油套管雙頭螺紋接頭開發(fā)試驗(yàn)研究

孫建安，盧小慶，呂慶剛

（1. 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2. 中石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011）

油套管是石油天然氣開采中必不可少的重要物資，通過油管和套管建立地下油氣藏儲層和地面開采設(shè)備之間的連接通道［1］。油管和油管之間以及套管和套管之間都需要采用螺紋接頭進(jìn)行連接，螺紋接頭的性能直接影響了油管管柱和套管管柱的使用性能，高效快速的螺紋接頭有助于提升井下作業(yè)效率，降低油氣開采成本［2-3］。

雙頭螺紋是一種在接頭上具備兩條螺紋螺旋槽的螺紋連接形式。與常規(guī)單頭螺紋相比，雙頭在相同螺距情況下導(dǎo)程加倍，上扣速度可以提升100%。目前雙頭螺紋形式在油套管螺紋接頭上應(yīng)用較少［4-5］。為了驗(yàn)證雙頭螺紋形式的加工工藝和使用性能，選取Φ95 mm×8 mm P110 規(guī)格特殊螺紋接頭進(jìn)行了雙頭螺紋接頭的有限元分析、加工工藝研究以及實(shí)物性能驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 產(chǎn)品規(guī)格及技術(shù)參數(shù)

該特殊螺紋接頭選用了外加厚直連型螺紋接頭結(jié)構(gòu)，采用了雙臺肩結(jié)構(gòu)以及全嚙合齒形。借助雙臺肩結(jié)構(gòu)，接頭具備較好的抗扭性能，滿足井下異常扭轉(zhuǎn)需求；全嚙合齒形提供了一定的氣密封能力，滿足了低壓條件下接頭氣密封性能要求。此外通過接頭微加厚設(shè)計(jì)，提升了接頭連接強(qiáng)度，便于提升管柱承載能力［6］。為驗(yàn)證雙頭螺紋性能，對Φ95 mm×8 mm P110 油管接頭螺紋采用雙線程加工。Φ95 mm×8 mm P110 油管特殊螺紋接頭參數(shù)及性能見表1~2，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1~2 所示。

表1 Φ95 mm×8 mm P110 油管特殊螺紋接頭參數(shù)

表2 Φ95 mm×8 mm P110 油管性能參數(shù)

圖1 Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭結(jié)構(gòu)示意

圖2 雙頭螺紋示意

2 雙頭螺紋接頭有限元分析

利用有限元軟件對Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭進(jìn)行強(qiáng)度校核。有限元分析平臺為Abaqus，結(jié)合產(chǎn)品尺寸參數(shù)建立平面軸對稱模型進(jìn)行強(qiáng)度分析。

2.1 有限元模型

接頭有限元模型基于接頭產(chǎn)品尺寸要求建立。Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭有限元模型如圖3 所示。油套管接箍及管體具備軸向?qū)ΨQ特性，而且螺紋的螺旋升角非常小（小于2.0°），同時(shí)計(jì)算中考慮的拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓、高溫等載荷條件均為對稱載荷，為此將接頭結(jié)構(gòu)簡化為二維軸對稱模型。為消除邊界效應(yīng)，管體不帶螺紋的部分長度應(yīng)大于。產(chǎn)品材料性能參照了API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》推薦數(shù)據(jù)［7］。在二維軸對稱模型中，雙頭螺紋與普通單頭螺紋結(jié)構(gòu)形式基本一致。

圖3 Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭有限元模型示意

2.2 上扣有限元分析

Φ95 mm×8 mm P110 油管接頭上扣結(jié)束應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖4 所示。分析表明，該油管接頭上扣結(jié)束應(yīng)力分布均勻，等效應(yīng)力水平低，無明顯應(yīng)力集中點(diǎn)。

圖4 Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭上扣結(jié)束等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布

2.3 拉伸失效有限元分析

Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭拉伸失效應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖5 所示。可見，在拉伸至100%管體屈服強(qiáng)度（1 657 kN）時(shí)接頭內(nèi)螺紋大端發(fā)生縮頸失效，失效部位表現(xiàn)出明顯等效應(yīng)力增大以及塑性應(yīng)變累積。對有限元分析過程進(jìn)行分解，可知在拉伸達(dá)到80%管體屈服強(qiáng)度時(shí)失效部位開始發(fā)生等效應(yīng)力增大和塑性應(yīng)變累積，表明接頭連接效率為80%，與接頭設(shè)計(jì)參數(shù)一致。從拉伸失效的有限元結(jié)果可知，雙頭螺紋接頭并未降低接頭連接強(qiáng)度。

圖5 Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭拉伸失效等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分布

此外對接頭進(jìn)行了內(nèi)壓爆破、外壓擠毀等有限元失效分析，發(fā)現(xiàn)接頭強(qiáng)度均滿足產(chǎn)品要求。

3 加工工藝研究

在常規(guī)螺紋加工中，一般采用成型刀一次加工完成螺紋成型。隨著管料或刀架的轉(zhuǎn)動，固定于刀桿的螺紋刀進(jìn)行軸向移動，且管料或刀架每轉(zhuǎn)動1圈，螺紋刀移動1 個(gè)螺距，最終形成螺紋齒形。后續(xù)再通過螺紋刀重復(fù)移動完成尺寸加工。而對于雙頭螺紋則需要采用完全不同的加工工藝［8］。

