油井管特殊螺紋研究經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)滴

胡 勇，宋桐亮，劉 陽

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著鉆采工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及油氣井鉆采作業(yè)中越來越多地出現(xiàn)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(biāo)等問題下，常用的API（American Petroleum Institute，美國石油學(xué)會(huì)）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(qiáng)度不足，而偏梯形螺紋幾乎沒有密封性可言，這些都嚴(yán)重限制了API螺紋的應(yīng)用范圍，因此需要開發(fā)出性能更優(yōu)越的油井管螺紋接頭。特殊螺紋是相對(duì)于API螺紋接頭而言的，也稱非API螺紋接頭或PJ（Premium Joint，優(yōu)質(zhì)螺紋接頭）。特殊螺紋的出現(xiàn)，是由于API螺紋接頭在特殊井況應(yīng)用方面存在著不足，特別是密封和強(qiáng)度方面的性能缺陷，難以滿足油田開發(fā)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(jìn)展和優(yōu)勢(shì)，日益廣泛的在油井中得到應(yīng)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(yīng)用更為普及。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外的特殊螺紋接頭應(yīng)有數(shù)百種，但基本形式大體相同，主要由連接螺紋、抗扭矩臺(tái)肩、密封面3部分組成，這樣的結(jié)構(gòu)有利于提高管柱的連接強(qiáng)度和密封性能。

1 特殊螺紋的類型與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）經(jīng)濟(jì)實(shí)用型。TM（特種細(xì)牙普通）螺紋是日本住友金屬工業(yè)公司開發(fā)的特殊螺紋早期產(chǎn)品，屬于雙金屬密封，即1∶7錐度的錐面對(duì)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(tái)肩也兼有密封作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工，是綜合性能好的入門級(jí)產(chǎn)品。

（2）低成本型。在API偏梯形螺紋的基礎(chǔ)上作了較大的改進(jìn)的SM-EF螺紋，也是日本住友金屬工業(yè)公司的產(chǎn)品，由于牙形上的特殊設(shè)計(jì)，應(yīng)用中更易于對(duì)螺紋、上卸螺紋速度更快、性能更可靠，由于設(shè)計(jì)中沒有考慮密封性能，其價(jià)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(gè)特例。

（3）高密封型。采用球面對(duì)錐面線接觸金屬密封的NK3SB螺紋，由日本鋼管公司研制開發(fā)，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(chǔ)上著重增強(qiáng)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(fā)的高級(jí)特殊螺紋，設(shè)計(jì)了3級(jí)金屬密封，即錐面對(duì)錐面密封，雙90°扭矩臺(tái)肩接觸密封，適用于氣井和熱采井。

（5）帶反角扭矩臺(tái)肩型。法國瓦魯瑞克公司設(shè)計(jì)開發(fā)的VAM螺紋，在特殊螺紋領(lǐng)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(shè)計(jì)了反角扭矩臺(tái)肩，使管端在旋緊過程中，不會(huì)因受周向收縮力作用面出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，確保了螺紋及密封面的接觸應(yīng)力，保障了螺紋連接強(qiáng)度和密封性能，因此擁有了較高的市場(chǎng)占有率。從近年來的流行趨勢(shì)看，該結(jié)構(gòu)可能會(huì)成為高性能螺紋接頭的標(biāo)準(zhǔn)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(wù)公司共同開發(fā)，特點(diǎn)是螺紋連接的公端全部為標(biāo)準(zhǔn)螺距，但螺紋連接的母端（即接箍螺紋）的螺紋中部為標(biāo)準(zhǔn)螺距，靠外側(cè)（直徑較大）的螺距大于標(biāo)準(zhǔn)螺距，靠?jī)?nèi)側(cè)（直徑較?。┑穆菥嘈∮跇?biāo)準(zhǔn)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(huì)趨向均勻分布。需要注意的是，這樣的特殊設(shè)計(jì)經(jīng)常要與反角扭矩臺(tái)肩同時(shí)使用，才能達(dá)到預(yù)期的目的。

（7）雙臺(tái)階型。是由2段同心不同直徑，但又連續(xù)的螺紋組成的螺紋連接，同時(shí)有兩個(gè)兼顧密封的扭矩臺(tái)肩，有直角形的，也有采用反角的，在油套管上均有應(yīng)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(diǎn)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(duì)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(guān)研究表明，提高螺紋表面光潔度也可達(dá)到同樣效果。

2 特殊螺紋研制及生產(chǎn)中區(qū)別于API螺紋的特點(diǎn)

（1）性能評(píng)價(jià)方法不同。目前掌握的常規(guī)的檢測(cè)方法雖然可以完成對(duì)油、套管用鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能、冶金質(zhì)量及制成品的幾何尺寸、螺紋參數(shù)的檢測(cè)，但這些只是油、套管質(zhì)量控制的基本和必要手段，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)油、套管接頭密封性、粘螺紋趨勢(shì)以及結(jié)構(gòu)完整性等實(shí)物整體性能指標(biāo)的檢測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)油、套管質(zhì)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(píng)價(jià)方法進(jìn)行檢測(cè)。目前進(jìn)行油、套管全尺寸試驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)，最通行的標(biāo)準(zhǔn)為ISO 13679—2007《套管和油管頭評(píng)價(jià)程序推薦作法》。

（2）上螺紋扭矩對(duì)產(chǎn)品性能的影響及控制方式不同。上螺紋扭矩的構(gòu)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(shù)、螺紋結(jié)構(gòu)、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(huì)對(duì)螺紋扭矩和臺(tái)肩扭矩造成不同程度的影響，從相關(guān)的分析結(jié)果看，其影響程度需要依賴現(xiàn)場(chǎng)的扭矩檢測(cè)來驗(yàn)證，因此扭矩檢測(cè)將是特殊螺紋產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)判的重要手段，要給予重視。

特殊螺紋種類繁多，由于結(jié)構(gòu)上均存有差異，上螺紋扭矩曲線也會(huì)不同，但多數(shù)為圖1所示的3段式結(jié)構(gòu)，可簡(jiǎn)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(shù)性能及加工質(zhì)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(tái)肩扭矩，理論上限為P3，參考判斷臺(tái)肩預(yù)緊力是否合適，主要判斷密封是否可靠，特別要注意的是臺(tái)肩扭矩與總扭矩的比值，更是判斷密封可靠性的重要參數(shù)，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(chǎn)和使用過程中，均應(yīng)對(duì)上螺紋過程進(jìn)行檢測(cè)和控制，螺紋扭矩的異常和比例失調(diào)，都意味著質(zhì)量問題的出現(xiàn)。

上螺紋扭矩的控制標(biāo)準(zhǔn)，需要在研制過程中 ， 依 據(jù) ISO13679—2007《套管和油管頭評(píng)價(jià)程序推薦作法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)的結(jié)果來確定。

圖1 上螺紋扭矩變化曲線圖

3 其他不同點(diǎn)

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

（2）特殊螺紋接頭產(chǎn)品的附加值較API螺紋高，同時(shí)產(chǎn)品的研制生產(chǎn)成本也較高，對(duì)生產(chǎn)人員素質(zhì)以及螺紋加工設(shè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，最高的也只是接近80%。

（3）特殊螺紋產(chǎn)品是針對(duì)特定井況使用的，其適用性受井況復(fù)雜程度限制，因此在研制開發(fā)時(shí)應(yīng)注意高低搭配，以適應(yīng)不同需求。所以說，實(shí)施系列產(chǎn)品的開發(fā)是十分必要的。