石油管螺紋分析研究

于莉(中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠 河北 任丘 062550)

張哲 巢明芳(中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠機(jī)械制造分廠 河北 任丘 062552)

楊剛(北京交通大學(xué) 北京 100081)

一、引言

在石油的勘探開發(fā)過(guò)程中，石油專用管螺紋起著不可替代的作用，其主要分為兩大類：用于油套管連接的油套管接頭螺紋和用于井下工具及鉆柱構(gòu)件連接的石油鉆具接頭螺紋。

二、油套管接頭螺紋

1.石油套管是石油開采中用量極大的機(jī)械加工產(chǎn)品，它利用油套管接箍連接兩根帶螺紋石油管，可使單根油套管連接成為數(shù)百米甚至數(shù)千米，并且能承受數(shù)百大氣壓的長(zhǎng)管柱。由于使用的特殊性，在生產(chǎn)和加工過(guò)程應(yīng)遵循API 5CT及API 5B中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.各種類型螺紋的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)圓螺紋：在套管中分成為短圓（SC）和長(zhǎng)圓（LC）,在油管中分為加厚（EU）和不加厚（NU）.

圓螺紋加工工藝容易、密封性好、有一定的連接強(qiáng)度、維護(hù)和使用都較簡(jiǎn)單并且價(jià)格便宜，因此被大量使用。

(2)偏梯形螺紋：為了提高抗軸向拉伸或抗軸向壓縮載荷能力，同時(shí)提供泄露抗力而設(shè)計(jì)出了偏梯螺紋（BC）,牙型為偏梯形。偏梯形螺紋具有3度承載牙側(cè)面和10度引導(dǎo)牙側(cè)面，所以能承受足夠大拉伸或壓縮載荷。但偏梯形螺紋也有一定的缺點(diǎn)，它的密封性較低，尤其是下井后，在軸向拉力和一定的彎曲應(yīng)力作用下，其抗氣密封壓力進(jìn)一步降低。

3.油套管螺紋的檢測(cè)

螺紋連接是石油管仲最薄弱的環(huán)節(jié)，它的質(zhì)量直接影響到管子的結(jié)構(gòu)完整性和密封性，螺紋的加工精度又是螺紋連接質(zhì)量的重要影響因素之一。在API 5B中，對(duì)螺紋的控制指標(biāo)有很多項(xiàng)要求，錐度、螺距、齒高、牙型角等可借助螺紋單項(xiàng)儀進(jìn)行測(cè)量。但最重要的，也是能綜合反映各單項(xiàng)參數(shù)及表面加工質(zhì)量的參量—緊密距，則需要用工作量規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.存在的問(wèn)題

API的標(biāo)準(zhǔn)螺紋的密封主要是通過(guò)螺紋脂、金屬磷化鍍層以及螺紋之間的嚙合等方法，從而實(shí)現(xiàn)密封作用。近年來(lái)，隨著稠油井、超深井、重腐蝕井等苛刻條件井的開采越來(lái)越多，井底壓力和井內(nèi)溫度日益增高，對(duì)螺紋連接強(qiáng)度和密封性的要求也越來(lái)越高，圓螺紋和偏梯螺紋這些API標(biāo)準(zhǔn)螺紋暴露出的不適應(yīng)性也越來(lái)越多，螺紋的連接強(qiáng)度和密封性能方面都難以滿足鉆井技術(shù)的要求。例如，圓螺紋只能承受管體強(qiáng)度60%～80%的拉伸負(fù)載，而偏梯螺紋在較高內(nèi)壓下的密封性會(huì)變差。

5.發(fā)展趨勢(shì)

隨著鉆采工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有高強(qiáng)度、高密封性的特殊扣螺紋在世界大石油專用管生產(chǎn)商中已陸續(xù)開發(fā)出來(lái)，并得到了較廣泛的應(yīng)用。特殊螺紋具有防漏、多重密封、高抗拉，非常適合在腐蝕性環(huán)境中使用。特殊扣螺紋主要在密封性、扭矩臺(tái)肩和螺紋三部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

(1)特殊螺紋扣密封設(shè)計(jì)：特殊螺紋不在單純靠螺紋脂和螺紋過(guò)盈來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，而是增加了主密封結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了多級(jí)密封能力，大大增加了抗泄露力。

