直連型特殊螺紋接頭加工方法研究

摘要：隨著石油天然氣開采成本逐年增高，開采難度逐漸增大，高溫、高壓、高腐蝕井況逐漸增多。在井眼偏小、舊井修復等油田工況下，井下套管管柱常使用直連型螺紋接頭連接，其接頭外徑相對常規套管連接接頭外徑較小，從而增加了環隙空間，不利于下井和固井等井下作業。論述了幾種典型直連型套管螺紋接頭（平式低密封直連型、API標準XC氣密封加厚直連型和內、外壓雙密封平式直連型）加工工藝，著重闡述上述接頭的加工關鍵技術，解決直連型螺紋加工過程中系列問題，研究成果可為直連型套管螺紋接頭生產提供參考。

關鍵詞：平式直連型"加厚直連型"加工工藝"密封

中圖分類號：TV52

Research"on"the"Processing"Method"of"Extreme-Line"Casing"Thread"Joints

ZHANG"Wei*"""LOU"Longlong""SHU"Hao

（Jiangsu"Qibao"Steeltube"Co.，"Ltd.，"Qidong，"Jiangsu"Province，"226200"China）

Abstract："As"the"cost"of"oil"and"gas"extraction"is"increaseing"yearnbsp;by"year，"exploiting"oil"and"gas"is"getting"more"and"more"difficult，"and"high-temperature，"high-pressure"and"high-corrosion"well"conditions"are"gradually"increasing."This"paper"aims"to"meet"the"requirement"of"often"connecting"casing"strings"downhole"with"extreme-line"thread"joints"in"the"working"conditions"of"oilfields"such"as"small"wellbores"and"old"well"repair，，"and"the"external"diameter"of"such"joints"is"relatively"smaller"than"that"of"conventional"casing"joints，"which"increases"annular"space"and"is"conducive"to"downhole"operations"such"as"descending"wells"and"cementing"wells，"This"paper"discusses"the"processing"technologies"of"several"typical"extreme-line"casing"thread"joints"（flush"low-sealing"extreme-line"type，"API-standard"XC-sealing"upset"extreme-line"type，"and"internal-and"external-pressure"dual-sealing"flush"extreme-line"type），"focusing"on"the"key"processing"technology"of"the"above"joints，"so"as"to"solve"a"series"of"problems"during"the"processing"of"extreme-line"threads."The"results"of"this"study"can"provide"references"for"the"production"of"extreme-line"casing"thread"joints.

Key"Words："Flush"extreme-line"type;"Upset"extreme-line"type;"Processing"technology;"Sealing

石油、天然氣儲存在地表以下數百至數千米，鉆采過程中使用油井管柱作為采油、采氣的密封通道，油井管柱是由專用連接接頭將單根油井管連接而成，可達數千米長，數百噸重。螺紋接頭分接箍式和無接箍式直連型兩種，其中無接箍式直連型螺紋由于接頭外徑偏小增加環向間隙的結構特點，主要應用于井眼偏小、下井操作相對困難的開窗側鉆、舊井修復等特殊油田工況下，有利于下井和固井等井下作業。最早的直連型螺紋是由美國石油學會API標準提出的加厚式直連型螺紋（XC），由于加工復雜且成本較高，因此僅在少數油田使用。各大石油管供應商根據不同的井況需求陸續開發出自主專利權的直連型螺紋，有日本美達王公司研發的螺紋接觸面過盈低壓密封平式不加厚直連型螺紋Flush系列，有同類型的天津鋼管TP-FJ和寶鋼BG-FJ系列螺紋接頭。

本論文主要例舉API標準XC氣密封加厚、螺紋接觸面過盈低壓密封平式不加厚和雙金屬面過盈密封的平式不加厚三種典型直連型螺紋接頭，闡述各自的加工工藝和加工難點，為直連型套管螺紋接頭研發和生產提供參考。

1"API標準XC氣密封加厚直連型螺紋

API"XC直連型螺紋是API"5B標準規定的管端內外加厚型直連螺紋，由螺紋部分、密封面和臺肩3個部分組成，涉及控制參數24項，齒形是12°夾角的等腰偏梯形，緊密距精度是API"BC螺紋0.16倍，密封面精度是特殊扣的0.5倍。鑒于API"XC直連型螺紋結構復雜，加工難度高，API"5CT第九版已去除API"XC直連型螺紋套管供貨范圍，但一些油田和客戶仍在繼續使用[1]。

API"XC直連型螺紋分三段錐度設計，內螺紋大端和外螺紋小端螺紋為不完整螺紋，齒頂為完整螺紋，齒底為不完整螺紋，錐度平行于螺紋軸線，內螺紋和外螺紋完整螺紋，齒頂和齒底均為完整螺紋，錐度為1：8，內螺紋和外螺紋消失點為不完整螺紋，齒頂為不完整螺紋平行于螺紋軸線，齒底為完整螺紋，錐度為1：8。外螺紋密封面為R292.1"mm，內螺紋密封面為1：6的錐面。

以127"mm×9.19"mm規格API"XC直連型螺紋為例，根據結構圖，加工流程為：粗車平端面→粗車撥外圓→精車端面定位→精車密封面→精車臺肩→螺紋多次成形加工。粗車加工選用35°夾角菱形刀，刀尖圓弧R1.0，主偏角75°，精車密封面選用55°夾角菱形刀，刀尖圓弧R0.4，主偏角75°。根據尺寸參數進行數控編程。

粗車平完端面，粗車錐面和臺肩面，切削量1.5～2.0"mm，粗車留精車0.15～0.25"mm，精車加工成形端面、密封面和臺肩面，內螺紋分10次進刀，每次切削量在0.15"mm，外螺紋分8次進刀，每次切削量在0.20"mm。

