Φ88.9 mm BJC-Ⅱ型氣密封特殊螺紋開發*

唐家睿，田永強，周新義，羅海雷，年晨陽，王 巍，汪 強，苑清英

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.寶雞鋼管西安專用管公司，西安 710200）

0 前 言

隨著天然氣的開采和社會需求量的增加，我國加大了對頁巖氣等非常規天然氣的開發力度，開始實現由常規天然氣開采向非常規天然氣開采的轉變。“十三五”以來，非常規油氣資源逐漸成為中國石油勘探開發的主體，非常規原油與天然氣分別占新增油氣探明儲量的70%及90%以上[1]。非常規天然氣井開采難度大、工藝復雜，在生產過程中，氣井產量、壓力變化、管柱尺寸不一致、油管彎曲變形等都可能引起油管柱振動，增大管柱所受的應力，使其應力集中加劇，從而加劇油管柱的疲勞損傷而使其斷落入井[2]，這對油管螺紋連接接頭的綜合性能提出了較高的要求，要求其具有優異的壓縮性能、拉伸強度、密封性能、彎曲性能、抗粘扣、抗高溫、抗扭矩和抗疲勞振動性能等[3-5]。

特殊螺紋連接是指有別于API 5B[6]標準的螺紋連接，其主要應用于高溫高壓氣井、頁巖氣/油開發以及儲氣庫注采管柱等非常規油氣井開發。2017年發布的API RP 5C5：2017《套管和油管接頭試驗程序推薦作法》[7]規定了石油天然氣工業用套管及油管螺紋連接必要的驗證試驗方法及接收準則，該標準在油田生產過程中螺紋連接失效案例的基礎上，結合不斷發展的鉆井和完井工藝需要制定，是國內外石油公司在復雜苛刻工況油套管螺紋連接選用的首要標準[8]。

本研究在API標準發展歷程和評價原理分析基礎上，基于API RP 5C5：2017 標準最高等級（CAL IV 級）性能要求，利用ABAQUS 有限元軟件設計了螺紋結構和密封結構，并對螺紋連接進行建模分析，經過刀量具設計及現場調試加工，開發出規格為Φ88.9 mm×7.34 mm、鋼級為N80Q 的BJC-II 型特殊螺紋接頭油管產品，經第三方全尺寸實物試驗評價，產品滿足設定的接頭適用等級（API RP 5C5：2017，CAL IV 級）要求，其拉伸效率、內壓效率、外壓效率、壓縮效率等性能指標均滿足等管體100%的結構和密封完整性要求，為我國非常規油氣井的開發提供了保障。

1 特殊螺紋設計

該特殊螺紋接頭包括螺紋、密封、退刀槽和扭矩臺肩四部分，螺紋連接效率均按照管體100%性能設計，從而有效保證了接頭螺紋連接的可靠性和密封結構完整性，如圖1 所示。

圖1 高性能油管特殊螺紋接頭示意圖

1.1 螺紋牙型設計

用于非常規油氣井開發的特殊螺紋油管，需要等管體的連接強度以及優異的抗粘扣等性能。目前市場上特殊螺紋接頭大多采用偏梯形螺紋設計，本設計螺紋接頭內、外螺紋承載面均采用負角度，大大增強了螺紋的連接強度[9]。接頭采用內外螺紋不同的齒高參數和合理的齒側間隙設計，有利于螺紋脂在螺紋內部的流動，降低了上扣過程中螺紋脂內部壓力。內螺紋采用組合導向面，與外螺紋導向面相適配，有利于增大螺紋內部間隙，大大提高抗粘扣性能，同時具有易引扣、現場操作方便等特點。接頭的螺紋齒頂和齒底平行于管體軸線，上扣時有自動調偏功能，現場上扣容易；內螺紋與外螺紋均為小錐度圓錐螺紋，相比其他大錐度螺紋，可以增加完整螺紋的長度。同時，該螺紋接頭的接箍內螺紋收尾處設置退刀槽，方便使用多齒刀加工工藝，提高加工效率；內螺紋退刀槽與外螺紋過渡面形成儲油槽，可儲存多余的螺紋脂，從而有效改善油管接頭在復合載荷下的應力分布。

