非API規格偏梯形套管螺紋的開發

張垂貴

(衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽421001)

非API規格偏梯形套管螺紋的開發

張垂貴

(衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽421001)

為了滿足特殊井況結構螺紋接頭的需要，提出了非API規格套管設計方法，在原有API偏梯形螺紋齒形和參數的基礎上，重新設計計算了中徑、完整螺紋長度、管端至消失點總長度、接箍鏜孔直徑、管端至三角形標志長度和全頂螺紋長度等6項參數，對設計的非API規格偏梯形螺紋套管進行了有限元分析，并進行了拉伸試驗和靜水壓試驗。結果表明，設計的非API規格偏梯形螺紋套管性能滿足相關標準要求，其抗拉伸及抗內壓性能達到管體100％，抗壓縮性能達到管體40％。

偏梯形螺紋；非API；套管；設計

油套管螺紋接頭分為API螺紋接頭和特殊螺紋接頭，API螺紋接頭較為常用。特殊螺紋接頭一般設計有專門的密封和臺肩結構，其密封性和抗載荷能力要強于API螺紋，多用于井況較為復雜的深井。但是，特殊螺紋接頭加工檢驗復雜，價格昂貴。趨于綜合考慮，部分油田在使用連接強度高的偏梯形螺紋的基礎上，采用非API規格偏梯形螺紋套管取代部分API規格偏梯形螺紋套管，達到增加環空間隙或者增加套管層次等目的，從而提高固井質量或提高井身結構安全系數。

1 非API規格偏梯形螺紋的設計

1.1 參考API偏梯螺紋相近規格可確定的參數

設計的非API規格偏梯螺紋齒形仍然采用API偏梯形螺紋齒形，螺紋的承載面角度、導向面角度、齒高、錐度及螺距均與API偏梯形螺紋相同。除螺紋齒型外，API 5B標準中偏梯形套管螺紋尺寸共計14項，其中套管標稱外徑D、大端直徑D4、每英寸螺紋牙數、不完整螺紋長度g、機緊后管端至接箍中心距離J、手緊后管端至接箍中心距離Jn、接箍端面至E7面長度、手緊緊密距牙數A這8項可以直接參考API偏梯螺紋相近規格直接確定。

1.2 需通過計算設計的螺紋參數

非API規格偏梯形螺紋需要設計的參數共有6項，分別為中徑E7、完整螺紋長度L7、管端至消失點總長度L4、接箍鏜孔直徑Q、管端至三角形標志長度A1、全頂螺紋長度Lc，這6項參數之間的關系為

16in及以上規格時，E7=D-0.062in。

16in及以上規格時，Q＝D+0.154in。

16in及以上規格時，A1=L4+0.2in。

以上關系中，1in=25.4mm，從這些關系式中可以看出，只要確定出螺紋長度L7，其余參數都可以確定。

研究[3]表明，在拉伸載荷作用下，螺紋具有根部切變(沿滑移B)和塑性脫扣切變(沿滑移A)的趨勢，如圖1所示。各齒形的滑移長度見表1。

圖1 螺紋剪切失效示意圖

表1 拉伸載荷下螺紋齒形滑移參數 mm

螺紋失效是沿滑移A塑性脫扣，如果螺紋的連接強度大于管體，則必須滿足

式中：n—嚙合螺紋牙數；

τ—剪切屈服強度，MPa；

σ—屈服強度，MPa，σ/τ≈3；

l—滑移A的長度，mm；

t—管子壁厚，mm。

根據以上原理，并參照相近API規格的L7長度，可確定螺紋參數。

接箍外徑W的選取原則是保證接箍的危險截面積約大于管體截面積，使接箍的連接強度大于管體連接強度，簡化模型如圖2所示。

圖2 簡化接箍模型

根據API 5C3，危險截面的大小Ac計算為

其中，當外徑為127～339.7mm時，I=12.7mm；當外徑＞339.7mm時，I=9.5mm。

另外，可根據公式NL=(L4+Jn-A)×2計算出接箍的最小長度，從而可以得出設計的250.8mm(9.875in)規格套管螺紋參數，見表2。

表2 非API規格偏梯形螺紋設計參數

2 非API規格偏梯形螺紋的有限元分析

2.1 模型網格劃分

采用大型非線性有限元分析軟件MSC.Marc/Mentat對設計的非API規格偏梯形螺紋進行建模和分析，由于螺紋的螺旋升角很小，忽略其影響，把接頭視為軸對稱結構。接頭的材料為低合金鋼，視為均勻的各向同性體。接觸面的摩擦系數與螺紋脂類型有關，本計算接頭中各接觸面的摩擦系數取0.02[4]。選用的單元類型為軸對稱三結點三角形實體單元，模型的有限元劃分以及螺紋部分網格的局部細分如圖3所示。

圖3 非API規格偏梯形螺紋網格劃分

2.2 計算結果

以N80鋼級Φ250.83mm×115.88mm套管為例，模型的材料特性參考API SPEC 5CT標準及文獻[5]，對N80套管的材料特性進行檢測，結果見表3。

表3 N80鋼級Φ250.83mm×115.88mm套管的材料特性

2.2.1 上扣

偏梯形套管機緊上扣按三角形位置控制，接箍進入三角形底邊前一牙為最小機緊，此時螺紋上扣過盈量為0.238mm；接箍端面正好到達三角形底邊，為最佳機緊位置，螺紋上扣過盈量為0.397mm；接箍端面到達三角形頂點為最大機緊位置，此時螺紋上扣過盈量為0.694mm。3種機緊位置接頭的應力分布如圖4所示。