2"nbsp;螺紋接觸面低壓密封不加厚直連型螺紋

螺紋接觸面過盈低壓密封平式不加厚直連型螺紋，是石油管供應商根據低壓井況設計的經濟型密封直連型螺紋，以日本某公司研發的Flush直連型螺紋為例。

Flush直連型螺紋由螺紋、臺肩和退刀槽三部分組成，螺紋是大角度導向面和小角度承載面，通過齒形面之間嚙合時金屬過盈達到低壓氣密封效果，如圖1所示，對齒形形狀要求較高，上扣和卸扣時螺紋表面不能產生損傷。

以國內某鋼管廠加工139.7"mm×6.98"mm規格Flush直連型螺紋為例，加工流程為粗車平端面→粗車撥外圓→精車端面定位→精車鏜孔和倒角-二次精車退刀槽-螺紋多次成形加工。粗車加工選用35°夾角菱形刀，刀尖圓弧R1.2，主偏角75°，精車密封面選用55°夾角菱形刀，刀尖圓弧R0.4，主偏角125°。根據尺寸參數進行數控編程，加工設計如圖3所示。

粗車平完端面后分兩次進刀，每次切削量為1.50～2.00"mm，精車加工倒角和內鏜孔，退刀槽分兩次加工，每次切削量為0.20～0.40"mm，螺紋刀分7～9次均勻進刀，切削量控制在0.15～0.20"mm。

3""雙金屬面密封的不加厚直連型螺紋接頭

雙金屬面過盈密封的平式不加厚直連型螺紋接頭是較先進的接頭專利技術，目前只掌握在國外少數大的石油管供應商手中，其由外壓密封面、內壓密封面、螺紋和加工槽四部分組成，加工非常復雜，需同時保證雙密封面的形狀、精度和位置，螺紋必須保證形狀的完整性、退刀位置適宜性以及精度的保證，臺肩的位置和形狀必須保證完整[2-4]。

以啟寶鋼管研發的114.3"mm×8.56"mm規格QB-FJ/I直連型結構特點為例，如圖2所示，其結構分內、外密封面、螺紋、扭矩臺肩面和加工槽。根據螺紋接頭結構設計，加工流程為粗車端面→粗車外圓→粗車臺肩→粗加工槽→精車端面→精車內、外密封面→精車臺肩和倒角→精加鏜孔→精車工槽→螺紋多次加工。

加工設計如下：粗車分三次進刀，每次切削量1.5～2.5"mm，密封面粗車留精車余量約0.3"mm，用菱形尖刀加工槽，用精車菱形刀加工內、外密封面，注意刀偏角與加工形狀是否干涉，如圖3所示。螺紋選用單齒刀，分10～12次進刀，外螺紋下刀點控制在加工槽中間，內螺紋下刀點控制在鏜孔中間，需及時檢測加工槽和鏜孔直徑，下刀以一定進給率慢慢定位，防止快速進刀產生撞刀問題。

4""加工調試和注意事項

4.1內螺紋加工顫紋

直連型螺紋加工時因剛性或切削量分配不均等原因，易產生表面顫紋。一般通過增粗加工刀桿直徑（?80～100"mm）、縮短刀桿長度（比加工長度略長25"mm只要加工不干涉即可）和控制鋼管端部伸出卡爪的長度（內螺紋端伸出長度控制在全長的1/3較佳、外螺紋比全長略長20"mm）等措施提高加工剛性。

4.2"倒鉤形和大角度齒形螺紋加工

倒鉤形（負承載面角）和大角度齒形加工，在加工進刀方式、進刀量與切削分配上有很高要求，每次下刀點根據不同切削量需進行改變[5-9]。如圖6所示，使用成型螺紋刀片加工負承載角螺紋時不能按照垂直進刀的方式，不然會形成加工干涉，負承載面角會加工成偽直角。

使用成型螺紋刀進行側向進刀加工方案設計，即每次切削軌跡按照負角度承載面進行側向進刀，如圖7所示，由于負角度螺紋在加工時軸向受力不均勻，切削量過大很容易造成崩刀，而切削量過小必然會使走刀次數過多，不僅影響加工效率，而且過多的進刀會累積軸向誤差，造成承載面粗糙，因此方案設計應計算出合適的側向偏移量，使導向面和承載面的切削量均勻分布，受力平衡。

4.3"螺紋退刀點控制

直連型螺紋退刀點必須通過加工程序設計嚴格控制并通過檢驗驗證，“非自然退刀”會對內、外螺紋嚙合造成影響，嚴重時螺紋嚙合時會產生較大損傷，造成“粘扣”問題。例如：日本研發的直連型螺紋內螺紋加工非自然退刀，內螺紋尾部與外螺紋起始螺紋嚙合后螺紋齒形損傷嚴重。

5"結語

本文例舉三種典型的油套管直連型螺紋接頭的加工工藝，闡述直連型螺紋接頭加工設計的一般方法，啟寶在2023年小批量試制，通過生產和技術人員共同努力，成功的解決加工中設計、編程、調試的難度，根據加工調試過程，指出加工難點和注意點，并依據經驗給出解決措施和方法，為國內套管直連型螺紋接頭研發和生產提供參考依據。

參考文獻

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[8]"孫建安，王琍.特殊螺紋接頭上扣過程仿真分析[J].寶鋼技術，2015（4）：41-45.

[9]"羅蒙，王琍.一種負承載角特殊管接頭的螺紋加工工藝[J].寶鋼技術，2009（5）：74-77.