(2)特殊螺紋扭矩臺(tái)肩設(shè)計(jì)：特殊螺紋增加了定位控制，提高了其抗粘扣性能和抗過(guò)扭矩能力。通過(guò)控制螺紋和密封的干涉量，保證了主密封的過(guò)盈配合能達(dá)到最佳實(shí)現(xiàn)，提高了抗壓縮和抗彎曲的能力。

(3)特殊螺紋的設(shè)計(jì)：螺紋的設(shè)計(jì)普遍是建立在偏梯形螺紋基礎(chǔ)上，在形狀方面也有所適當(dāng)變化，采用了鉤形螺紋或楔形螺紋。通過(guò)在承載面、加工公差上進(jìn)行了調(diào)整改進(jìn)，來(lái)減小螺紋干涉量，改善應(yīng)力分布。

特殊扣螺紋目前在國(guó)內(nèi)外都得到了大力發(fā)展，但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品還存在不小差距，這需要國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)一步加大特殊扣螺紋的研發(fā)工作，以滿足市場(chǎng)需求。

三、鉆具接頭螺紋

1.鉆具接頭螺紋的主要應(yīng)用

API SPEC 7中稱鉆具接頭螺紋為“旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩連接”，它是石油鉆探行業(yè)中最主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)，廣泛用于如鉆鋌、鉆桿及轉(zhuǎn)換接頭等鉆井工具及鉆柱構(gòu)件的連接。鉆具接頭螺紋通過(guò)軸向位移來(lái)補(bǔ)償連接部分直徑誤差，因此它具有可互換程度高、結(jié)合緊密和裝拆容易等特點(diǎn)。

2.鉆具螺紋的檢測(cè)

鉆具螺紋在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中必須按照API規(guī)定利用螺紋工作規(guī)檢測(cè)螺紋的緊密距，并按一定的檢驗(yàn)周期頻率用鉆具單項(xiàng)儀進(jìn)行螺距和錐度等數(shù)據(jù)的檢測(cè)。

在使用現(xiàn)場(chǎng)，可使用牙型規(guī)對(duì)已磨損的鉆具檢測(cè)螺紋牙的磨損情況。一般要求為：若剩余牙頂高不得低于原牙頂高的三分之二，剩余的牙頂寬度不低于原牙頂寬度的二分之一，磨損牙數(shù)不得超過(guò)3.5牙時(shí)，該鉆具螺紋仍可繼續(xù)使用。否則，應(yīng)進(jìn)行修理。

3.鉆具螺紋的失效

鉆桿接頭主要失效類型有以下幾種：

(1)斷裂：在接頭最末完全扣處的應(yīng)力往往最大，斷裂通常發(fā)生在此處

(2)粘扣或脹扣:通常發(fā)生在有較高軸向壓力的情況下，外螺紋強(qiáng)制進(jìn)入內(nèi)螺紋，便引起內(nèi)螺紋粘扣或脹扣，而造成連接失效。

(3)滑扣：當(dāng)螺紋錐度較大時(shí)，上緊圈數(shù)未達(dá)到適當(dāng)?shù)娜?shù)，而扭矩此時(shí)便已達(dá)到推薦值，這時(shí)承受軸向拉力作用，易發(fā)生脫扣。

(4)密封失效：上緊扭矩過(guò)小，過(guò)低的螺紋過(guò)盈量會(huì)導(dǎo)致較低的密封能力

4.存在的問(wèn)題和趨勢(shì)

隨著超深井開采的增多，鉆具斷裂等事故也在不斷增加。大部分都是由于應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋，發(fā)生斷裂失效事故，主要原因是由于外部載荷和預(yù)載荷在鉆具頭外螺紋上分配不均勻所致，所以延長(zhǎng)螺紋接頭疲勞壽命，研制高疲勞強(qiáng)度的螺紋接頭成為將來(lái)發(fā)展的方向。

[1]高霞肖國(guó)章 油套管特殊螺紋設(shè)計(jì)要素分析焊管2010.

[2]蔡曉聞高連新我國(guó)油套管特殊螺紋接頭的發(fā)展現(xiàn)狀焊管2008.

[3]焦文鴻高連新魯喜寧一種新型鉆桿螺紋設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析石油機(jī)械2012.