特殊螺纹油套管设计及国内产品现状分析

戚宝建，张晓玲，樊金侠

（1.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司天津石油专用管分公司，天津 300280；2.渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

20 世纪60 年代末，有研究人员作出改造API 螺纹接头结构的提议，不单纯是对螺纹实施密封处理，增设专门密封结构提升其整体密封性能，也要增设扭矩台肩，这是调控上扣扭矩与方位的有效方法之一。80 年代以后，特殊螺纹接头快速发展，性能优良的特殊结构陆续被研发，部分产品至今依然有规模化应用，如NEW VAM、FOX 及NSCC 等。我国高度重视特殊螺纹接头的开发情况，但对其整体质量分析评估发现，其在品种上依然无法满足很多油气田开采的现实需求，因此应加强产品设计规划及完善措施的研究。

1 特殊螺纹接头的设计研究

从宏观层面分析，特殊螺纹接头的结构可被细化为螺纹（T）、密封（S）、扭矩台肩（D）三大部分（图1）[1]。密封部位主要通过衔接母扣和公扣局部部位，强化接头的抗泄漏能力；设计扭矩台肩是为更准确的调控上扣部位，促使密封面的过盈量处于最适宜状态，进而增强接头的密封性。接头螺纹并不具备密封功能，仅有衔接作用。这就提示在规划设计螺纹期间，需要应对的问题是在拉伸、弯曲等外部荷载作用下，维持结构完整度，持有较强的使用性能。

1.1 螺纹

图1 特殊螺纹接头

（1）选用钩形螺纹作为承载面。使用钩形螺纹，一是提高了接头的拉伸强度，二是强化接头的抗弯曲力。钩形螺纹的加工条件较为严格，若机床精确度偏低、加工流程不规范等，均可能出现齿底台肩情况。分析多种影响因素以后，拟选用承载面-4°钩形螺纹。

（2）导向面角度。已有设计实践表明[2]，当接触面的摩擦因数高于形半角的正切值时，能有效规避接头滑脱情况。完善导向面间隙，保证接头在压缩作用下，导向面相触及部位承载的压缩力不会过高，而扭矩台肩承载大比例的压缩载荷，整体分析后，拟选导向面11°。

（3）确定锥度、螺距、齿高。既往有研究指出[3]，伴随螺距的减缩过程，螺纹持续变形量有增加趋势，此时自体衔接强度也有上升；螺纹偏高时，有助于预防接头脱扣失效情况。针对规格为5～7英寸的接头，锥度、螺距、齿高依次对应为5 牙/英寸、1.58 mm（公）/1.78 mm（母）、1∶16。

1.2 密封结构

目前，国内针对特殊扣接头的密封设计，锥面/锥面、锥面/球面是常见形式，在接触压力等同的情况下，金属锥面/锥面在密封效果方面更占优势，故本设计中采用该种形式进行设计。

在局部接触压力一定的情况下，通过扩增接触表面积，有益于提升气密封压力，取密封面锥度为18°，拟将接头密封过盈量控制在0.4～0.9 mm。结合相关公式，计算密封过盈量、加工公差。比如，采用177.8×10.36 L80，E=2.07×105MPa，材料屈服强度（I1）、内屈服压力（I2）依次是553 MPa、56.25 MPa；管内径、啮合面直径、接箍外径依次是157.09 mm、176.5 mm、200.02 mm，计算得I1=0.83，I2=0.44。

1.3 扭矩台肩

扭矩台肩是特殊螺纹设计阶段的一项重要内容。在特殊螺纹接头内，扭矩台肩的作用以定位、吸收多余扭矩及辅助强化密封性等为主。应加强扭矩台肩厚度指标的设计，确保其持有足够的厚度，这是增强其抗压性能的重要途径；待依照设计图纸联合应用密封面后，在径向力的作用下，扭矩台肩形体会出现不同程度改变。增加台肩厚度，能间接改善接头的抗压性，但若台肩厚度超出限定值，将会增加弹性变形的难度，诱导密封面粘结过程。因此，在设计阶段，建议依照规格、壁厚以及螺纹过盈量等指标，将台肩厚度设定为4～10 mm。

1.4 设计接箍尺寸

接箍外径（W）的设定，应严格遵照接箍的危险截面略微大于管体截面的规格，确保接箍的衔接强度高于管体的衔接强度。接箍的设计长度，应以螺纹啮合长为参照。拧紧接头后，应对齐接箍通孔、管体内径平，这是解除紊流情况的有效措施之一。

