大口径特殊套管接头TP-QR的开发

朱德旺，梅 丽

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

大口径特殊套管接头TP-QR的开发

朱德旺，梅 丽

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

针对13.375in及以上的大口径API套管接头存在的上扣速度慢、接头应力高、上扣控制难等问题，研制了专用于大口径快速上扣的套管特殊接头TP-QR。该产品通过了ISO 13679 CAL II实物性能试验，其抗粘扣性能、密封完整性、结构完整性达到了产品设计要求，并在油田完成了下井使用。

大口径套管；特殊螺纹接头；TP-QR；开发

1 引言

基于API大口径套管接头[1-2]在下井过程中容易发生的上扣速度慢、对扣困难、容易错扣、粘扣以及密封能力较差的缺陷，国内外主要的石油用管生产厂相继开发了各自的大口径特殊扣产品来替代API接头。国际上的主流产品有Tenaris公司的ER、V&M公司的BIG OMEGA[3]及DINO VAM等，而我国对大口径套管特殊扣的开发研究比较少。为此，天津钢管制造有限公司结合油田的实际情况，设计开发了一种专门用于13．375 in及以上的API套管接头TP-QR[4]，产品进行了有限元分析计算和ISO 13679 CAL II[5]试验，其上扣完整性、密封完整性和结构完整性都达到了产品设计要求。现在TPQR已经开始批量供货，并已经在油田下井使用。

2 特殊扣套管接头TP-QR螺纹结构特点

2．1 齿形特点

TP-QR螺纹的承载侧-4°，导入侧20°，螺距为3牙/in，锥度为1：12，负的承载侧角能够避免接头在拉伸载荷作用下的滑脱失效，大螺距的粗牙螺纹能保证在现场操作时，上扣速度快、容易对扣、不易错扣，如图1所示。

图1 TP-QR齿形结构图

2．2 上扣特点

API套管上扣靠测量J值和扭矩以及三角形标记控制上扣。TP-QR的接箍中部有扭矩台肩，在拧接上扣过程中，管子的公螺纹和接箍上的母螺纹旋紧配合在一起直至开始发生过盈，产生一定的接触应力。当管端和接箍中部的扭矩台肩接触时，上扣扭矩立即快速上升到达设计的扭矩值时自动停止，方便了施工人员的操作。并且在管端公螺纹消失处打印三角形标记辅助上扣的控制，确保每一根TP-QR套管都能够上扣到最佳位置。TP-QR上扣后的轴向过盈量低于API螺纹，螺纹间的接触应力更合理，有利于提高接头的抗应力腐蚀性能和降低粘扣的风险。

3 TP-QR特殊扣有限元计算分析

根据油田使用的典型规格，对J55 ø339．72× 12．19 mm TP-QR套管行有限元计算。根据套管接头的结构和受力特点，将其按轴对称问题处理，建立轴对称有限元模型。应力分布云图如图2所示。由图2可知，TP-QR各牙螺纹的等效应力很低，没有明显的应力集中现象，所以抗粘扣效果好。

这个规格的TP-QR接头在轴向拉伸4516kN（相当于管体屈服强度的95%）下等效应力分布如图3所示。在轴向拉伸载荷下，而TP-QR除了最后几牙不完整螺纹等效应力较大接近管体屈服强度外，其余各牙螺纹等效应力较小。

图2 TP-QR在上扣后的等效应力云图分布

图3 TP-QR在轴向拉伸载荷下的等效应力云图分布

4 全尺寸实物试验

全尺寸实物性能试验是检验油套管接头新产品开发的重要环节，TP-QR特殊扣接头按照ISO 13679 CAL II进行试验，进行上卸扣试验、复合力及极限载荷试验。试验规格为J55 ø339．72×12．19 mm。

4．1 上卸扣试验

套管进行了 4上 4卸试验，螺纹脂采用Bestolife 2000，接箍涂层磷化。图4是该TP-QR在4上4卸后的形貌。在4上4卸后，公母螺纹都扣型完好。

4．2 复合力试验

复合力试验包括B系试验和C系试验，B系列试验是常温下材料VME曲线第一和第二象限的循环试验，包括拉伸/压缩+弯曲+内压试验，C系列试验是热/内压与拉伸循环试验，压力介质是N2。管体实测的屈服强度447 MPa，管体实测壁厚最小壁厚11．58 mm计算载荷。

B系试验的除了9点外，其余各点都在VME= 95%的材料屈服强度的曲线上，9点的压缩载荷相当于管体屈服强度的50%。表1和图5是B系试验载荷步。在B系试验顺利完成后，才能进行C系试验。图6是C系试验载荷步。试验在3 000 t复合加载试验机上完成，试验过程中未发生任何泄漏，试验接头满足密封完整性要求。

图4 J55 ø339.72×12.19 mm TP-QR 4上4卸后形貌

5 TP-QR油田下井

J55ø508．0×12．7 mmTP-QR在国内某油田使用，下套管深度350 m，在下井过程中一次顺利入井，上

表1 B系试验载荷步

图5 ISO 13679 II级B系试验载荷点示意图

图6 ISO 13679 CAL II C试验载荷点示意图

扣速度快、上扣扭矩适中、位置准确、操作方便。

6 结论

TP-QR是一种用于大口径快速上扣的特殊扣接头，对扣方便，不易错扣。上扣后各个螺纹的应力分布较API接头均匀，不易粘扣。TP-QR通过ISO 13679 CAL II试验，具有可靠接头的连接强度和密封能力。基于以上性能，TP-QR可代替大口径的API螺纹接头套管，广泛用于表层套管。

[1] API 5B标准规范(15版)[S]．

[2]API5CT套管和套管规范（9版）[S]．

[3]许志倩．非API标准Big Omega特殊螺纹接头[J]．石油矿场机械，2009，38（6）：34-39．

[4]ISO 13679，2002油套管接头性能评价方法[S]．

Development of TP-QR Connector for Large Diameter Special Casing

ZHU De-wang and MEI Li
(Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

In order to tackle with the problems of slow make-up speed,big connection stress and difficult make-up control of the connector for API oil casing with diameter of 13．375 inch and above, TP-QR special connector dedicated for large diameter casing with fast make-up speed was developed．The new product passed ISO 13679 CAL II full scale property test,and its anti-galling property,sealing integrity and structure completeness meet product design requirements．The product was successfully used in oil field．

large diameter casing;special threaded connector;TP-QR;development

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．003

2013-09-15

2013-10-12

朱德旺（1969—），男，工程师，主要从事技术服务方面的研究工作。