從圖4可以看出，管體端部應力較高，從管體端部到管體螺紋消失部分應力逐漸下降；接箍端部應力較高，從接箍端部到接箍中部應力逐漸下降。最小機緊位置上扣時，最高應力分布在接箍端部，最大應力不超過350MPa；最佳機緊位置上扣時，接箍端部由于壁薄，變形大，接箍端部完整螺紋的第一扣和第二扣局部已接近屈服，最高應力達到550MPa；最小和最佳機緊位置上扣時，管體均未發生屈服；最大機緊位置上扣時，接箍端部和管體端部大部分已屈服，但此時管體屈服部分并未擴大至管體危險截面及接箍危險截面，不會影響管體拉伸性能。

圖4 3種機緊位置接頭的應力分布

2.2.2 上扣+拉伸

螺紋接頭按最佳位置上扣后，繼續施加拉伸載荷，拉伸載荷逐漸增大至管體屈服強度，根據計算得出管體屈服強度為6 465kN。不同拉伸載荷下螺紋接頭上扣應力應變情況如圖5所示。

從圖5可以看出，拉伸載荷達到80％管體屈服時，管體發生局部屈服；拉伸載荷達到100％管體屈服時，管體屈服區域擴大，接箍大端前兩扣有輕微的塑性變形，但接頭并未發生斷裂失效，說明接頭的拉伸強度大于管體屈服強度。

圖5 不同拉伸載荷下螺紋接頭上扣應力應變情況

2.2.3 上扣+內壓

螺紋接頭按最佳位置上扣后繼續施加內壓，內壓值按管體屈服內壓計算(61.1MPa)，其等效應力分布如圖6所示。由圖6可見，接箍局部已經屈服，其覆蓋的管體部分并未屈服，接箍危險截面的位置也未發生屈服，截圖未發生失效。

圖6 螺紋接頭最佳位置上扣并施加內壓后的等效應力分布

2.2.4 上扣+壓縮

螺紋接頭最佳位置上扣后繼續施加壓縮，壓縮值按管體屈服強度的40％計算(2 585kN)，施加壓縮后的應力分布如圖7所示。由圖7可以看出，施加壓縮后，只在管體首扣以及接箍端面前兩扣發生局部屈服，接頭并未發生失效。

圖7 螺紋接頭最佳位置上扣并施加壓縮后的等效應力分布

3 非API偏梯形螺紋套管實物性能試驗

3.1 試驗準備

試驗采用P110鋼級Φ200.03mm×10.92mm套管，準備6根材料性能和螺紋參數均合格的試樣，將試樣分為2組，Y組3根，編號分別為Y1、Y2和Y3；Z組3根，編號分別為Z1、Z2和Z3。Y組試樣A端進行3次上卸扣，之后拉伸至失效；Z組試樣A端進行3次上卸扣，之后靜水壓及內壓至失效。

3.2 試驗結果

對兩組試樣分別進行上卸扣試驗，均未發生螺紋粘扣現象。Y組試樣拉伸至失效檢測結果見表4。Z組試樣靜水壓及內壓試驗結果見表5。從表4和表5可以看出，試樣拉伸和靜水壓試驗結果均滿足標準要求。

表4 Y組試樣拉伸試驗結果

表5 Z組試樣靜水壓試驗結果

4 結 論

根據API偏梯形套管已有的設計規律，研究設計出非API規格的偏梯形螺紋套管，并對其進行了有限元分析和全尺寸評價試驗，試驗結果均滿足標準要求。設計的非API規格偏梯形螺紋套管的抗拉伸、抗內壓性能達到管體100％，抗壓縮性能達到管體40％。

[1]API SPEC 5B，套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規范[S].

[2]API SPEC 5C3，石油天然氣工業套管、油管、鉆桿和管線管性能計算[S].

[3]高連新.WSP特殊螺紋接頭油井管的研制[J].石油機械，2003，31(9):6-7.

[4]高連新，金燁，史交齊.圓螺紋套管的滑脫機理研究[J].鋼鐵，2005，40(7):3-4.

[5]夏佑廣.HSM-2特殊螺紋套管接頭設計分析[J].焊管，2016(4):2-3.

[6]肖建秋，彭高.API偏梯形螺紋接頭極限抗拉能力分析[J].石油礦產機械，2008，37(3):53-56.

[7]KWON W Y，KLEMENTICH E F，KO I K.An efficient and accurate model for the structural analysis of threaded tubular connections[J].SPE Production Engineering，1990，5(4)：261～264.

[8]MICHAEL J，MANUEL A D.How to evaluate and select premium casing connections[C]//SPE/IADC Drilling Conference.NewOrleans，Louisiana：SocietyofPetroleumEngineers，1996.

[9]API RP 5C5—2003，油套管螺紋連接性能評價方法[S].

[10]API 5CT，套管和油管規范[S].

Non-API Specification Buttress Casing Thread Development

ZHANG Chuigui
(Hengyang Valin Steel Tube Co.,Ltd.,Hengyang 421001,Hunan,China)

In order to meet the requirements of the special well conditions structure thread joint,the non-API specification casing design method was put forward.Based on the original API buttress thread tooth shape and parameters,it redesigned and calculated 6 parameters,including the pitch diameter,complete thread length,the total length from pipe end to the vanishing point,coupling bore diameter,the length from pipe end to the triangle mark,and the top thread length.The finite element analysis was carried out for the designed non-API specification buttress thread casing,and conducted tensile test and hydrostatic test.The results indicated that the performance of the designed non-API specification buttress thread casing meet the requirements of relevant standards,its tensile resistance,internal pressure resistance performance achieved 100％of the pipe,the compression resistance achieved 40％of the pipe.

buttress thread;non-API;casing;design

TG113.225

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.006

張垂貴(1983—)，男，工程師，主要從事油套管特殊螺紋接頭研發工作。

2016-07-14

李 超