非API规格偏梯形套管螺纹的开发

张垂贵

(衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳421001)

非API规格偏梯形套管螺纹的开发

张垂贵

(衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳421001)

为了满足特殊井况结构螺纹接头的需要，提出了非API规格套管设计方法，在原有API偏梯形螺纹齿形和参数的基础上，重新设计计算了中径、完整螺纹长度、管端至消失点总长度、接箍镗孔直径、管端至三角形标志长度和全顶螺纹长度等6项参数，对设计的非API规格偏梯形螺纹套管进行了有限元分析，并进行了拉伸试验和静水压试验。结果表明，设计的非API规格偏梯形螺纹套管性能满足相关标准要求，其抗拉伸及抗内压性能达到管体100％，抗压缩性能达到管体40％。

偏梯形螺纹；非API；套管；设计

油套管螺纹接头分为API螺纹接头和特殊螺纹接头，API螺纹接头较为常用。特殊螺纹接头一般设计有专门的密封和台肩结构，其密封性和抗载荷能力要强于API螺纹，多用于井况较为复杂的深井。但是，特殊螺纹接头加工检验复杂，价格昂贵。趋于综合考虑，部分油田在使用连接强度高的偏梯形螺纹的基础上，采用非API规格偏梯形螺纹套管取代部分API规格偏梯形螺纹套管，达到增加环空间隙或者增加套管层次等目的，从而提高固井质量或提高井身结构安全系数。

1 非API规格偏梯形螺纹的设计

1.1 参考API偏梯螺纹相近规格可确定的参数

设计的非API规格偏梯螺纹齿形仍然采用API偏梯形螺纹齿形，螺纹的承载面角度、导向面角度、齿高、锥度及螺距均与API偏梯形螺纹相同。除螺纹齿型外，API 5B标准中偏梯形套管螺纹尺寸共计14项，其中套管标称外径D、大端直径D4、每英寸螺纹牙数、不完整螺纹长度g、机紧后管端至接箍中心距离J、手紧后管端至接箍中心距离Jn、接箍端面至E7面长度、手紧紧密距牙数A这8项可以直接参考API偏梯螺纹相近规格直接确定。

1.2 需通过计算设计的螺纹参数

非API规格偏梯形螺纹需要设计的参数共有6项，分别为中径E7、完整螺纹长度L7、管端至消失点总长度L4、接箍镗孔直径Q、管端至三角形标志长度A1、全顶螺纹长度Lc，这6项参数之间的关系为

16in及以上规格时，E7=D-0.062in。

16in及以上规格时，Q＝D+0.154in。

16in及以上规格时，A1=L4+0.2in。

以上关系中，1in=25.4mm，从这些关系式中可以看出，只要确定出螺纹长度L7，其余参数都可以确定。

研究[3]表明，在拉伸载荷作用下，螺纹具有根部切变(沿滑移B)和塑性脱扣切变(沿滑移A)的趋势，如图1所示。各齿形的滑移长度见表1。

图1 螺纹剪切失效示意图

表1 拉伸载荷下螺纹齿形滑移参数 mm

螺纹失效是沿滑移A塑性脱扣，如果螺纹的连接强度大于管体，则必须满足

式中：n—啮合螺纹牙数；

τ—剪切屈服强度，MPa；

σ—屈服强度，MPa，σ/τ≈3；

l—滑移A的长度，mm；

t—管子壁厚，mm。

根据以上原理，并参照相近API规格的L7长度，可确定螺纹参数。

接箍外径W的选取原则是保证接箍的危险截面积约大于管体截面积，使接箍的连接强度大于管体连接强度，简化模型如图2所示。

图2 简化接箍模型

根据API 5C3，危险截面的大小Ac计算为

其中，当外径为127～339.7mm时，I=12.7mm；当外径＞339.7mm时，I=9.5mm。

另外，可根据公式NL=(L4+Jn-A)×2计算出接箍的最小长度，从而可以得出设计的250.8mm(9.875in)规格套管螺纹参数，见表2。

表2 非API规格偏梯形螺纹设计参数

2 非API规格偏梯形螺纹的有限元分析

2.1 模型网格划分

采用大型非线性有限元分析软件MSC.Marc/Mentat对设计的非API规格偏梯形螺纹进行建模和分析，由于螺纹的螺旋升角很小，忽略其影响，把接头视为轴对称结构。接头的材料为低合金钢，视为均匀的各向同性体。接触面的摩擦系数与螺纹脂类型有关，本计算接头中各接触面的摩擦系数取0.02[4]。选用的单元类型为轴对称三结点三角形实体单元，模型的有限元划分以及螺纹部分网格的局部细分如图3所示。

图3 非API规格偏梯形螺纹网格划分

2.2 计算结果

以N80钢级Φ250.83mm×115.88mm套管为例，模型的材料特性参考API SPEC 5CT标准及文献[5]，对N80套管的材料特性进行检测，结果见表3。

表3 N80钢级Φ250.83mm×115.88mm套管的材料特性

2.2.1 上扣

偏梯形套管机紧上扣按三角形位置控制，接箍进入三角形底边前一牙为最小机紧，此时螺纹上扣过盈量为0.238mm；接箍端面正好到达三角形底边，为最佳机紧位置，螺纹上扣过盈量为0.397mm；接箍端面到达三角形顶点为最大机紧位置，此时螺纹上扣过盈量为0.694mm。3种机紧位置接头的应力分布如图4所示。

