雙臺肩高抗扭特殊螺紋接頭開發(fā)

高連新，馬 超

(華東理工大學機械與動力工程學院 上海 200237)

0 引 言

據(jù)勘探，大量石油天然氣埋藏在四川盆地的海相地層，但海相地層的石油和天然氣埋藏超深、壓力超高、腐蝕性極強，并且有復雜的壓力系統(tǒng)存在。在如此復雜的地層施工、下套管時磨阻很大，遇阻、遇卡環(huán)節(jié)多，時常發(fā)生旋轉(zhuǎn)下套管和強扭、強壓下套管等特殊施工措施[1-2]，在這種情形下，一般的接頭很難滿足工程要求，急需一種具有更高抗扭能力的套管接頭。這種接頭不僅需要承受更高的扭矩，同時還必須有足夠的強度來承受更強的壓縮、沖擊載荷，以應對復雜井況的需要[3]。

本文作者在多年實踐的基礎上，與中石化南方勘探公司合作開發(fā)了一種雙臺肩高抗扭特殊螺紋接頭。該接頭突出的特點是抗扭能力強，適于旋轉(zhuǎn)下套管使用，它在很高的扭矩、壓縮載荷下仍能保持良好的氣密封性能。該扣型已經(jīng)完成了試生產(chǎn)和下井試用，并取得了初步成果。目前，隨著頁巖氣、頁巖油開發(fā)規(guī)模的擴大，旋轉(zhuǎn)下套管工藝將會得到推廣[4]，因此對套管的抗扭能力也將提出更高要求，鑒于此，本文給出了一種雙臺肩高抗扭特殊螺紋接頭的開發(fā)過程。

1 不同套管接頭的抗扭機理分析

1.1 API接頭的抗扭機理

目前，石油套管接頭多為API接頭，這種接頭又分為圓螺紋接頭和偏梯形螺紋接頭兩種[5]，如圖1所示。

圖1 API螺紋接頭

API接頭技術(shù)成熟，嚴格按照相關(guān)標準加工制造。其缺點是：1)螺紋需要承擔接頭受到的所有扭矩，易粘扣，抗扭性能較差；2)接頭擰緊后，內(nèi)、外螺紋不能全面接觸，螺紋牙之間仍然有一定的空隙，造成密封性、特別是氣密封性的不足，不能用于天然氣井的開采[6]。

API接頭在工作時，螺紋需要承受全部的扭矩，在上扣過程中，內(nèi)、外螺紋產(chǎn)生接觸并發(fā)生過盈配合，接觸力引起摩擦，形成扭矩。一定上扣扭矩的存在，主要是給接頭提供足夠的接觸壓力，從而使接頭具有一定的密封作用。另外，足夠的上扣扭矩可以防止接頭在使用過程中松動。從理論上講，普通API螺紋(包括圓螺紋和偏梯形螺紋)的上扣扭矩/圈數(shù)曲線如圖2(a)所示，該曲線近似為一條平滑的拋物線?？梢钥闯?，上扣扭矩會隨著上扣圈數(shù)的增加，快速變大。

圖2 套管接頭上扣扭矩曲線

對于上扣扭矩值大小的確定，API圓螺紋接頭取其連接強度值的1%(英制單位下)作為最佳扭矩，最佳扭矩的1.25倍為最大扭矩，最佳扭矩的0.75倍為最小扭矩[7]。實際上扣的扭矩值在最小扭矩與最大扭矩之間即為合格，否則為不合格。API偏梯形螺紋則按照位置上扣，以三角標記的底邊為依據(jù)，對上扣扭矩值沒有作規(guī)定?？梢?，API螺紋上扣扭矩的范圍很寬，扭矩值的確定也沒有嚴格的公式。

API圓螺紋套管接頭連接強度可以由下式計算[8]：

(1)

式中:A為最后一牙完整螺紋處管體的橫截面積，in2(1 in=25.4 mm)；L為嚙合螺紋長度，in；D為管體名義外徑，in；σb為管體抗拉強度，psi(1 psi=6.895 kPa)；σs為管體屈服強度，psi。

從公式可見，影響API圓螺紋接頭連接強度(亦即抗扭強度)的主要因素有：管體橫截面積、管子外徑、嚙合螺紋長度以及材料的屈服強度、抗拉強度等。管體橫截面積取決于壁厚和外徑，這些指標受套管規(guī)格限制，增加的量是受限制的，屈服強度和抗拉強度與套管鋼級要求有關(guān)，也不能隨便增加，而螺紋長度受螺紋錐度(1∶16)的制約，延長的幅度很有限。因此，受API螺紋的結(jié)構(gòu)限制，要進一步提高其連接強度(亦即抗扭能力)是很困難的，提高的幅度很有限。

