特殊螺紋油套管設(shè)計(jì)及國(guó)內(nèi)產(chǎn)品現(xiàn)狀分析

戚寶建，張曉玲，樊金俠

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司天津石油專用管分公司，天津 300280；2.渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

20 世紀(jì)60 年代末，有研究人員作出改造API 螺紋接頭結(jié)構(gòu)的提議，不單純是對(duì)螺紋實(shí)施密封處理，增設(shè)專門密封結(jié)構(gòu)提升其整體密封性能，也要增設(shè)扭矩臺(tái)肩，這是調(diào)控上扣扭矩與方位的有效方法之一。80 年代以后，特殊螺紋接頭快速發(fā)展，性能優(yōu)良的特殊結(jié)構(gòu)陸續(xù)被研發(fā)，部分產(chǎn)品至今依然有規(guī)?；瘧?yīng)用，如NEW VAM、FOX 及NSCC 等。我國(guó)高度重視特殊螺紋接頭的開(kāi)發(fā)情況，但對(duì)其整體質(zhì)量分析評(píng)估發(fā)現(xiàn)，其在品種上依然無(wú)法滿足很多油氣田開(kāi)采的現(xiàn)實(shí)需求，因此應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃及完善措施的研究。

1 特殊螺紋接頭的設(shè)計(jì)研究

從宏觀層面分析，特殊螺紋接頭的結(jié)構(gòu)可被細(xì)化為螺紋（T）、密封（S）、扭矩臺(tái)肩（D）三大部分（圖1）[1]。密封部位主要通過(guò)銜接母扣和公扣局部部位，強(qiáng)化接頭的抗泄漏能力；設(shè)計(jì)扭矩臺(tái)肩是為更準(zhǔn)確的調(diào)控上扣部位，促使密封面的過(guò)盈量處于最適宜狀態(tài)，進(jìn)而增強(qiáng)接頭的密封性。接頭螺紋并不具備密封功能，僅有銜接作用。這就提示在規(guī)劃設(shè)計(jì)螺紋期間，需要應(yīng)對(duì)的問(wèn)題是在拉伸、彎曲等外部荷載作用下，維持結(jié)構(gòu)完整度，持有較強(qiáng)的使用性能。

1.1 螺紋

圖1 特殊螺紋接頭

（1）選用鉤形螺紋作為承載面。使用鉤形螺紋，一是提高了接頭的拉伸強(qiáng)度，二是強(qiáng)化接頭的抗彎曲力。鉤形螺紋的加工條件較為嚴(yán)格，若機(jī)床精確度偏低、加工流程不規(guī)范等，均可能出現(xiàn)齒底臺(tái)肩情況。分析多種影響因素以后，擬選用承載面-4°鉤形螺紋。

（2）導(dǎo)向面角度。已有設(shè)計(jì)實(shí)踐表明[2]，當(dāng)接觸面的摩擦因數(shù)高于形半角的正切值時(shí)，能有效規(guī)避接頭滑脫情況。完善導(dǎo)向面間隙，保證接頭在壓縮作用下，導(dǎo)向面相觸及部位承載的壓縮力不會(huì)過(guò)高，而扭矩臺(tái)肩承載大比例的壓縮載荷，整體分析后，擬選導(dǎo)向面11°。

（3）確定錐度、螺距、齒高。既往有研究指出[3]，伴隨螺距的減縮過(guò)程，螺紋持續(xù)變形量有增加趨勢(shì)，此時(shí)自體銜接強(qiáng)度也有上升；螺紋偏高時(shí)，有助于預(yù)防接頭脫扣失效情況。針對(duì)規(guī)格為5～7英寸的接頭，錐度、螺距、齒高依次對(duì)應(yīng)為5 牙/英寸、1.58 mm（公）/1.78 mm（母）、1∶16。

1.2 密封結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)特殊扣接頭的密封設(shè)計(jì)，錐面/錐面、錐面/球面是常見(jiàn)形式，在接觸壓力等同的情況下，金屬錐面/錐面在密封效果方面更占優(yōu)勢(shì)，故本設(shè)計(jì)中采用該種形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在局部接觸壓力一定的情況下，通過(guò)擴(kuò)增接觸表面積，有益于提升氣密封壓力，取密封面錐度為18°，擬將接頭密封過(guò)盈量控制在0.4～0.9 mm。結(jié)合相關(guān)公式，計(jì)算密封過(guò)盈量、加工公差。比如，采用177.8×10.36 L80，E=2.07×105MPa，材料屈服強(qiáng)度（I1）、內(nèi)屈服壓力（I2）依次是553 MPa、56.25 MPa；管內(nèi)徑、嚙合面直徑、接箍外徑依次是157.09 mm、176.5 mm、200.02 mm，計(jì)算得I1=0.83，I2=0.44。

