大口徑特殊套管接頭TP-QR的開發(fā)

朱德旺，梅 麗

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

大口徑特殊套管接頭TP-QR的開發(fā)

朱德旺，梅 麗

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

針對13.375in及以上的大口徑API套管接頭存在的上扣速度慢、接頭應(yīng)力高、上扣控制難等問題，研制了專用于大口徑快速上扣的套管特殊接頭TP-QR。該產(chǎn)品通過了ISO 13679 CAL II實物性能試驗，其抗粘扣性能、密封完整性、結(jié)構(gòu)完整性達到了產(chǎn)品設(shè)計要求，并在油田完成了下井使用。

大口徑套管；特殊螺紋接頭；TP-QR；開發(fā)

1 引言

基于API大口徑套管接頭[1-2]在下井過程中容易發(fā)生的上扣速度慢、對扣困難、容易錯扣、粘扣以及密封能力較差的缺陷，國內(nèi)外主要的石油用管生產(chǎn)廠相繼開發(fā)了各自的大口徑特殊扣產(chǎn)品來替代API接頭。國際上的主流產(chǎn)品有Tenaris公司的ER、V&M公司的BIG OMEGA[3]及DINO VAM等，而我國對大口徑套管特殊扣的開發(fā)研究比較少。為此，天津鋼管制造有限公司結(jié)合油田的實際情況，設(shè)計開發(fā)了一種專門用于13．375 in及以上的API套管接頭TP-QR[4]，產(chǎn)品進行了有限元分析計算和ISO 13679 CAL II[5]試驗，其上扣完整性、密封完整性和結(jié)構(gòu)完整性都達到了產(chǎn)品設(shè)計要求。現(xiàn)在TPQR已經(jīng)開始批量供貨，并已經(jīng)在油田下井使用。

2 特殊扣套管接頭TP-QR螺紋結(jié)構(gòu)特點

2．1 齒形特點

TP-QR螺紋的承載側(cè)-4°，導(dǎo)入側(cè)20°，螺距為3牙/in，錐度為1：12，負的承載側(cè)角能夠避免接頭在拉伸載荷作用下的滑脫失效，大螺距的粗牙螺紋能保證在現(xiàn)場操作時，上扣速度快、容易對扣、不易錯扣，如圖1所示。

圖1 TP-QR齒形結(jié)構(gòu)圖

2．2 上扣特點

API套管上扣靠測量J值和扭矩以及三角形標記控制上扣。TP-QR的接箍中部有扭矩臺肩，在擰接上扣過程中，管子的公螺紋和接箍上的母螺紋旋緊配合在一起直至開始發(fā)生過盈，產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力。當管端和接箍中部的扭矩臺肩接觸時，上扣扭矩立即快速上升到達設(shè)計的扭矩值時自動停止，方便了施工人員的操作。并且在管端公螺紋消失處打印三角形標記輔助上扣的控制，確保每一根TP-QR套管都能夠上扣到最佳位置。TP-QR上扣后的軸向過盈量低于API螺紋，螺紋間的接觸應(yīng)力更合理，有利于提高接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能和降低粘扣的風(fēng)險。

3 TP-QR特殊扣有限元計算分析

根據(jù)油田使用的典型規(guī)格，對J55 ?339．72× 12．19 mm TP-QR套管行有限元計算。根據(jù)套管接頭的結(jié)構(gòu)和受力特點，將其按軸對稱問題處理，建立軸對稱有限元模型。應(yīng)力分布云圖如圖2所示。由圖2可知，TP-QR各牙螺紋的等效應(yīng)力很低，沒有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以抗粘扣效果好。

這個規(guī)格的TP-QR接頭在軸向拉伸4516kN（相當于管體屈服強度的95%）下等效應(yīng)力分布如圖3所示。在軸向拉伸載荷下，而TP-QR除了最后幾牙不完整螺紋等效應(yīng)力較大接近管體屈服強度外，其余各牙螺紋等效應(yīng)力較小。

圖2 TP-QR在上扣后的等效應(yīng)力云圖分布

圖3 TP-QR在軸向拉伸載荷下的等效應(yīng)力云圖分布

4 全尺寸實物試驗

全尺寸實物性能試驗是檢驗油套管接頭新產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，TP-QR特殊扣接頭按照ISO 13679 CAL II進行試驗，進行上卸扣試驗、復(fù)合力及極限載荷試驗。試驗規(guī)格為J55 ?339．72×12．19 mm。

4．1 上卸扣試驗

套管進行了 4上 4卸試驗，螺紋脂采用Bestolife 2000，接箍涂層磷化。圖4是該TP-QR在4上4卸后的形貌。在4上4卸后，公母螺紋都扣型完好。

4．2 復(fù)合力試驗

復(fù)合力試驗包括B系試驗和C系試驗，B系列試驗是常溫下材料VME曲線第一和第二象限的循環(huán)試驗，包括拉伸/壓縮+彎曲+內(nèi)壓試驗，C系列試驗是熱/內(nèi)壓與拉伸循環(huán)試驗，壓力介質(zhì)是N2。管體實測的屈服強度447 MPa，管體實測壁厚最小壁厚11．58 mm計算載荷。

B系試驗的除了9點外，其余各點都在VME= 95%的材料屈服強度的曲線上，9點的壓縮載荷相當于管體屈服強度的50%。表1和圖5是B系試驗載荷步。在B系試驗順利完成后，才能進行C系試驗。圖6是C系試驗載荷步。試驗在3 000 t復(fù)合加載試驗機上完成，試驗過程中未發(fā)生任何泄漏，試驗接頭滿足密封完整性要求。

圖4 J55 ?339.72×12.19 mm TP-QR 4上4卸后形貌

5 TP-QR油田下井

J55?508．0×12．7 mmTP-QR在國內(nèi)某油田使用，下套管深度350 m，在下井過程中一次順利入井，上

表1 B系試驗載荷步

圖5 ISO 13679 II級B系試驗載荷點示意圖

圖6 ISO 13679 CAL II C試驗載荷點示意圖

扣速度快、上扣扭矩適中、位置準確、操作方便。

6 結(jié)論

TP-QR是一種用于大口徑快速上扣的特殊扣接頭，對扣方便，不易錯扣。上扣后各個螺紋的應(yīng)力分布較API接頭均勻，不易粘扣。TP-QR通過ISO 13679 CAL II試驗，具有可靠接頭的連接強度和密封能力。基于以上性能，TP-QR可代替大口徑的API螺紋接頭套管，廣泛用于表層套管。

[1] API 5B標準規(guī)范(15版)[S]．

[2]API5CT套管和套管規(guī)范（9版）[S]．

[3]許志倩．非API標準Big Omega特殊螺紋接頭[J]．石油礦場機械，2009，38（6）：34-39．

[4]ISO 13679，2002油套管接頭性能評價方法[S]．

Development of TP-QR Connector for Large Diameter Special Casing

ZHU De-wang and MEI Li
(Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

In order to tackle with the problems of slow make-up speed,big connection stress and difficult make-up control of the connector for API oil casing with diameter of 13．375 inch and above, TP-QR special connector dedicated for large diameter casing with fast make-up speed was developed．The new product passed ISO 13679 CAL II full scale property test,and its anti-galling property,sealing integrity and structure completeness meet product design requirements．The product was successfully used in oil field．

large diameter casing;special threaded connector;TP-QR;development

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．003

2013-09-15

2013-10-12

朱德旺（1969—），男，工程師，主要從事技術(shù)服務(wù)方面的研究工作。