油井管特殊螺紋研究經驗點滴

胡 勇，宋桐亮，劉 陽

（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

隨著鉆采工藝技術的不斷進步，以及油氣井鉆采作業中越來越多地出現特殊井況，使苛刻需求也逐漸增多，在井深加大、腐蝕惡化、壓力變高、溫度超標等問題下，常用的API（American Petroleum Institute，美國石油學會）石油專用管接頭難以滿足油田的需求。如圓螺紋在連接性能上強度不足，而偏梯形螺紋幾乎沒有密封性可言，這些都嚴重限制了API螺紋的應用范圍，因此需要開發出性能更優越的油井管螺紋接頭。特殊螺紋是相對于API螺紋接頭而言的，也稱非API螺紋接頭或PJ（Premium Joint，優質螺紋接頭）。特殊螺紋的出現，是由于API螺紋接頭在特殊井況應用方面存在著不足，特別是密封和強度方面的性能缺陷，難以滿足油田開發的更深層次需求。隨著特殊螺紋接頭在高密封性、高連接度、抗腐蝕、防粘螺紋等方面取得進展和優勢，日益廣泛的在油井中得到應用，特別是在定向井、深井、超深井、水平井、高氣壓井、重腐蝕井、稠油熱采井等特殊井況，應用更為普及。據統計，國內外的特殊螺紋接頭應有數百種，但基本形式大體相同，主要由連接螺紋、抗扭矩臺肩、密封面3部分組成，這樣的結構有利于提高管柱的連接強度和密封性能。

1 特殊螺紋的類型與結構特點

（1）經濟實用型。TM（特種細牙普通）螺紋是日本住友金屬工業公司開發的特殊螺紋早期產品，屬于雙金屬密封，即1∶7錐度的錐面對錐面金屬密封，接頭擰緊后，螺紋的密封錐面形成第二道密封，扭矩臺肩也兼有密封作用，結構簡單易于加工，是綜合性能好的入門級產品。

（2）低成本型。在API偏梯形螺紋的基礎上作了較大的改進的SM-EF螺紋，也是日本住友金屬工業公司的產品，由于牙形上的特殊設計，應用中更易于對螺紋、上卸螺紋速度更快、性能更可靠，由于設計中沒有考慮密封性能，其價格甚至比API偏梯形螺紋接頭還低，非常適用于大直徑套管，是一個特例。

（3）高密封型。采用球面對錐面線接觸金屬密封的NK3SB螺紋，由日本鋼管公司研制開發，專門用于滿足大斜度井和水平井的需求，在API偏梯形螺紋的基礎上著重增強了密封性能，并可承受較大的軸向壓縮和彎曲載荷。

（4）超高密封型。NSCC螺紋是新日本制鐵公司開發的高級特殊螺紋，設計了3級金屬密封，即錐面對錐面密封，雙90°扭矩臺肩接觸密封，適用于氣井和熱采井。

（5）帶反角扭矩臺肩型。法國瓦魯瑞克公司設計開發的VAM螺紋，在特殊螺紋領域具有特殊的地位，由于該型螺紋在金屬密封外，管端還特別設計了反角扭矩臺肩，使管端在旋緊過程中，不會因受周向收縮力作用面出現縮徑現象，確保了螺紋及密封面的接觸應力，保障了螺紋連接強度和密封性能，因此擁有了較高的市場占有率。從近年來的流行趨勢看，該結構可能會成為高性能螺紋接頭的標準配置。

（6）變螺距型。FOX螺紋由日本鋼鐵工程控股公司和漢庭油田服務公司共同開發，特點是螺紋連接的公端全部為標準螺距，但螺紋連接的母端（即接箍螺紋）的螺紋中部為標準螺距，靠外側（直徑較大）的螺距大于標準螺距，靠內側（直徑較小）的螺距小于標準螺距，螺紋旋合后，各部位螺紋的受力是不均勻的，但在管柱下井后，各部位的螺紋受力狀況會趨向均勻分布。需要注意的是，這樣的特殊設計經常要與反角扭矩臺肩同時使用，才能達到預期的目的。

