紋套管接頭滑脫是油氣井管柱失效中最常見(jiàn)的一種[1-2]。某工廠生產(chǎn)的一批φ139.70 mm×9.17 mm的LC套管出現(xiàn)了多支螺紋接頭偏心的情況，即加工出的螺紋軸線與管端軸線偏離，從外觀看，接頭螺紋同圓周處壁厚不同。API標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)管體壁厚和螺紋參數(shù)等有要求，并未明確規(guī)定螺紋處厚度及接頭偏心的要求[3-4]。為了確定圓螺紋套管螺紋接頭偏心對(duì)接頭連接強(qiáng)度的影響，本文分析了造成接頭偏心的原因，根據(jù)圓螺紋套管接頭連接強(qiáng)度計(jì)算公式，分析了不同情況下造成圓螺紋套管接頭偏心對(duì)連接強(qiáng)度的影響，并提出控制圓螺紋套管接頭偏心的建議。

1 API圓螺紋套管接頭結(jié)構(gòu)及參數(shù)要求

1.1 圓螺紋套管接頭結(jié)構(gòu)

API圓螺紋套管接頭采用管體螺紋和接箍螺紋擰接的連接方式，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 圓螺紋套管接頭結(jié)構(gòu)圖

API SPEC 5CT對(duì)套管接頭的幾何尺寸有明確要求，API SPEC 5B對(duì)螺紋參數(shù)有明確的要求，φ139.70 mm×9.17 mm LC套管的幾何尺寸和螺紋參數(shù)要求見(jiàn)表1。其中，螺紋接頭管端至螺紋消失點(diǎn)的總長(zhǎng)度(L4)和全頂螺紋最小長(zhǎng)度(Lc)是影響內(nèi)外螺紋接頭嚙合長(zhǎng)度的關(guān)鍵參數(shù)，是保證接頭連接強(qiáng)度的基本要求。API SPEC 5B對(duì)L4只給出了確定數(shù)值，作為螺紋設(shè)計(jì)的依據(jù)，沒(méi)有規(guī)定公差，不作為產(chǎn)品接收和拒收的依據(jù)。API SPEC 5B對(duì)Lc有明確要求，對(duì)于8牙圓螺紋套管，Lc=L4-28.58 (mm)，作為產(chǎn)品接收和拒收的依據(jù)之一。

表1 LC套管主要幾何尺寸及螺紋參數(shù)要求

表1中，P1為工作環(huán)規(guī)互換緊密距值，如用校對(duì)規(guī)，則緊密距為P。

1.2 圓螺紋套管接頭偏心檢測(cè)

某工廠生產(chǎn)的一批φ139.70 mm×9.17 mm的LC套管出現(xiàn)了大量螺紋接頭偏心的情況(見(jiàn)圖2)。通過(guò)測(cè)量該類(lèi)管子同圓周螺紋處的8個(gè)方向管子壁厚得知，壁厚相差最大達(dá)到1.9 mm，螺紋接頭出現(xiàn)嚴(yán)重偏心，部分外螺紋內(nèi)倒角不全。而在API標(biāo)準(zhǔn)中，僅對(duì)管體壁厚和螺紋參數(shù)等有要求，并未明確規(guī)定螺紋處厚度及螺紋偏心的要求。對(duì)于出現(xiàn)的螺紋接頭偏心情況應(yīng)分析其產(chǎn)生的原因，并研究其對(duì)螺紋接頭連接強(qiáng)度的影響，防止接頭出現(xiàn)斷裂失效。

圖2 圓螺紋套管接頭外螺紋端部壁厚不均

2 造成套管接頭偏心原因分析

造成套管螺紋偏心的因素主要有3種：管端彎曲、管端壁厚不均和管端橢圓。針對(duì)這3種因素分別分析套管接頭偏心的程度。

2.1 管端彎曲

目前無(wú)縫套管生產(chǎn)多采用熱軋+熱處理工藝制造，生產(chǎn)出的管子并非是理想端直，會(huì)產(chǎn)生彎曲。API SPEC 5CT中對(duì)管子端部直度有明確要求：每端1.5 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的偏離距離≤3.18 mm。此要求比較寬松，并非只考慮螺紋加工。一般采用數(shù)控車(chē)床進(jìn)行管體螺紋加工時(shí)，夾持位置距離管端約0.3 m。按照API SPEC 5CT要求，通過(guò)比例計(jì)算可知，管端0.3 m范圍的偏離距離應(yīng)≤0.64 mm。假設(shè)φ139.70 mm×9.17 mm規(guī)格光管管端外徑為139.70 mm，端部理想端直，Lc為75.622 mm。如管端0.3 m彎曲0.64 mm，全頂螺紋軸向長(zhǎng)度則至少減少2×0.64/K=20.48 (mm)(K為螺紋錐度)，此時(shí)Lc=75.622-20.48=55.142 (mm)，已經(jīng)超出API 5B對(duì)該規(guī)格螺紋Lc(≥60.32 mm)的要求。要保證該規(guī)格圓螺紋全頂螺紋長(zhǎng)度，則管端0.3 m范圍的偏離距離t≤(75.622-60.32)K/2=0.478 (mm)。相對(duì)于API SPEC 5CT換算要求嚴(yán)格。目前多數(shù)工廠內(nèi)控管端1.5 m內(nèi)直度≤2 mm，換算到管端0.3 m彎曲度≤0.4 mm，對(duì)于加工套管圓螺紋可以保證全頂螺紋長(zhǎng)度。管端彎曲也可導(dǎo)致加工出的圓螺紋同圓周處壁厚不均，如管端彎曲q，則同圓周處螺紋壁厚偏差可能達(dá)到2q。