1.3 扭矩臺(tái)肩

扭矩臺(tái)肩是特殊螺紋設(shè)計(jì)階段的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在特殊螺紋接頭內(nèi)，扭矩臺(tái)肩的作用以定位、吸收多余扭矩及輔助強(qiáng)化密封性等為主。應(yīng)加強(qiáng)扭矩臺(tái)肩厚度指標(biāo)的設(shè)計(jì)，確保其持有足夠的厚度，這是增強(qiáng)其抗壓性能的重要途徑；待依照設(shè)計(jì)圖紙聯(lián)合應(yīng)用密封面后，在徑向力的作用下，扭矩臺(tái)肩形體會(huì)出現(xiàn)不同程度改變。增加臺(tái)肩厚度，能間接改善接頭的抗壓性，但若臺(tái)肩厚度超出限定值，將會(huì)增加彈性變形的難度，誘導(dǎo)密封面粘結(jié)過(guò)程。因此，在設(shè)計(jì)階段，建議依照規(guī)格、壁厚以及螺紋過(guò)盈量等指標(biāo)，將臺(tái)肩厚度設(shè)定為4～10 mm。

1.4 設(shè)計(jì)接箍尺寸

接箍外徑（W）的設(shè)定，應(yīng)嚴(yán)格遵照接箍的危險(xiǎn)截面略微大于管體截面的規(guī)格，確保接箍的銜接強(qiáng)度高于管體的銜接強(qiáng)度。接箍的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，應(yīng)以螺紋嚙合長(zhǎng)為參照。擰緊接頭后，應(yīng)對(duì)齊接箍通孔、管體內(nèi)徑平，這是解除紊流情況的有效措施之一。

2 國(guó)內(nèi)特殊螺紋油套管產(chǎn)品介紹

2.1 寶鋼BGC 型

BGC 型套管螺紋密封設(shè)計(jì)原理：增設(shè)金屬-金屬密封結(jié)構(gòu)，以彈性過(guò)盈配合為支撐，促進(jìn)公、母頭金屬表面銜接過(guò)程，保證了接頭銜接處的密封性。BGC 型套管設(shè)計(jì)特殊螺紋是為迎合油氣井開(kāi)采作業(yè)提出的特殊要求，與標(biāo)準(zhǔn)API 扣進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性主要表現(xiàn)在4 個(gè)方面[4]：

（1）選用偏梯形螺紋。該類螺紋銜接效率處于較高水平，承載面角、導(dǎo)向面角分別為3°和10°，從根本上確保了接頭抗拉強(qiáng)度高于管體，維護(hù)了套管結(jié)構(gòu)的完整度。并且，對(duì)螺紋中徑加以完善，借此方式調(diào)控螺紋過(guò)盈量，提升螺紋上扣結(jié)構(gòu)的完整度。

（2）密封結(jié)構(gòu)。選用徑向型金屬—金屬過(guò)盈結(jié)構(gòu)，該類型結(jié)構(gòu)的氣密性、抗泄漏性均和管體內(nèi)屈服壓力相配套

（3）扭矩臺(tái)肩。選用逆向15°扭矩臺(tái)肩，可更為精準(zhǔn)地調(diào)控上扣扭矩，消除API 扣上扣出以及扭矩范疇對(duì)接頭性能發(fā)揮形成的不利影響，促進(jìn)接頭耐粘扣性、抗過(guò)扭矩水平同步提升[5]。

（4）內(nèi)表面。扭矩臺(tái)肩位置與管體側(cè)內(nèi)徑交匯位置的設(shè)計(jì)質(zhì)量，影響接頭的抗腐蝕性能，擬將其設(shè)計(jì)為平滑過(guò)渡。

