石油管螺紋分析研究

于莉(中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠 河北 任丘 062550)

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

楊剛(北京交通大學 北京 100081)

一、引言

在石油的勘探開發過程中，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械加工產品，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百米甚至數千米，并且能承受數百大氣壓的長管柱。由于使用的特殊性，在生產和加工過程應遵循API 5CT及API 5B中的相關標準。

2.各種類型螺紋的優缺點

(1)圓螺紋：在套管中分成為短圓（SC）和長圓（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、有一定的連接強度、維護和使用都較簡單并且價格便宜，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，同時提供泄露抗力而設計出了偏梯螺紋（BC）,牙型為偏梯形。偏梯形螺紋具有3度承載牙側面和10度引導牙側面，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，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力作用下，其抗氣密封壓力進一步降低。

3.油套管螺紋的檢測

螺紋連接是石油管仲最薄弱的環節，它的質量直接影響到管子的結構完整性和密封性，螺紋的加工精度又是螺紋連接質量的重要影響因素之一。在API 5B中，對螺紋的控制指標有很多項要求，錐度、螺距、齒高、牙型角等可借助螺紋單項儀進行測量。但最重要的，也是能綜合反映各單項參數及表面加工質量的參量—緊密距，則需要用工作量規進行檢驗。

4.存在的問題

API的標準螺紋的密封主要是通過螺紋脂、金屬磷化鍍層以及螺紋之間的嚙合等方法，從而實現密封作用。近年來，隨著稠油井、超深井、重腐蝕井等苛刻條件井的開采越來越多，井底壓力和井內溫度日益增高，對螺紋連接強度和密封性的要求也越來越高，圓螺紋和偏梯螺紋這些API標準螺紋暴露出的不適應性也越來越多，螺紋的連接強度和密封性能方面都難以滿足鉆井技術的要求。例如，圓螺紋只能承受管體強度60%～80%的拉伸負載，而偏梯螺紋在較高內壓下的密封性會變差。

5.發展趨勢

隨著鉆采工藝技術的不斷進步，具有高強度、高密封性的特殊扣螺紋在世界大石油專用管生產商中已陸續開發出來，并得到了較廣泛的應用。特殊螺紋具有防漏、多重密封、高抗拉，非常適合在腐蝕性環境中使用。特殊扣螺紋主要在密封性、扭矩臺肩和螺紋三部分進行了設計。

(1)特殊螺紋扣密封設計：特殊螺紋不在單純靠螺紋脂和螺紋過盈來實現密封，而是增加了主密封結構，從而實現了多級密封能力，大大增加了抗泄露力。

(2)特殊螺紋扭矩臺肩設計：特殊螺紋增加了定位控制，提高了其抗粘扣性能和抗過扭矩能力。通過控制螺紋和密封的干涉量，保證了主密封的過盈配合能達到最佳實現，提高了抗壓縮和抗彎曲的能力。

(3)特殊螺紋的設計：螺紋的設計普遍是建立在偏梯形螺紋基礎上，在形狀方面也有所適當變化，采用了鉤形螺紋或楔形螺紋。通過在承載面、加工公差上進行了調整改進，來減小螺紋干涉量，改善應力分布。

特殊扣螺紋目前在國內外都得到了大力發展，但與國外同類產品相比，國內產品還存在不小差距，這需要國內企業進一步加大特殊扣螺紋的研發工作，以滿足市場需求。

三、鉆具接頭螺紋

1.鉆具接頭螺紋的主要應用

API SPEC 7中稱鉆具接頭螺紋為“旋轉臺肩連接”，它是石油鉆探行業中最主要的機械結構，廣泛用于如鉆鋌、鉆桿及轉換接頭等鉆井工具及鉆柱構件的連接。鉆具接頭螺紋通過軸向位移來補償連接部分直徑誤差，因此它具有可互換程度高、結合緊密和裝拆容易等特點。

2.鉆具螺紋的檢測

鉆具螺紋在生產現場過程中必須按照API規定利用螺紋工作規檢測螺紋的緊密距，并按一定的檢驗周期頻率用鉆具單項儀進行螺距和錐度等數據的檢測。

在使用現場，可使用牙型規對已磨損的鉆具檢測螺紋牙的磨損情況。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，磨損牙數不得超過3.5牙時，該鉆具螺紋仍可繼續使用。否則，應進行修理。

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力往往最大，斷裂通常發生在此處

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

(3)滑扣：當螺紋錐度較大時，上緊圈數未達到適當的圈數，而扭矩此時便已達到推薦值，這時承受軸向拉力作用，易發生脫扣。

(4)密封失效：上緊扭矩過小，過低的螺紋過盈量會導致較低的密封能力

4.存在的問題和趨勢

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

[1]高霞肖國章 油套管特殊螺紋設計要素分析焊管2010.

[2]蔡曉聞高連新我國油套管特殊螺紋接頭的發展現狀焊管2008.

[3]焦文鴻高連新魯喜寧一種新型鉆桿螺紋設計及應力分析石油機械2012.