新型快速上扣套管螺纹的设计与应用

董星亮

（中国海油伊拉克有限公司）

新型快速上扣套管螺纹的设计与应用

董星亮

（中国海油伊拉克有限公司）

基于海上钻井作业特殊工况的要求，设计了新型快速上扣套管螺纹，新型螺纹锥度为1∶12，螺距为6.35 mm，导向面为30°，承载面为0°，并且采用台肩结构进行位置约束，采用内平设计避免紊流。有限元力学分析结果表明，新型螺纹的等效应力分布均匀，连接强度高于管体本身；室内全尺寸实物试验结果表明，新型螺纹具有良好的上卸扣特性，无粘扣现象，具有较高的连接强度，密封性能好。新型快速上扣套管螺纹在渤海某油田的现场应用效果良好，下套管过程快速、平顺，没有发生错扣现象，上扣速度比同规格API偏梯形螺纹提高20%以上，大大提高了下套管作业效率。

新型快速上扣套管螺纹 有限元力学分析 全尺寸实物试验 现场应用

目前，国内外油田使用的油套管仍以API标准产品为主[1－3]，该产品系列规范化，适配性强。但是，随着国内石油勘探开发向深海的迈进，现场作业条件和要求发生了变化，这对套管串的完整性和下入速度提出了更高的要求。海上风浪大，钻井作业装置多处于漂浮状态，普通的API偏梯形扣的上扣速度慢，且容易错扣，特别是大尺寸的套管对扣、上扣更加困难，严重影响了下套管的作业效率，从而大大增加了海上钻井作业成本。因此，有必要设计一套对扣性能好、上扣速度快、密封能力和强度满足要求的特殊扣套管螺纹。2008年至2010年，中国海洋石油总公司联合上海宝钢技术研究院，设计了适合海上钻井作业的新型快速上扣套管螺纹，并在渤海海域进行了下井使用，取得了良好效果。

1 新型快速上扣套管螺纹的设计

1.1 设计方案的确定

国内外对套管螺纹的性能进行了大量的研究，已形成了许 多 专 利 产 品[4－7]，其 中 Antares ER 扣[6]及Big Omega扣[7]是快速上扣产品的典型代表。Antares ER扣的主要参数：当外径＜355.6 mm时，锥度为8.5%，螺距为6.35 mm，齿形为偏梯形螺纹，导向面25°，承载面2°26′；当外径≥355.6 mm时，锥度为12.5%，螺距为8.47 mm，齿形为偏梯形螺纹，导向面25°，承载面0°，接箍螺纹根部带止扭台肩。Big Omega扣的主要参数：螺纹适用于外径≥355.6 mm，锥度为1∶7.5，齿形为偏梯形螺纹，导向面30°，承载面与螺纹母线垂直，齿顶、齿底与螺纹母线平行。

新型快速上扣套管螺纹设计的使用目标为海上平台的套管作业，要求在保证连接强度和相应的密封性能基础上，能够实现准确对扣、快速上扣。据此制定了如下套管螺纹的设计原则：①优化接头螺纹齿形。减小接头螺纹承载面齿形角，确保接头抗拉伸强度；增大螺纹导向面齿形角，增强上扣时螺纹的导入性能，改善防止错扣的能力。②采用大锥度、大螺距设计。在现有API螺纹的结构设计基础上，在保证连接强度的前提下，增大锥度和螺距，提高上扣速度。③采用扭矩台肩结构。接头连接上紧后，通过止扭台肩实现拧紧位置控制，通过扭矩控制保证上扣质量，确保管体和接箍内外螺纹过盈量在设计范围，实现接头的较高抗粘扣性能，保证接头上扣完整性。④接头内平设计。管体内径与接箍内通孔直径采用内平结构，避免突起的出现，消除流体紊流冲蚀作用。

根据上述设计原则并不断优化，确定了新型快速上扣套管螺纹的关键技术参数和技术方案：①采用1：12的锥度；②采用6.35 mm的螺距；③螺纹导向面为30°齿形角；④螺纹承载面为0度齿形角；⑤采用台肩结构进行位置约束；⑥采用内平设计避免紊流；⑦采用测量中径的方法控制螺纹配合过盈量；⑧尽量减少鼻端长度，适应倾斜对扣。

1.2 有限元力学分析

利用有限元软件对新型快速上扣套管螺纹的结构进行了应力应变分析和强度校核。采用有限元软件 MSC.Marc为分析平台，建立有限元模型[8－13]。因螺纹结构的螺旋升角很小，可简化为轴对称模型进行分析，用平面应变单元建模。接头取尺寸为φ339.72 mm×10.92 mm的J55套管，材料模型取自J55套管的拉伸性能曲线，拉伸载荷取相应管体屈服强度。

图1～3是在名义尺寸配合、最大过盈配合和最小过盈配合条件下，对新型快速上扣套管螺纹的抗拉伸性能进行有限元分析的结果。模拟计算中，管体的等效应力（即J55套管的屈服应力）达到了380 MPa。在上述3种配合下，丝扣螺纹牙齿的应力水平基本保持在266 MPa以下，低于管体的应力值，且螺纹等效应力分布均匀，接触应力能够保证接头的密封性能。继续拉伸至失效时失效部位发生在管体，如图4所示。由此可见，新型快速上扣套管螺纹的连接强度在理论上能够满足要求。