1.2 特殊螺紋接頭的抗扭機理

針對API螺紋的上述缺點，各個油、套管生產(chǎn)廠設計開發(fā)出了性能更好的特殊螺紋接頭。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它一般由三部分組成。

圖3 特殊螺紋接頭基本結(jié)構(gòu)

1)金屬/金屬密封結(jié)構(gòu)。常見的密封結(jié)構(gòu)有：球面/球面密封、球面/錐面密封、球面/柱面密封、錐面/錐面密封、以及柱面對柱面密封等。除上述幾種徑向金屬/金屬密封結(jié)構(gòu)外，少量特殊螺紋接頭還設計有彈性密封結(jié)構(gòu)，通過在螺紋中嵌入彈性密封圈達到輔助密封的效果[9]。

2)保證接頭結(jié)構(gòu)完整性的螺紋形式。采用能承受較高拉伸載荷的偏梯形螺紋或改進型偏梯形螺紋結(jié)構(gòu)，從而強化接頭螺紋的連接性能，使其不會先于管體發(fā)生失效；

3)控制擰緊的位置、防止“造扣”的扭矩臺肩。特殊螺紋設計的扭矩臺肩與螺紋共同承擔上扣扭矩，解決了API螺紋受加工參數(shù)波動、螺紋脂類型和擰接扭矩大小等因素影響而導致的擰接位置波動問題，同時還起到輔助密封的作用[9]。

可見，API螺紋上扣時扭矩全部作用在螺紋上(見圖2a)，而特殊螺紋的上扣扭矩只有少部分作用在螺紋上(一般占全部扭矩的30%左右)，其余的大部分扭矩則作用在扭矩臺肩上(見圖2b)，這樣的設計使特殊螺紋接頭的抗扭性能有了巨大的提升。通常，特殊螺紋接頭可以承受的扭矩至少為普通API接頭的1.5～2倍。

2 雙臺肩高抗扭特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)設計

2.1 設計目標

針對四川海相氣田迫切需要具有較高抗扭性能及抗壓縮性能的套管接頭的鉆井需求，該雙臺肩高抗扭特殊螺紋接頭的設計目標為：1)卓越的抗扭性能。采用雙扭矩臺肩設計，最大限度地提高臺肩的抗扭能力，達到普通API接頭抗扭能力的3倍。2)達到管體內(nèi)屈服壓力的氣密封能力。氣密封性能是特殊扣的基本要求，增加抗扭性能不能犧牲接頭的氣密封性。3)連接性能、抗拉伸效率和抗壓縮效率均達到100%，即連接強度高于或等于管體。

2.2 設計流程

設計雙臺肩高抗扭套管接頭時，主要考慮以下三方面問題：1)使用性能。滿足旋轉(zhuǎn)下套管工藝要求，接頭抗扭、抗壓縮性能好，且在此工況下仍能保持氣密封能力。2)加工性能。在現(xiàn)有設備條件下，必須易于加工，且保證產(chǎn)品成材率較高。3)具有自主知識產(chǎn)權(quán)。圖4所示的框圖為完整的設計流程圖。

圖4 設計流程

2.3 設計方法

目前特殊螺紋接頭的分析設計方法主要有3種：試驗法、有限元法和解析法。試驗法直觀、可靠，但它測得的應力、應變只限于接頭的表面，無法深入接頭內(nèi)部，而且費用高[10]。解析法需要先假設接頭產(chǎn)生的都是彈性形變，而實際情況卻往往復雜得多。目前比較傾向于采用的方法是有限元法，有限元法的應用，縮短了特殊螺紋接頭的開發(fā)周期，已成為開發(fā)特殊螺紋接頭的重要工具。

特殊螺紋接頭的有限元分析是一個綜合了邊界條件非線性、幾何非線性和材料非線性的彈塑性接觸問題，其中接觸分析是難點。在本文中，描述接觸邊界的方法為直接約束法[11]。應用上述方法，系統(tǒng)的自由度不會改變，在接觸體接觸的邊界上，能直接針對參與接觸的單元進行選擇，以接觸相容的條件確定節(jié)點上作用的載荷和發(fā)生的位移，計算時，用接觸體p和c來代替外螺紋和內(nèi)螺紋，有限元基本方程為[12]：

[Kp(up)]{up}={Pp}{Rp}

(2)

[Kc(uc)]{uc}={Pc}{Rc}

(3)

式中，[Kp(up)]為外螺紋的剛度矩陣；[Kc(uc)] 為內(nèi)螺紋的剛度矩陣；{up}、{uc}為外、內(nèi)螺紋的位移向量；{Rp}、{Rc}為外、內(nèi)螺紋的接觸力向量；{Pp}、{Pc}為外、內(nèi)螺紋的外力向量。

