圆螺纹套管接头偏心对连接强度影响的分析

闫 凯，袁 野，杨红兵，卫 栋，田新新

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西 西安 710077；2.辽河石油勘探局有限公司 物资分公司，辽宁 盘锦 124012)

API圆螺纹套管因其良好的连接性能和实用性能已广泛应用于油气田开发生产中。圆螺纹套管接头滑脱是油气井管柱失效中最常见的一种[1-2]。某工厂生产的一批φ139.70 mm×9.17 mm的LC套管出现了多支螺纹接头偏心的情况，即加工出的螺纹轴线与管端轴线偏离，从外观看，接头螺纹同圆周处壁厚不同。API标准中仅对管体壁厚和螺纹参数等有要求，并未明确规定螺纹处厚度及接头偏心的要求[3-4]。为了确定圆螺纹套管螺纹接头偏心对接头连接强度的影响，本文分析了造成接头偏心的原因，根据圆螺纹套管接头连接强度计算公式，分析了不同情况下造成圆螺纹套管接头偏心对连接强度的影响，并提出控制圆螺纹套管接头偏心的建议。

1 API圆螺纹套管接头结构及参数要求

1.1 圆螺纹套管接头结构

API圆螺纹套管接头采用管体螺纹和接箍螺纹拧接的连接方式，结构图如图1所示。

图1 圆螺纹套管接头结构图

API SPEC 5CT对套管接头的几何尺寸有明确要求，API SPEC 5B对螺纹参数有明确的要求，φ139.70 mm×9.17 mm LC套管的几何尺寸和螺纹参数要求见表1。其中，螺纹接头管端至螺纹消失点的总长度(L4)和全顶螺纹最小长度(Lc)是影响内外螺纹接头啮合长度的关键参数，是保证接头连接强度的基本要求。API SPEC 5B对L4只给出了确定数值，作为螺纹设计的依据，没有规定公差，不作为产品接收和拒收的依据。API SPEC 5B对Lc有明确要求，对于8牙圆螺纹套管，Lc=L4-28.58 (mm)，作为产品接收和拒收的依据之一。

表1 LC套管主要几何尺寸及螺纹参数要求

表1中，P1为工作环规互换紧密距值，如用校对规，则紧密距为P。

1.2 圆螺纹套管接头偏心检测

某工厂生产的一批φ139.70 mm×9.17 mm的LC套管出现了大量螺纹接头偏心的情况(见图2)。通过测量该类管子同圆周螺纹处的8个方向管子壁厚得知，壁厚相差最大达到1.9 mm，螺纹接头出现严重偏心，部分外螺纹内倒角不全。而在API标准中，仅对管体壁厚和螺纹参数等有要求，并未明确规定螺纹处厚度及螺纹偏心的要求。对于出现的螺纹接头偏心情况应分析其产生的原因，并研究其对螺纹接头连接强度的影响，防止接头出现断裂失效。

图2 圆螺纹套管接头外螺纹端部壁厚不均

2 造成套管接头偏心原因分析

造成套管螺纹偏心的因素主要有3种：管端弯曲、管端壁厚不均和管端椭圆。针对这3种因素分别分析套管接头偏心的程度。

2.1 管端弯曲

目前无缝套管生产多采用热轧+热处理工艺制造，生产出的管子并非是理想端直，会产生弯曲。API SPEC 5CT中对管子端部直度有明确要求：每端1.5 m长度范围内的偏离距离≤3.18 mm。此要求比较宽松，并非只考虑螺纹加工。一般采用数控车床进行管体螺纹加工时，夹持位置距离管端约0.3 m。按照API SPEC 5CT要求，通过比例计算可知，管端0.3 m范围的偏离距离应≤0.64 mm。假设φ139.70 mm×9.17 mm规格光管管端外径为139.70 mm，端部理想端直，Lc为75.622 mm。如管端0.3 m弯曲0.64 mm，全顶螺纹轴向长度则至少减少2×0.64/K=20.48 (mm)(K为螺纹锥度)，此时Lc=75.622-20.48=55.142 (mm)，已经超出API 5B对该规格螺纹Lc(≥60.32 mm)的要求。要保证该规格圆螺纹全顶螺纹长度，则管端0.3 m范围的偏离距离t≤(75.622-60.32)K/2=0.478 (mm)。相对于API SPEC 5CT换算要求严格。目前多数工厂内控管端1.5 m内直度≤2 mm，换算到管端0.3 m弯曲度≤0.4 mm，对于加工套管圆螺纹可以保证全顶螺纹长度。管端弯曲也可导致加工出的圆螺纹同圆周处壁厚不均，如管端弯曲q，则同圆周处螺纹壁厚偏差可能达到2q。