1.2 密封面結構設計

當前普遍采用的密封形式主要有錐面/錐面、球面/錐面、球面/柱面等，其密封機理是通過接頭在密封面上過盈配合，使接觸面上產生一定的接觸長度和接觸壓力，組織氣體通過密封面溢出，從而實現氣密封[10]。本設計接頭密封結構如圖2 所示，由圖2 可知，該接頭的密封結構采用了雙級金屬過盈密封結構，內螺紋主密封球面和外螺紋主密封錐面配合形成主密封結構，內螺紋副密封錐面和外螺紋副密封錐面配合形成副密封結構，足夠的密封過盈長度及接觸壓力可以保證螺紋接頭在拉伸/壓縮、彎曲、內壓/外壓、沖擊、疲勞振動等復合載荷下密封性能的安全可靠性；主密封結構遠離扭矩臺肩，扭矩臺肩對密封的影響大大減小，增強抗拉和抗連續壓縮能力，同時可以減少端面腐蝕對密封的影響；副密封結構靠近扭矩臺肩，可以大大降低臺肩位置的應力集中，同時可以起到輔助密封的作用。同時，接頭設置密封導向結構，上扣時保護主密封結構不受損壞；主密封結構位置靠近螺紋，避免管體密封結構在檢測、運輸、現場作業和管柱服役過程中受到損傷。

1.3 扭矩臺肩結構設計

臺肩的常見結構形式為負角度臺肩/直角臺肩[11]。該接頭采用-15°的負角度臺肩，可以保證上扣定位的準確性，防止密封面因過擰導致過盈超預期，合理的扭矩臺肩高度受到過扭矩作用時能確保結構完整性。同時，接箍抗扭矩臺肩與管體抗扭矩端面金屬過盈接觸可以提供輔助氣密封能力。

1.4 管端結構設計

該接頭通過對管體端部進行縮徑處理，增加管體端面厚度，減小管端橢圓度，可提升接頭的抗拉伸、壓縮性能[12]。

接頭采用的密封結構和螺紋結構的配合保證了接頭在承受拉伸、壓縮、彎曲、內壓、外壓、高溫等復合載荷時，能有良好的連接強度和密封完整性，可滿足高溫高壓超深氣井等非常規氣井對接頭的嚴苛要求。

2 有限元結構模擬分析

為了驗證螺紋設計的合理性，根據螺紋結構尺寸及過盈量，對設計的油管特殊螺紋接頭進行不同載荷下的有限元分析計算和設計評估，為后續的試驗和安全使用提供科學論據[13]。根據螺紋接頭的特點，采用ABAQUS有限元軟件，對規格為Φ88.9 mm×7.34 mm、鋼級為N80Q 的BJC-II型特殊螺紋油管進行建模。為提高分析精度，需對接觸部位進行細化，其中螺紋部位網格細化大小為0.2 mm，密封面及臺肩部位網格細化大小為0.1 mm，采用CAX4 四節點四邊形單元，接觸模式為面對面接觸，油管有限元網格模型如圖3所示。模擬的油管主要參數見表1，依據API RP 5C5：2017 CAL IV級標準，采用最低密封過盈1#極限公差試樣進行完整A系試驗受力分析，載荷點分析結果見表2。

表1 有限元模擬的油管螺紋接頭主要參數

表2 有限元模擬A系典型載荷點分析結果

圖3 油管有限元網格模型

特殊螺紋接頭的密封性能常用密封面的密封指數進行評估。為此，油套管制造企業開展了基于小試樣試驗數據（試樣表面粗糙度Ra=0.25 μm，無表面涂層）的擬合密封判據研究[14]。Tenaris 提出的接觸壓力占主導地位的加權指數與長度的積分氣密封準則公式為