2.2 管端壁厚不均

熱軋無(wú)縫管內(nèi)徑尺寸主要由芯棒控制，生產(chǎn)中不可避免地會(huì)出現(xiàn)管子壁厚不均的情況。假設(shè)管子端直，外徑標(biāo)準(zhǔn)，管子內(nèi)徑軸線偏斜，將造成管子壁厚不均。當(dāng)管子內(nèi)徑軸線與管子外徑軸線偏差為d時(shí)，即可造成管端壁厚不均為T(mén)max-Tmin=2d，此時(shí)加工出的接頭同圓周處螺紋壁厚偏差為2d。

2.3 管端橢圓

API SPEC 5CT中對(duì)管子橢圓未作明確要求。然而橢圓對(duì)套管圓螺紋加工質(zhì)量卻有重大影響。假設(shè)φ139.70 mm×9.17 mm規(guī)格光管管端外徑為139.70 mm，當(dāng)Lc=60.32 mm時(shí)，Lc處螺紋的大徑DLc=DE1-(L1-Lc)K，帶入數(shù)值得出DLc為138.14 mm。即管端橢圓時(shí)最小外徑應(yīng)≥138.14 mm，否則加工出螺紋Lc不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如管端在0°和90°方向上對(duì)稱(chēng)橢圓，橢圓度為t=Dmax-Dmin，則加工出的接頭同圓周處螺紋壁厚偏差為t。

3 套管螺紋偏心對(duì)接頭連接強(qiáng)度的影響

套管的連接強(qiáng)度是指套管在各種載荷的共同作用下，而不發(fā)生連接失效的能力，主要包括套管管體的連接能力和套管接頭的連接能力。大量油田生產(chǎn)實(shí)踐和室內(nèi)實(shí)物試驗(yàn)表明，螺紋聯(lián)接處是套管的薄弱環(huán)節(jié)，螺紋接頭聯(lián)接失效是套管失效的主要形式。

1964年，美國(guó)學(xué)者W. O. Clinedinst通過(guò)研究提出了圓螺紋套管接頭連接強(qiáng)度的計(jì)算公式。美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)將此公式收錄，作為井下套管柱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，至今仍被廣泛應(yīng)用[5]。針對(duì)接頭管體螺紋參照以下2個(gè)公式，其中，公式1是計(jì)算接合面斷裂的最小強(qiáng)度，公式2是計(jì)算接合面的螺紋滑脫時(shí)的最小強(qiáng)度。

Pj=0.95AjpUp

(1)

(2)

式中，Pj為最小接合面強(qiáng)度；Ajp為末圈螺紋處管體的橫截面積，對(duì)于8牙螺紋，Ajp=0.785 4[(D-0.142 5)2-d2]；D為管體名義外徑；d為管體名義內(nèi)徑；L為螺紋長(zhǎng)度；Yp為管體最小屈服強(qiáng)度；Up為管體的最小極限強(qiáng)度。

如果套管螺紋出現(xiàn)偏心，但螺紋參數(shù)(包括螺紋長(zhǎng)度等)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，則影響斷裂強(qiáng)度的主要因素是末圈螺紋處的管體橫截面積。管端彎曲、管端壁厚不均和管端橢圓等3種情況下末圈螺紋處的管體橫截面積情況如圖3所示，其中加粗線為末圈螺紋根部輪廓線，陰影部分為該處的管體橫截面。

與理想狀態(tài)的管子相比，如果管端彎曲、壁厚不均或橢圓的程度未導(dǎo)致末圈螺紋不完整，則管體橫截面積與理想狀態(tài)相同，管子螺紋處的抗拉強(qiáng)度不受影響；如果管端彎曲、壁厚不均或橢圓的程度已導(dǎo)致末圈螺紋不完整，即圖3中管子外壁已經(jīng)躍進(jìn)加粗線內(nèi)側(cè)，則會(huì)影響末圈螺紋處管體橫截面積，從而影響管子螺紋處的抗拉強(qiáng)度。

API套管接頭連接強(qiáng)度的計(jì)算公式主要基于套管受拉伸載荷作用工況，而套管在實(shí)際生產(chǎn)使用中經(jīng)常受拉伸、壓縮和彎曲等多種載荷，套管接頭螺紋偏心對(duì)套管抗拉性能的影響還應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬及實(shí)物試驗(yàn)等多種方法進(jìn)行研究分析。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)造成套管螺紋偏心的因素主要有3種：管端彎曲、管端壁厚不均和管端橢圓。

2)按照API強(qiáng)度計(jì)算公式，保證末圈螺紋完整，則套管螺紋偏心對(duì)接頭連接強(qiáng)度無(wú)影響。

3)工廠生產(chǎn)時(shí)應(yīng)盡量避免螺紋偏心的出現(xiàn)，并嚴(yán)格檢驗(yàn)?zāi)┤β菁y是否完整，防止末圈螺紋不完整造成的套管接頭連接強(qiáng)度減弱。

4)應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬及實(shí)物試驗(yàn)等多種方法進(jìn)行研究分析接頭螺紋偏心對(duì)連接強(qiáng)度的影響。