从图4可以看出，管体端部应力较高，从管体端部到管体螺纹消失部分应力逐渐下降；接箍端部应力较高，从接箍端部到接箍中部应力逐渐下降。最小机紧位置上扣时，最高应力分布在接箍端部，最大应力不超过350MPa；最佳机紧位置上扣时，接箍端部由于壁薄，变形大，接箍端部完整螺纹的第一扣和第二扣局部已接近屈服，最高应力达到550MPa；最小和最佳机紧位置上扣时，管体均未发生屈服；最大机紧位置上扣时，接箍端部和管体端部大部分已屈服，但此时管体屈服部分并未扩大至管体危险截面及接箍危险截面，不会影响管体拉伸性能。

图4 3种机紧位置接头的应力分布

2.2.2 上扣+拉伸

螺纹接头按最佳位置上扣后，继续施加拉伸载荷，拉伸载荷逐渐增大至管体屈服强度，根据计算得出管体屈服强度为6 465kN。不同拉伸载荷下螺纹接头上扣应力应变情况如图5所示。

从图5可以看出，拉伸载荷达到80％管体屈服时，管体发生局部屈服；拉伸载荷达到100％管体屈服时，管体屈服区域扩大，接箍大端前两扣有轻微的塑性变形，但接头并未发生断裂失效，说明接头的拉伸强度大于管体屈服强度。

图5 不同拉伸载荷下螺纹接头上扣应力应变情况

2.2.3 上扣+内压

螺纹接头按最佳位置上扣后继续施加内压，内压值按管体屈服内压计算(61.1MPa)，其等效应力分布如图6所示。由图6可见，接箍局部已经屈服，其覆盖的管体部分并未屈服，接箍危险截面的位置也未发生屈服，截图未发生失效。

图6 螺纹接头最佳位置上扣并施加内压后的等效应力分布

2.2.4 上扣+压缩

螺纹接头最佳位置上扣后继续施加压缩，压缩值按管体屈服强度的40％计算(2 585kN)，施加压缩后的应力分布如图7所示。由图7可以看出，施加压缩后，只在管体首扣以及接箍端面前两扣发生局部屈服，接头并未发生失效。

图7 螺纹接头最佳位置上扣并施加压缩后的等效应力分布

3 非API偏梯形螺纹套管实物性能试验

3.1 试验准备

试验采用P110钢级Φ200.03mm×10.92mm套管，准备6根材料性能和螺纹参数均合格的试样，将试样分为2组，Y组3根，编号分别为Y1、Y2和Y3；Z组3根，编号分别为Z1、Z2和Z3。Y组试样A端进行3次上卸扣，之后拉伸至失效；Z组试样A端进行3次上卸扣，之后静水压及内压至失效。

3.2 试验结果

对两组试样分别进行上卸扣试验，均未发生螺纹粘扣现象。Y组试样拉伸至失效检测结果见表4。Z组试样静水压及内压试验结果见表5。从表4和表5可以看出，试样拉伸和静水压试验结果均满足标准要求。

表4 Y组试样拉伸试验结果

表5 Z组试样静水压试验结果

4 结 论

根据API偏梯形套管已有的设计规律，研究设计出非API规格的偏梯形螺纹套管，并对其进行了有限元分析和全尺寸评价试验，试验结果均满足标准要求。设计的非API规格偏梯形螺纹套管的抗拉伸、抗内压性能达到管体100％，抗压缩性能达到管体40％。

[1]API SPEC 5B，套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范[S].

[2]API SPEC 5C3，石油天然气工业套管、油管、钻杆和管线管性能计算[S].

[3]高连新.WSP特殊螺纹接头油井管的研制[J].石油机械，2003，31(9):6-7.

[4]高连新，金烨，史交齐.圆螺纹套管的滑脱机理研究[J].钢铁，2005，40(7):3-4.

[5]夏佑广.HSM-2特殊螺纹套管接头设计分析[J].焊管，2016(4):2-3.

[6]肖建秋，彭高.API偏梯形螺纹接头极限抗拉能力分析[J].石油矿产机械，2008，37(3):53-56.

[7]KWON W Y，KLEMENTICH E F，KO I K.An efficient and accurate model for the structural analysis of threaded tubular connections[J].SPE Production Engineering，1990，5(4)：261～264.

[8]MICHAEL J，MANUEL A D.How to evaluate and select premium casing connections[C]//SPE/IADC Drilling Conference.NewOrleans，Louisiana：SocietyofPetroleumEngineers，1996.

[9]API RP 5C5—2003，油套管螺纹连接性能评价方法[S].

[10]API 5CT，套管和油管规范[S].

Non-API Specification Buttress Casing Thread Development

ZHANG Chuigui
(Hengyang Valin Steel Tube Co.,Ltd.,Hengyang 421001,Hunan,China)

In order to meet the requirements of the special well conditions structure thread joint,the non-API specification casing design method was put forward.Based on the original API buttress thread tooth shape and parameters,it redesigned and calculated 6 parameters,including the pitch diameter,complete thread length,the total length from pipe end to the vanishing point,coupling bore diameter,the length from pipe end to the triangle mark,and the top thread length.The finite element analysis was carried out for the designed non-API specification buttress thread casing,and conducted tensile test and hydrostatic test.The results indicated that the performance of the designed non-API specification buttress thread casing meet the requirements of relevant standards,its tensile resistance,internal pressure resistance performance achieved 100％of the pipe,the compression resistance achieved 40％of the pipe.

buttress thread;non-API;casing;design

TG113.225

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.006

张垂贵(1983—)，男，工程师，主要从事油套管特殊螺纹接头研发工作。

2016-07-14

李 超