2.2 管端壁厚不均

热轧无缝管内径尺寸主要由芯棒控制，生产中不可避免地会出现管子壁厚不均的情况。假设管子端直，外径标准，管子内径轴线偏斜，将造成管子壁厚不均。当管子内径轴线与管子外径轴线偏差为d时，即可造成管端壁厚不均为Tmax-Tmin=2d，此时加工出的接头同圆周处螺纹壁厚偏差为2d。

2.3 管端椭圆

API SPEC 5CT中对管子椭圆未作明确要求。然而椭圆对套管圆螺纹加工质量却有重大影响。假设φ139.70 mm×9.17 mm规格光管管端外径为139.70 mm，当Lc=60.32 mm时，Lc处螺纹的大径DLc=DE1-(L1-Lc)K，带入数值得出DLc为138.14 mm。即管端椭圆时最小外径应≥138.14 mm，否则加工出螺纹Lc不符合标准要求。如管端在0°和90°方向上对称椭圆，椭圆度为t=Dmax-Dmin，则加工出的接头同圆周处螺纹壁厚偏差为t。

3 套管螺纹偏心对接头连接强度的影响

套管的连接强度是指套管在各种载荷的共同作用下，而不发生连接失效的能力，主要包括套管管体的连接能力和套管接头的连接能力。大量油田生产实践和室内实物试验表明，螺纹联接处是套管的薄弱环节，螺纹接头联接失效是套管失效的主要形式。

1964年，美国学者W. O. Clinedinst通过研究提出了圆螺纹套管接头连接强度的计算公式。美国石油学会(API)将此公式收录，作为井下套管柱设计准则，至今仍被广泛应用[5]。针对接头管体螺纹参照以下2个公式，其中，公式1是计算接合面断裂的最小强度，公式2是计算接合面的螺纹滑脱时的最小强度。

Pj=0.95AjpUp

(1)

(2)

式中，Pj为最小接合面强度；Ajp为末圈螺纹处管体的横截面积，对于8牙螺纹，Ajp=0.785 4[(D-0.142 5)2-d2]；D为管体名义外径；d为管体名义内径；L为螺纹长度；Yp为管体最小屈服强度；Up为管体的最小极限强度。

如果套管螺纹出现偏心，但螺纹参数(包括螺纹长度等)符合标准要求，则影响断裂强度的主要因素是末圈螺纹处的管体横截面积。管端弯曲、管端壁厚不均和管端椭圆等3种情况下末圈螺纹处的管体横截面积情况如图3所示，其中加粗线为末圈螺纹根部轮廓线，阴影部分为该处的管体横截面。

与理想状态的管子相比，如果管端弯曲、壁厚不均或椭圆的程度未导致末圈螺纹不完整，则管体横截面积与理想状态相同，管子螺纹处的抗拉强度不受影响；如果管端弯曲、壁厚不均或椭圆的程度已导致末圈螺纹不完整，即图3中管子外壁已经跃进加粗线内侧，则会影响末圈螺纹处管体横截面积，从而影响管子螺纹处的抗拉强度。

API套管接头连接强度的计算公式主要基于套管受拉伸载荷作用工况，而套管在实际生产使用中经常受拉伸、压缩和弯曲等多种载荷，套管接头螺纹偏心对套管抗拉性能的影响还应结合数值模拟及实物试验等多种方法进行研究分析。

4 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)造成套管螺纹偏心的因素主要有3种：管端弯曲、管端壁厚不均和管端椭圆。

2)按照API强度计算公式，保证末圈螺纹完整，则套管螺纹偏心对接头连接强度无影响。

3)工厂生产时应尽量避免螺纹偏心的出现，并严格检验末圈螺纹是否完整，防止末圈螺纹不完整造成的套管接头连接强度减弱。

4)应结合数值模拟及实物试验等多种方法进行研究分析接头螺纹偏心对连接强度的影响。