本文中，進行模型的導入和網(wǎng)格的劃分的工具是非線性有限元分析軟件MSC.Marc和它的專用前后處理器Mentat，對幾何結(jié)構(gòu)、邊界條件和材料的三重非線性以及摩擦進行綜合考慮，使用Newton-Raphson method對單元平衡方程進行求解。

2.4 結(jié)構(gòu)確定

如1.1所述， API螺紋接頭的錐管螺紋承擔所有扭矩，因此抗扭性能較差。而由于扭矩臺肩結(jié)構(gòu)的設計，特殊螺紋接頭的扭矩大部分會作用在扭矩臺肩上，螺紋受到的扭矩大大減小，抗扭能力顯著提高，見圖5(a)。

圖5 接頭的扭矩臺肩對比

要進一步提高特殊螺紋接頭的抗扭能力，增加臺肩厚度是最有效的辦法。但臺肩厚度的增加是有限度的。因為要通過過盈配合來實現(xiàn)接頭的密封，必然要依賴于內(nèi)外密封表面的彈性變形，但是要增加臺肩厚度，又必然會導致實現(xiàn)密封處的管壁變厚，彈性變形難以發(fā)生，最終導致密封面發(fā)生損壞。因此單純增加臺肩厚度的方法并不合適。

為了解決臺肩厚度的問題，本文采用了雙臺肩的設計，見圖5(b)。由于這種結(jié)構(gòu)改進，扭矩由兩個臺肩分擔，應力集中問題得到改善，接頭的抗扭強度也得到提升，相較于普通API接頭，該接頭擁有3倍以上的抗扭能力，而相較于單臺肩接頭，抗扭能力則有1.5倍以上。

密封性能是特殊扣套管的基本要求，高抗扭套管不但具有優(yōu)良的抗扭性能，而且還要具有優(yōu)良的氣密封性能。將錐面對錐面結(jié)構(gòu)作為接頭的主密封，并將密封錐面設置在兩個臺肩之間：內(nèi)螺紋的主、輔助臺肩之間設置錐度為1∶8.5的錐面，外螺紋的主輔助臺肩之間設置錐度為1∶10的錐面。密封錐面較長，在7 mm到16 mm之間，比較于球面/錐面或球面/柱面密封結(jié)構(gòu)，當接觸應力相同時，錐面/錐面密封產(chǎn)生的彈性形變更大，從而使接頭獲得更好的氣密封效果。同時，考慮到內(nèi)外錐面的變形抗力不同，因此在保證了內(nèi)外錐面的配合后，將兩個錐面設計成不同的錐度，這樣，內(nèi)外錐面可以在整個表面上緊密接觸，從而得到趨于均勻的接觸壓力，如圖6所示。

圖6 密封錐面的錐度設置對比

考慮到偏梯形螺紋優(yōu)良的連接性能，而且易于加工和檢測，該高抗扭套管螺紋選擇偏梯形螺紋形式，最后得到的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 高抗扭接頭的結(jié)構(gòu)

3 抗扭能力計算

對于臺肩承擔扭矩的接頭，可以參考鉆桿接頭上扣扭矩的計算方法，查閱API RP 7G[13]，要計算螺紋接頭上位于旋轉(zhuǎn)臺肩連接的上扣扭矩，采用下面的計算方法：

(4)

式中:S為接頭材料屈服強度，MPa；A為主、副臺肩附近的危險截面面積，mm2；p為螺距，mm；Rt為螺紋平均中徑，mm；Rs為臺肩平均半徑，mm；f為材料接觸的摩擦系數(shù)；α為螺紋的牙型半角。

以φ177.8×10.36 mm P110鋼級的該高抗扭接頭為例，利用上面的公式，計算得到接頭的屈服扭矩(即接頭的抗扭能力)為44 278 N·m。而同規(guī)格、同鋼級的長圓螺紋接頭，API給出的最佳扭矩是10 800 N·m，最大扭矩是13 500 N·m。可見，本文設計的高抗扭接頭，抗扭能力超過了圓螺紋接頭最大扭矩的3倍。

公式(4)給出的扭矩計算公式將臺肩上和螺紋上的應力放在一起計算，也沒有考慮螺紋的接觸面積會受錐度的影響，如此一來，計算就會慢慢積累出不能忽視的誤差。同時，對比于API鉆桿接頭，高抗扭接頭的結(jié)構(gòu)變化很大，因此上式的上扣扭矩計算不夠準確，只能用于參考。