（7）雙臺階型。是由2段同心不同直徑，但又連續的螺紋組成的螺紋連接，同時有兩個兼顧密封的扭矩臺肩，有直角形的，也有采用反角的，在油套管上均有應用。

（8）特殊螺紋截面型。鋸齒形螺紋VAM ACE就是這種形式，它是VAM特殊螺紋的衍生型，此外還有楔形螺紋等，特點是，螺紋截面即不是三角形也不是矩形，與API螺紋形成鮮明對比，這種類型的螺紋多用于在抗彎曲、抗滑脫性能上有特殊要求的水平井、大斜度井。

（9）表面處理型。在接箍上采用鍍銅或鍍鋅工藝是比較常見的，這是一種解決粘螺紋問題的有效措施，但有相關研究表明，提高螺紋表面光潔度也可達到同樣效果。

2 特殊螺紋研制及生產中區別于API螺紋的特點

（1）性能評價方法不同。目前掌握的常規的檢測方法雖然可以完成對油、套管用鋼的化學成分、力學性能、冶金質量及制成品的幾何尺寸、螺紋參數的檢測，但這些只是油、套管質量控制的基本和必要手段，無法實現對油、套管接頭密封性、粘螺紋趨勢以及結構完整性等實物整體性能指標的檢測，不能實現對油、套管質量的全面反映與控制要求，需要按照石油專用管的整體性能評價方法進行檢測。目前進行油、套管全尺寸試驗評價時，最通行的標準為ISO 13679—2007《套管和油管頭評價程序推薦作法》。

（2）上螺紋扭矩對產品性能的影響及控制方式不同。上螺紋扭矩的構成及各部分比例是影響特殊螺紋完整性的重要因素，而影響上螺紋扭矩的因素包括：螺紋參數、螺紋結構、材料性能、尺寸公差、表面光潔度、表面涂層、螺紋脂等，以上因素會對螺紋扭矩和臺肩扭矩造成不同程度的影響，從相關的分析結果看，其影響程度需要依賴現場的扭矩檢測來驗證，因此扭矩檢測將是特殊螺紋產品質量評判的重要手段，要給予重視。

特殊螺紋種類繁多，由于結構上均存有差異，上螺紋扭矩曲線也會不同，但多數為圖1所示的3段式結構，可簡單描述為：

O-A段為螺紋扭矩，理論上限為P1，參考判斷螺紋參數性能及加工質量，主要判斷是否有粘螺紋問題。

A-B段為密封面扭矩，理論上限為P2，參考判斷密封接觸面公差配合及干涉情況，主要判斷密封接觸面公差是否合適及是否受到損傷。

B-C段為臺肩扭矩，理論上限為P3，參考判斷臺肩預緊力是否合適，主要判斷密封是否可靠，特別要注意的是臺肩扭矩與總扭矩的比值，更是判斷密封可靠性的重要參數，如比值過小，接頭在井下拉伸載荷作用下的密封性能將無法保障。

每種特殊螺紋在生產和使用過程中，均應對上螺紋過程進行檢測和控制，螺紋扭矩的異常和比例失調，都意味著質量問題的出現。

上螺紋扭矩的控制標準，需要在研制過程中 ， 依 據 ISO13679—2007《套管和油管頭評價程序推薦作法》標準進行相關試驗的結果來確定。

圖1 上螺紋扭矩變化曲線圖

3 其他不同點

（1）特殊螺紋接頭屬于精加工產品，且材料又多為特種鋼材，機加工工藝性能并不好，所以損傷后的修復十分困難，因此在生產運輸過程中應妥善保管，部分特殊螺紋對螺紋脂的選用也有特殊要求。

（2）特殊螺紋接頭產品的附加值較API螺紋高，同時產品的研制生產成本也較高，對生產人員素質以及螺紋加工設備的性能要求也較API螺紋要高。最主要的是一次加工合格率較低，目前國際上特殊螺紋的成品率在不考慮結構復雜程度的基礎上，最高的也只是接近80%。

（3）特殊螺紋產品是針對特定井況使用的，其適用性受井況復雜程度限制，因此在研制開發時應注意高低搭配，以適應不同需求。所以說，實施系列產品的開發是十分必要的。