特殊螺紋油套管設計及國內產品現狀分析

戚寶建，張曉玲，樊金俠

（1.中國石油集團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）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

20 世紀60 年代末，有研究人員作出改造API 螺紋接頭結構的提議，不單純是對螺紋實施密封處理，增設專門密封結構提升其整體密封性能，也要增設扭矩臺肩，這是調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展，性能優良的特殊結構陸續被研發，部分產品至今依然有規模化應用，如NEW VAM、FOX 及NSCC 等。我國高度重視特殊螺紋接頭的開發情況，但對其整體質量分析評估發現，其在品種上依然無法滿足很多油氣田開采的現實需求，因此應加強產品設計規劃及完善措施的研究。

1 特殊螺紋接頭的設計研究

從宏觀層面分析，特殊螺紋接頭的結構可被細化為螺紋（T）、密封（S）、扭矩臺肩（D）三大部分（圖1）[1]。密封部位主要通過銜接母扣和公扣局部部位，強化接頭的抗泄漏能力；設計扭矩臺肩是為更準確的調控上扣部位，促使密封面的過盈量處于最適宜狀態，進而增強接頭的密封性。接頭螺紋并不具備密封功能，僅有銜接作用。這就提示在規劃設計螺紋期間，需要應對的問題是在拉伸、彎曲等外部荷載作用下，維持結構完整度，持有較強的使用性能。

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度，二是強化接頭的抗彎曲力。鉤形螺紋的加工條件較為嚴格，若機床精確度偏低、加工流程不規范等，均可能出現齒底臺肩情況。分析多種影響因素以后，擬選用承載面-4°鉤形螺紋。

（2）導向面角度。已有設計實踐表明[2]，當接觸面的摩擦因數高于形半角的正切值時，能有效規避接頭滑脫情況。完善導向面間隙，保證接頭在壓縮作用下，導向面相觸及部位承載的壓縮力不會過高，而扭矩臺肩承載大比例的壓縮載荷，整體分析后，擬選導向面11°。

（3）確定錐度、螺距、齒高。既往有研究指出[3]，伴隨螺距的減縮過程，螺紋持續變形量有增加趨勢，此時自體銜接強度也有上升；螺紋偏高時，有助于預防接頭脫扣失效情況。針對規格為5～7英寸的接頭，錐度、螺距、齒高依次對應為5 牙/英寸、1.58 mm（公）/1.78 mm（母）、1∶16。

1.2 密封結構

目前，國內針對特殊扣接頭的密封設計，錐面/錐面、錐面/球面是常見形式，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勢，故本設計中采用該種形式進行設計。

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

1.3 扭矩臺肩

扭矩臺肩是特殊螺紋設計階段的一項重要內容。在特殊螺紋接頭內，扭矩臺肩的作用以定位、吸收多余扭矩及輔助強化密封性等為主。應加強扭矩臺肩厚度指標的設計，確保其持有足夠的厚度，這是增強其抗壓性能的重要途徑；待依照設計圖紙聯合應用密封面后，在徑向力的作用下，扭矩臺肩形體會出現不同程度改變。增加臺肩厚度，能間接改善接頭的抗壓性，但若臺肩厚度超出限定值，將會增加彈性變形的難度，誘導密封面粘結過程。因此，在設計階段，建議依照規格、壁厚以及螺紋過盈量等指標，將臺肩厚度設定為4～10 mm。

1.4 設計接箍尺寸

接箍外徑（W）的設定，應嚴格遵照接箍的危險截面略微大于管體截面的規格，確保接箍的銜接強度高于管體的銜接強度。接箍的設計長度，應以螺紋嚙合長為參照。擰緊接頭后，應對齊接箍通孔、管體內徑平，這是解除紊流情況的有效措施之一。