式中：Pcn——密封面接觸壓力，MPa；

l——接觸長度，mm；

Pgas——氣密封內壓力，MPa；

Patm——大氣壓力，MPa；

m——經驗系數，m=0.838。

公式（1）中，無螺紋脂時n=1.4，有螺紋脂時n=1.2。

BJC-II 型特殊螺紋接頭在高溫A 系試驗中各載荷點的等效應力分布如圖4 和圖5 所示。螺紋接頭主密封和臺肩處的等效應力較高，但低于油管管體的實際屈服強度，而螺紋部分的等效應力相對較低。各載荷點的密封面接觸壓力及接觸長度如圖6 所示，密封面接觸面積如圖7 所示。螺紋接頭在10e90～21e90載荷點高溫條件拉伸/壓縮+內壓載荷下的接觸長度為2～3 mm，接觸壓力為250～750 MPa，接觸面積為650～1 400 MPa·mm，曲線呈兩邊高、中間低的形狀，最小密封接觸面積與最大試驗內壓的比值遠大于7。而通常情況下，接觸面積與內壓比值大于5即表示密封性良好，因此，螺紋接頭具有良好的密封性。

圖4 上扣條件下特殊螺紋油管接頭的等效應力分布

圖5 高溫A系試驗各載荷點密封面及臺肩的等效應力分布

圖6 各載荷點的密封面接觸壓力及接觸長度變化

圖7 各載荷點的密封面接觸面積變化

3 實物評價試驗

為驗證設計開發的BJC-II 型特殊螺紋油管接頭連接強度和密封完整性，根據API RP 5C5：2017 CAL IV 級標準，對Φ88.90 mm×7.34 mm、鋼級為N80Q 的特殊螺紋油管進行了全尺寸實物評價試驗。試驗用試樣共5 根，試驗流程如圖8所示。

3.1 上卸扣試驗

根據API RP 5C5：2017 CAL IV 標準，對設計開發的螺紋接頭進行上卸扣試驗，以驗證其抗粘扣性能。接箍內螺紋表面進行磷化表面處理，螺紋脂采用 Bestolife2000，具體上卸扣參數見表3。試驗后上扣扭矩曲線符合設計要求，內外螺紋表面均未發生粘扣現象，符合試驗標準要求，如圖9 所示。

表3 上/卸扣試驗參數

圖9 5#極限樣螺紋接頭上卸扣試驗后形貌及上扣扭矩曲線

3.2 復合載荷試驗

復合載荷試驗主要是根據油田現場的實際情況模擬不同的使用環境（在水、氣、升溫等條件），對油套管施加復合載荷（拉伸、壓縮、彎曲、內壓、外壓等），進行油套管的全尺寸檢測試驗，完成API RP 5C5、ISO 13679 等標準要求的油套管實物性能試驗，為油井管生產和產品研發試驗提供技術支持[15]。

根據API RP 5C5：2017 CAL IV 標準，對1#～4#極限樣進行復合加載試驗，先后進行B 系、C系、A 系試驗，高溫A 系試驗裝置如圖10 所示。根據前期1#～5#極限樣的室溫及高溫拉伸試驗得到的實測屈服強度及試樣的實測幾何尺寸繪制試驗載荷譜，試驗載荷譜如圖11 所示，由圖11 可知，1#～4#極限樣經B 系、C 系、A 系試驗評價未發生結構和密封失效。

圖10 高溫A系試驗裝置

圖11 API RP 5C5：2017 標準B、C、A系試驗載荷譜

3.3 極限失效載荷試驗

依據API RP 5C5：2017 CAL IV 標準對1#～5#極限樣分別進行極限載荷試驗。試驗條件及結果見表4，試驗載荷譜如圖12 所示，結果表明，1#～5#極限樣試驗結果均超過管體屈服強度，符合API RP 5C5：2017 CAL IV標準要求。

表4 極限失效試驗載荷譜

圖12 極限載荷試驗載荷譜

4 結 論

（1）采用負角度承載面、不同內外螺紋齒高參數和齒頂齒底平行于管體軸線的牙型設計、合理的雙級金屬密封結構和負角度扭矩臺肩設計的BJC-II 型高性能油管螺紋接頭，具有良好的螺紋抗粘扣性能及優異的氣密封性能。

（2）通過有限元模擬分析方法和實物評價試驗，根據API RP 5C5：2017 CAL IV 級標準一致驗證了BJC-II 型特殊螺紋接頭拉伸效率、內壓效率、外壓效率、壓縮效率均滿足等管體100%的結構和密封完整性，為我國非常規油氣井的開發提供了產品保障。