1.3 全尺寸实物试验

按照API的设计要求，石油用套管上卸扣性能应满足三上两卸螺纹形貌无损伤，螺纹的接头连接强度应尽量达到或超过管体屈服强度，对密封性能不作要求。为验证新型快速上扣套管螺纹的使用性能，2009年3月完成了该结构的全尺寸实物试验，试验项目包括上卸扣试验、拉伸试验和水压爆破试验，取样规格参数如下：管体外径为339.72 mm；壁厚为10.92 mm；钢级为J55。

图5为新型快速上扣套管螺纹上卸扣试验后接箍螺纹和管体螺纹形貌。从图5可以看出，经过两组上卸扣试验验证（最大扭矩19000 N·m，最小扭矩16000 N·m），在三上两卸过程中螺纹形貌没有损伤，而且整个试验过程中都没有任何人工修复螺纹，证明螺纹齿形设计是合理的。

新型快速上扣套管螺纹拉伸试验的加载曲线如图6所示，试验样管在加载到API标准962 kips（1 kips＝4.448 k N）时未出现任何异常，证明螺纹接头能够达到100%管体屈服强度。继续施加载荷至1460 kips时到达试验设备的最大行程，无法继续拉伸，卸载试验结束，此时管体出现缩颈，螺纹接头未出现异常，如图7所示。

新型快速上扣套管螺纹水压试验加载曲线和水压爆破试验结果如图8和图9所示，加内压至约为17.2 MPa，保压60 min，系统压力稳定，未发生泄露；继续加压至21.3 MPa（API标准内屈服压力），并保压10 min，系统压力稳定，未发生泄露；加压至管体失效，管体失效压力为37MPa，失效形貌为管体失效爆裂，表明螺纹密封性能良好。

2 现场应用

应用了新型快速上扣套管螺纹的套管于2010年5月在渤海某油田A、B井开始下井试用，规格为：φ339.7 mm×10.92 mm，钢级为 N80－Q。A 井井深497 m，套管鞋深度493.84 m，使用新型螺纹套管33根，下入用时1.75 h，全过程总用时2.25 h，下套管过程快速、平顺，没有发生错扣现象，碰压10 MPa、5 min，试压10 MPa、10min，均无异常。B井井深599 m，套管鞋深度596.39 m，使用新型螺纹套管41根，下入用时2.58 h，全过程总用时3.25 h，下套管过程快速、平顺，亦未发生错扣现象，碰压8 MPa、5 min，试压10 MPa、10 min，均无异常。经现场测算，该新型螺纹单对纯连接时间为20～25 s；而同工况下同规格API偏梯形螺纹的纯连接时间为35～40 s。同时，现场施工表明，该新型螺纹上扣速度快，对扣性能好，在套管倾斜5～10°情况下仍能准确对扣。

3 结论

通过对新型快速上扣套管螺纹接头的理论分析计算、室内全尺寸试验以及现场下井应用，可得出如下结论：

（1）丝扣的螺纹牙齿的应力水平低于管体的应力值，且螺纹等效应力分布均匀，继续拉伸至失效时失效部位发生在管体，说明设计的新型快速上扣套管螺纹的连接强度在理论上能够满足要求。

（2）在三上两卸试验中，螺纹形貌完好；在拉伸试验至失效试验中，丝扣未失效，管体首先出现了屈服缩颈；在水压爆破试验中，丝扣未发生泄漏。这些试验结果均表明，所设计的新型快速上扣套管螺纹达到了现场试用的条件。

（3）新型快速上扣套管螺纹套管已成功应用于渤海某油田，下井试用中下套管过程平顺、快速，没有发生错扣现象，比同规格API偏梯形螺纹上扣速度提高20%以上，大大提高了下套管作业效率。

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[6] KLEMENTICH.Threaded tubular connection：US，5360239[P].1994－11－01.

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Design and application of a new type of fast make－up casing thread

Dong Xingliang
（CNOOC Iraq Ltd.，Beijing，100010）

Based on the requirements of special work condition in offshore drilling operation，the new type of fast make－up casing thread is designed with 1∶12 conicity，6.35 mm thread pitch，30°guiding face and 0°supporting face.The shoulder structure is adopted to constrain the position，and internal flush is designed to avoid the turbulent flow.The finite element dynamics analysis indicates the new thread presents uniform equivalent stress distribution and higher joint strength than the casing.The laboratory full scale test shows that the new thread is characterized by good making－up and breaking out，no thread gluing，high strength of joint and well sealing property.The new thread has made well application effect in an oilfield in Bohai Sea，with fast and smooth making－up，no cross threaded，and make－up speed raised by 20%compared with API buttress thread，so that the operating efficiency of casing job is improved greatly.

new type of fast make－up casing thread；finite element dynamics analysis；full scale test；field application

董星亮，男，高级工程师，1983年毕业于原华东石油学院钻井专业，主要从事钻井技术综合研究和管理工作，现任中国海油伊拉克有限公司副总经理。地址：北京市东城区朝阳门内大街2号凯恒中心B座（邮编：100010）。

2011－10－24

（编辑：孙丰成）