2.2 天津PRE-CUT 系

接箍連接是TP-CQ 系特殊螺紋接頭的主要連接形式，螺紋與錐形密封是接頭的主要構(gòu)成，參照API 偏梯型螺紋規(guī)劃設(shè)計(jì)螺紋齒形。在該系列接頭內(nèi)，螺紋起到的作用以傳導(dǎo)載荷為主，基本上不具備氣密封功效。在接頭擰緊、銜接效果符合上扣扭矩對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)要求后，密封面端部（公）與接箍中扭矩臺(tái)肩實(shí)現(xiàn)對(duì)頂。而處于過(guò)盈狀態(tài)下的密封面有強(qiáng)化氣密封水平的功能。

綜合多種因素后，認(rèn)為PRE-CUT 系產(chǎn)品結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)具有合理性特征，其密封性能優(yōu)良、銜接強(qiáng)度處于較高層面。在室溫環(huán)境下開(kāi)展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其最高壓力大于級(jí)配、規(guī)格尺寸相持平管體的內(nèi)屈服強(qiáng)度，在復(fù)雜的彎曲條件下，接頭不發(fā)生或很少發(fā)生泄漏事件。另外，本系列接頭產(chǎn)品持有的銜接強(qiáng)度和管體屈服強(qiáng)度相毗鄰，提示該產(chǎn)品在深井開(kāi)采環(huán)境中能表現(xiàn)出較大的實(shí)用價(jià)值。為優(yōu)化本系列產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)效果，在實(shí)踐中應(yīng)科學(xué)選擇密封面參數(shù)，大體上囊括3 個(gè)特征[6]：①選用金屬-金屬密封；②負(fù)角的扭矩臺(tái)肩有完善化的止扣性；③內(nèi)孔平整、相互對(duì)齊，有益于增強(qiáng)接頭的實(shí)用性能，減少對(duì)突出位點(diǎn)形成的損傷。在設(shè)計(jì)螺紋過(guò)盈度時(shí)，要求在擰緊接頭后，接箍外表層有相對(duì)較低的環(huán)向應(yīng)力，有益于強(qiáng)化接頭的抗腐蝕性，維護(hù)其使用過(guò)程的安穩(wěn)性。

2.3 無(wú)錫西姆萊斯WSP 系

該產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，將API 的偏梯形螺紋設(shè)作為參照范本，科學(xué)調(diào)整了螺距、齒高、緊密距等諸多參數(shù)，選用了錐度是1∶16的偏梯形螺紋。為強(qiáng)化接頭的密閉性，擬定選用金屬-金屬結(jié)構(gòu)，充分利用其徑向過(guò)盈量。產(chǎn)品選用15°逆向臺(tái)肩，在扭力支撐下順利抵達(dá)端面的密封設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建多級(jí)式密封，精確調(diào)控螺紋上扣范圍以及扭矩范疇，確保螺紋與密封面間干涉量大小的適宜性，明顯增強(qiáng)了接頭的抗泄漏性能。

有關(guān)人員在全面分析WSP-1T 型接頭性能優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，以其為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了WSP-2T 型接頭，是進(jìn)一步強(qiáng)化接頭抗扭性能的有效方法之一[7]。WSP-2T 型螺紋為API 偏梯形螺紋，在長(zhǎng)度指標(biāo)上有適度延展，為提升螺紋承載性能奠定基礎(chǔ)。為提升WSP-2T 型接頭的密封性，選用內(nèi)螺紋球面/外螺紋球面，適度拓展球面弧度，目的是擴(kuò)增密封接觸面積、降低密封面承載的接觸壓力。選用雙級(jí)臺(tái)肩設(shè)計(jì)扭矩臺(tái)肩，內(nèi)外臺(tái)肩都選用直角臺(tái)肩。

3 結(jié)束語(yǔ)

為提升深井油田資源的開(kāi)采效果，不應(yīng)長(zhǎng)期使用符合API標(biāo)準(zhǔn)的油套管，應(yīng)加大油套管性能的改善力度。在設(shè)計(jì)、研發(fā)特殊螺紋油套管過(guò)程中，加強(qiáng)螺紋、密封及扭矩臺(tái)肩等多個(gè)部分結(jié)構(gòu)的完善，力求最大限度提升管柱的完整性、密封性及適用性。盡管目前我國(guó)在特殊螺紋油套管產(chǎn)品研發(fā)方面已取得一定進(jìn)展，但創(chuàng)新、優(yōu)化的腳步不能停止。應(yīng)加強(qiáng)套管設(shè)計(jì)流程與現(xiàn)代電子技術(shù)的深度融合過(guò)程，借此方式進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果，為油田行業(yè)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。