2 国内特殊螺纹油套管产品介绍

2.1 宝钢BGC 型

BGC 型套管螺纹密封设计原理：增设金属-金属密封结构，以弹性过盈配合为支撑，促进公、母头金属表面衔接过程，保证了接头衔接处的密封性。BGC 型套管设计特殊螺纹是为迎合油气井开采作业提出的特殊要求，与标准API 扣进行对比分析，其结构设计的特殊性主要表现在4 个方面[4]：

（1）选用偏梯形螺纹。该类螺纹衔接效率处于较高水平，承载面角、导向面角分别为3°和10°，从根本上确保了接头抗拉强度高于管体，维护了套管结构的完整度。并且，对螺纹中径加以完善，借此方式调控螺纹过盈量，提升螺纹上扣结构的完整度。

（2）密封结构。选用径向型金属—金属过盈结构，该类型结构的气密性、抗泄漏性均和管体内屈服压力相配套

（3）扭矩台肩。选用逆向15°扭矩台肩，可更为精准地调控上扣扭矩，消除API 扣上扣出以及扭矩范畴对接头性能发挥形成的不利影响，促进接头耐粘扣性、抗过扭矩水平同步提升[5]。

（4）内表面。扭矩台肩位置与管体侧内径交汇位置的设计质量，影响接头的抗腐蚀性能，拟将其设计为平滑过渡。

2.2 天津PRE-CUT 系

接箍连接是TP-CQ 系特殊螺纹接头的主要连接形式，螺纹与锥形密封是接头的主要构成，参照API 偏梯型螺纹规划设计螺纹齿形。在该系列接头内，螺纹起到的作用以传导载荷为主，基本上不具备气密封功效。在接头拧紧、衔接效果符合上扣扭矩对应的设计要求后，密封面端部（公）与接箍中扭矩台肩实现对顶。而处于过盈状态下的密封面有强化气密封水平的功能。

综合多种因素后，认为PRE-CUT 系产品结构规划设计具有合理性特征，其密封性能优良、衔接强度处于较高层面。在室温环境下开展试验研究，发现其最高压力大于级配、规格尺寸相持平管体的内屈服强度，在复杂的弯曲条件下，接头不发生或很少发生泄漏事件。另外，本系列接头产品持有的衔接强度和管体屈服强度相毗邻，提示该产品在深井开采环境中能表现出较大的实用价值。为优化本系列产品的整体设计效果，在实践中应科学选择密封面参数，大体上囊括3 个特征[6]：①选用金属-金属密封；②负角的扭矩台肩有完善化的止扣性；③内孔平整、相互对齐，有益于增强接头的实用性能，减少对突出位点形成的损伤。在设计螺纹过盈度时，要求在拧紧接头后，接箍外表层有相对较低的环向应力，有益于强化接头的抗腐蚀性，维护其使用过程的安稳性。

2.3 无锡西姆莱斯WSP 系

该产品设计阶段，将API 的偏梯形螺纹设作为参照范本，科学调整了螺距、齿高、紧密距等诸多参数，选用了锥度是1∶16的偏梯形螺纹。为强化接头的密闭性，拟定选用金属-金属结构，充分利用其径向过盈量。产品选用15°逆向台肩，在扭力支撑下顺利抵达端面的密封设计标准，构建多级式密封，精确调控螺纹上扣范围以及扭矩范畴，确保螺纹与密封面间干涉量大小的适宜性，明显增强了接头的抗泄漏性能。

有关人员在全面分析WSP-1T 型接头性能优势的基础上，以其为基础设计了WSP-2T 型接头，是进一步强化接头抗扭性能的有效方法之一[7]。WSP-2T 型螺纹为API 偏梯形螺纹，在长度指标上有适度延展，为提升螺纹承载性能奠定基础。为提升WSP-2T 型接头的密封性，选用内螺纹球面/外螺纹球面，适度拓展球面弧度，目的是扩增密封接触面积、降低密封面承载的接触压力。选用双级台肩设计扭矩台肩，内外台肩都选用直角台肩。

3 结束语

为提升深井油田资源的开采效果，不应长期使用符合API标准的油套管，应加大油套管性能的改善力度。在设计、研发特殊螺纹油套管过程中，加强螺纹、密封及扭矩台肩等多个部分结构的完善，力求最大限度提升管柱的完整性、密封性及适用性。尽管目前我国在特殊螺纹油套管产品研发方面已取得一定进展，但创新、优化的脚步不能停止。应加强套管设计流程与现代电子技术的深度融合过程，借此方式进一步优化产品设计效果，为油田行业发展做出更大贡献。