3.1 加工工藝

雙頭螺紋加工可以采用兩種方法，具體如圖6所示。這兩種方法所需要的刀片也有所不同。

圖6 雙頭螺紋不同加工方法示意

（1） 單齒刀兩次加工成型：這種方法采用定制的單齒刀進(jìn)行螺紋加工，管料或刀架每轉(zhuǎn)動1 圈螺紋刀移動2 個(gè)螺距，1 個(gè)螺紋刀移動行程加工出1個(gè)螺紋螺旋槽。第2 個(gè)螺紋螺旋槽需要螺紋刀在完成第1 個(gè)螺紋螺旋槽后移動1 個(gè)螺距，再采用相同的走刀方法再次加工。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是刀片受力小，負(fù)荷低，有利于尺寸控制；缺點(diǎn)是加工效率低。

（2） 雙齒刀一次加工成型：這種方法采用定制雙齒刀進(jìn)行螺紋加工，管料或刀架每轉(zhuǎn)動1 圈螺紋刀移動兩個(gè)螺距，1 個(gè)螺紋刀移動行程同步加工出兩個(gè)螺紋螺旋槽。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是加工效率高；缺點(diǎn)是刀片受力大，螺紋尺寸容易變化［9］。

本試驗(yàn)中采用了單齒刀兩次加工成型的方法進(jìn)行螺紋加工。加工中先按照常規(guī)螺紋加工方法采用兩倍螺距進(jìn)行1 個(gè)螺紋螺旋槽的加工；然后考慮錐度影響將起刀點(diǎn)向螺紋小端移動1 個(gè)螺距，繼續(xù)按照兩倍螺距進(jìn)行第2 個(gè)螺紋螺旋槽加厚。最后通過重復(fù)上述過程完成尺寸成型。

由于雙頭螺紋導(dǎo)程是普通螺紋的兩倍，螺旋升角明顯增大。因此不管采用哪種加工方法，都需要對刀片進(jìn)行單獨(dú)定制，調(diào)整刀片后角，避免因螺旋升角增大造成刀片干涉［10］。

3.2 測量方法

雙頭螺紋油套管接頭的測量與普通單頭螺紋接頭測量內(nèi)容相同，主要包括螺紋中徑、螺紋錐度、螺紋齒高、螺紋錐度，以及完整螺紋長度等項(xiàng)目。其中，中徑、錐度、齒高、完整螺紋長度等項(xiàng)目與普通螺紋接頭檢測方法相同，錐度需要分別檢驗(yàn)兩個(gè)螺紋螺旋槽的錐度變化情況。對于螺距的檢驗(yàn)方法有較大變化，主要體現(xiàn)在現(xiàn)有API 體系螺紋接頭螺距測量方法中都是測量了25.4 mm（1 in）內(nèi)的螺距變化情況，而雙頭螺紋每英寸測量所測得的螺距都是同一螺紋槽的螺距，因此現(xiàn)有螺距量規(guī)無法測量相鄰兩螺紋槽之間的螺距變化情況。為此需要根據(jù)雙頭螺紋螺距情況設(shè)計(jì)專用的螺距量規(guī)，例如本例中8 牙/in 螺距的雙頭螺紋需要設(shè)計(jì)3.175 mm、9.525 mm、15.875 mm 或22.225 mm 的螺距樣塊。

4 實(shí)物試驗(yàn)

按照上述加工和測量方法加工測量5 組Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭并進(jìn)行實(shí)物性能試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括上卸扣、拉伸失效、內(nèi)壓失效、外壓失效等。Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭上卸扣曲線如圖7 所示，其上扣圈數(shù)0.52圈，低于常規(guī)螺紋的上扣圈數(shù)（一般為2~3 圈）。Φ95 mm×8 mm P110 油管接頭的上扣曲線可知，所有接頭引扣后機(jī)緊上扣圈數(shù)均在2 圈以內(nèi)，最大機(jī)緊上扣圈數(shù)為1.9 圈，滿足快速上扣要求［5］。

圖7 Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭上扣曲線

對5 組試樣進(jìn)行了不同的失效試驗(yàn)，具體失效載荷及失效形式見表3。失效載荷均超過了接頭設(shè)計(jì)載荷，失效部位與有限元分析結(jié)果一致。

表3 Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭失效試驗(yàn)記錄

5 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)降低開采成本，提高油套管螺紋接頭的上扣速度是非常必要的。油套管雙頭特殊螺紋接頭憑借上扣速度的提升對提升油套管下井作業(yè)速度有明顯優(yōu)勢。通過Φ95 mm×8 mm P110 油管雙頭螺紋接頭的有限元分析和加工驗(yàn)證以及實(shí)物性能試驗(yàn)表明，雙頭螺紋接頭上扣速度優(yōu)勢明顯，滿足快速上扣要求；同時(shí)接頭的拉伸、內(nèi)壓、外壓、極限扭矩等性能滿足產(chǎn)品使用要求，驗(yàn)證了雙頭螺紋接頭的合理性［11］。