對于帶臺肩的特殊螺紋接頭，可以通過有限元方法計算其上扣扭矩，對于本文設計的雙臺肩高抗扭接頭，上扣扭矩包含三部分——兩個臺肩的臺階面之間的扭矩、密封錐面以及螺紋面上的摩擦扭矩，采用下式計算[14-15]：

(5)

式中:T為上扣扭矩，N·m；Tz為主肩面摩擦扭矩，N·m；Tf為副肩面摩擦扭矩，N·m；Tm為密封錐面摩擦扭矩，N·m；Ti為第i牙螺紋面摩擦扭矩，N·m。其中，以公扣為例，取完全嚙合的n牙，螺紋牙編號從公扣大端到鼻端依次為1～n。

進行有限元分析時，對于接頭上任何發(fā)生接觸的節(jié)點，此處的接觸應力記為Ni，該節(jié)點到管子軸線的距離記為Ri，那么，所有發(fā)生接觸的節(jié)點產(chǎn)生的摩擦扭矩為：

(6)

式中:T為接頭上扣扭矩，N·m；f為摩擦系數(shù)，取f=0.020[16]；Ni為節(jié)點i的接觸應力，Pa；Ri為節(jié)點i到管子軸線的距離, m。

需要注意的是，隨著上扣扭矩的增加，由于臺肩反力的作用，螺紋導向面逐漸分離，螺紋扭矩完全由承載面和齒底/齒頂接觸面來承擔。利用上述方法，計算得：

主臺肩扭矩Tz=18 752 N·m，副臺肩扭矩Tf=120 89 N·m，密封面扭矩Tm=4 638 N·m，螺紋扭矩∑Ti=10 875 N·m，總的上扣扭矩T=46 340 N·m。

4 加工與試驗

采用數(shù)控機床加工，使用專用刀具和量具，加工的螺紋、密封面和臺肩光潔度、各項幾何參數(shù)達到設計要求。進行的試驗包括抗扭性能試驗和氣密封試驗。

4.1 抗扭性能試驗

隨機加工2個樣品，記為1W、2W，每個樣品包括一個接箍和2段管體外螺紋，規(guī)格為φ177.8×10.36 mm,鋼級為 P110，進行上扣試驗。因為標準規(guī)定套管至少承受3次上扣、2次卸扣而不發(fā)生粘扣，本次試驗為了觀察第3次上扣后是否發(fā)生了粘扣，比標準規(guī)定的要求多上卸了1次，共上扣4次，卸扣3次。第1、2次上扣按最大扭矩(推薦的最大扭矩是24 500 N·m)進行，第3次和第4次均按照旋轉(zhuǎn)下套管允許的最大扭矩(42 000N·m)上扣。

2個試樣第3次卸扣后，均外觀完好，未發(fā)生粘扣，如圖8所示。說明這種套管接頭可以承受42 000 N·m的上扣扭矩。第4次仍然按照42 000 N·m上扣，然后進行氣密封試驗，驗證在該扭矩下，接頭的氣密封性能是否可以滿足要求。

圖8 內(nèi)、外螺紋第3次卸扣后形貌

4.2 氣密封試驗

參照ISO 13679標準要求[17]，在室溫條件下對1W、2W分別進行氣密封試驗。試驗前將1W、2W試樣在180 ℃溫度下連續(xù)烘干12 h，消除螺紋脂對接頭氣密封性能的影響。然后利用干燥的氮氣作為加壓介質(zhì)，用高壓氣泵施加壓力。首先加壓到46.4 MPa，保壓15 min，檢查泄漏情況。然后進一步加壓到77.3 MPa(管體的內(nèi)壁屈服壓力)，保壓15 min，檢查泄漏情況。試驗過程中，兩試樣均未檢測到泄漏。試驗結(jié)果說明，在42 000 N·m的扭矩條件下，接頭仍可以保持良好的氣密封性能。

5 結(jié) 論

1)API螺紋接頭受自身結(jié)構(gòu)限制，抗扭能力有限，如果要提高套管螺紋接頭的抗扭性能，依靠增設扭矩臺肩的方法是比較有效的。但增設扭矩臺肩后，要進一步提高接頭抗扭能力，單純依靠增加臺肩厚度的方法不可取。

2)從扭矩臺肩結(jié)構(gòu)、密封面形式出發(fā)，設計出了一種雙臺肩接頭，該接頭的抗扭性能可以達到普通接頭3倍以上的抗扭能力，且在高扭矩下仍能保持良好的密封性能。

3)利用有限元方法，優(yōu)化了金屬/金屬密封面錐度，計算了接頭的抗扭能力，最后通過室內(nèi)全尺寸試驗，驗證了各項指標。結(jié)果表明，該接頭抗扭能力強、氣密封性能好，達到了設計目標。