大口徑特殊套管接頭TP-QR的開發

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

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、結構完整性達到了產品設計要求，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

1 引言

基于API大口徑套管接頭[1-2]在下井過程中容易發生的上扣速度慢、對扣困難、容易錯扣、粘扣以及密封能力較差的缺陷，國內外主要的石油用管生產廠相繼開發了各自的大口徑特殊扣產品來替代API接頭。國際上的主流產品有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研究比較少。為此，天津鋼管制造有限公司結合油田的實際情況，設計開發了一種專門用于13．375 in及以上的API套管接頭TP-QR[4]，產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、密封完整性和結構完整性都達到了產品設計要求。現在TPQR已經開始批量供貨，并已經在油田下井使用。

2 特殊扣套管接頭TP-QR螺紋結構特點

2．1 齒形特點

TP-QR螺紋的承載側-4°，導入側20°，螺距為3牙/in，錐度為1：12，負的承載側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齒形結構圖

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生過盈，產生一定的接觸應力。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，螺紋間的接觸應力更合理，有利于提高接頭的抗應力腐蝕性能和降低粘扣的風險。

3 TP-QR特殊扣有限元計算分析

根據油田使用的典型規格，對J55 ?339．72× 12．19 mm TP-QR套管行有限元計算。根據套管接頭的結構和受力特點，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各牙螺紋的等效應力很低，沒有明顯的應力集中現象，所以抗粘扣效果好。

這個規格的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力較大接近管體屈服強度外，其余各牙螺紋等效應力較小。

圖2 TP-QR在上扣后的等效應力云圖分布

圖3 TP-QR在軸向拉伸載荷下的等效應力云圖分布

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品開發的重要環節，TP-QR特殊扣接頭按照ISO 13679 CAL II進行試驗，進行上卸扣試驗、復合力及極限載荷試驗。試驗規格為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 復合力試驗

復合力試驗包括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試驗，包括拉伸/壓縮+彎曲+內壓試驗，C系列試驗是熱/內壓與拉伸循環試驗，壓力介質是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復合加載試驗機上完成，試驗過程中未發生任何泄漏，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標準規范(15版)[S]．

[2]API5CT套管和套管規范（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，主要從事技術服務方面的研究工作。