2 國內特殊螺紋油套管產品介紹

2.1 寶鋼BGC 型

BGC 型套管螺紋密封設計原理：增設金屬-金屬密封結構，以彈性過盈配合為支撐，促進公、母頭金屬表面銜接過程，保證了接頭銜接處的密封性。BGC 型套管設計特殊螺紋是為迎合油氣井開采作業提出的特殊要求，與標準API 扣進行對比分析，其結構設計的特殊性主要表現在4 個方面[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、導向面角分別為3°和10°，從根本上確保了接頭抗拉強度高于管體，維護了套管結構的完整度。并且，對螺紋中徑加以完善，借此方式調控螺紋過盈量，提升螺紋上扣結構的完整度。

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

（3）扭矩臺肩。選用逆向15°扭矩臺肩，可更為精準地調控上扣扭矩，消除API 扣上扣出以及扭矩范疇對接頭性能發揮形成的不利影響，促進接頭耐粘扣性、抗過扭矩水平同步提升[5]。

（4）內表面。扭矩臺肩位置與管體側內徑交匯位置的設計質量，影響接頭的抗腐蝕性能，擬將其設計為平滑過渡。

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成，參照API 偏梯型螺紋規劃設計螺紋齒形。在該系列接頭內，螺紋起到的作用以傳導載荷為主，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應的設計要求后，密封面端部（公）與接箍中扭矩臺肩實現對頂。而處于過盈狀態下的密封面有強化氣密封水平的功能。

綜合多種因素后，認為PRE-CUT 系產品結構規劃設計具有合理性特征，其密封性能優良、銜接強度處于較高層面。在室溫環境下開展試驗研究，發現其最高壓力大于級配、規格尺寸相持平管體的內屈服強度，在復雜的彎曲條件下，接頭不發生或很少發生泄漏事件。另外，本系列接頭產品持有的銜接強度和管體屈服強度相毗鄰，提示該產品在深井開采環境中能表現出較大的實用價值。為優化本系列產品的整體設計效果，在實踐中應科學選擇密封面參數，大體上囊括3 個特征[6]：①選用金屬-金屬密封；②負角的扭矩臺肩有完善化的止扣性；③內孔平整、相互對齊，有益于增強接頭的實用性能，減少對突出位點形成的損傷。在設計螺紋過盈度時，要求在擰緊接頭后，接箍外表層有相對較低的環向應力，有益于強化接頭的抗腐蝕性，維護其使用過程的安穩性。

2.3 無錫西姆萊斯WSP 系

該產品設計階段，將API 的偏梯形螺紋設作為參照范本，科學調整了螺距、齒高、緊密距等諸多參數，選用了錐度是1∶16的偏梯形螺紋。為強化接頭的密閉性，擬定選用金屬-金屬結構，充分利用其徑向過盈量。產品選用15°逆向臺肩，在扭力支撐下順利抵達端面的密封設計標準，構建多級式密封，精確調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，明顯增強了接頭的抗泄漏性能。

有關人員在全面分析WSP-1T 型接頭性能優勢的基礎上，以其為基礎設計了WSP-2T 型接頭，是進一步強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，在長度指標上有適度延展，為提升螺紋承載性能奠定基礎。為提升WSP-2T 型接頭的密封性，選用內螺紋球面/外螺紋球面，適度拓展球面弧度，目的是擴增密封接觸面積、降低密封面承載的接觸壓力。選用雙級臺肩設計扭矩臺肩，內外臺肩都選用直角臺肩。

3 結束語

為提升深井油田資源的開采效果，不應長期使用符合API標準的油套管，應加大油套管性能的改善力度。在設計、研發特殊螺紋油套管過程中，加強螺紋、密封及扭矩臺肩等多個部分結構的完善，力求最大限度提升管柱的完整性、密封性及適用性。盡管目前我國在特殊螺紋油套管產品研發方面已取得一定進展，但創新、優化的腳步不能停止。應加強套管設計流程與現代電子技術的深度融合過程，借此方式進一步優化產品設計效果，為油田行業發展做出更大貢獻。