非API尺寸套管偏梯形螺纹接头设计*

2022-03-02潘志勇王建军张赟新韩礼红王建东任相羿

石油管材与仪器 2022年1期

潘志勇，王建军，史华，张赟新，韩礼红，王建东，任相羿

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室陕西西安 710077；2.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司油气工艺研究院陕西西安 710021；3.中国石油新疆油田分公司呼图壁储气库作业区新疆呼图壁 831200)

0 引言

套管柱通过螺纹接头进行连接，套管失效部位也主要集中在螺纹部位[1-3]，所以螺纹接头一直是研究的热点和难点[4-8]，正确设计和选用螺纹接头是保证套管经济可靠服役的关键。石油行业使用最广泛的螺纹是API圆螺纹和API偏梯形螺纹，API圆螺纹密封效果好但连接强度低，API偏梯形螺纹连接强度高但密封性差，所以这两类螺纹接头需要根据工况进行选用。油田现场由于工艺的特殊要求，有时无法选出合适的API规格套管，这就导致螺纹接头需要设计和开发，参考成熟的螺纹接头并进行性能计算和分析是获得优良螺纹接头的重要手段。

1 管体设计

生产套管使用在含少量天然气的垂直油井中，其中天然气中伴随少量硫化氢，浓度约为0.076 mg/L。油井设计井深为7 700 m，最大压力为95 MPa，压力衰减快，套管通径要求大于168.28 mm。根据标准SY/T 5724《套管柱结构与强度设计》选用套管柱安全系数：抗拉安全系数为1.60，抗内压安全系数为1.05，抗外挤安全系数为1.0。

干燥的硫化氢对金属材料无腐蚀破坏作用，而含湿气的硫化氢会对金属产生均匀腐蚀、氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂。硫化物应力腐蚀开裂的破坏原理是硫化氢产生的氢原子渗透到钢的内部，溶解到晶格中，导致钢材脆性，在外加拉应力或残余应力作用下形成开裂。硫化物应力腐蚀开裂属于低应力破坏，发生开裂时的应力远低于材料的抗拉强度，而且具有突发性特点，即裂纹扩展迅速，主要发生于高强度钢、高内应力构件上。由于高钢级套管存在较高的缺口敏感性和应力腐蚀开裂倾向，与P110钢级的套管进行比较，套管C110套管具有更好的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能，所以套管材质选用C110经济型抗硫套管。

为满足油田工况要求，基于现有套管规格Φ200.03 mm×10.92 mm C110进行生产套管柱的设计。通径168.28 mm时，规格为Φ200.03 mm×14.285 mm C110套管抗内压安全系数为0.997，不能满足基于现有套管外径设计要求。由于井深7 700 m时单一规格生产套管柱抗拉安全系数不能满足要求，故将生产套管柱设计成双规格复合管柱，即井深0～2 500 m的上部套管柱规格设计为Φ206.38 mm×15.8 mm C110，井深2 500～7 700 m的下部套管柱规格设计为Φ200.03 mm×14.2 mm C110。套管柱最小抗拉安全系数为1.61，最小抗内压安全系数为1.07，最小抗挤安全系数为6.26，设计的Φ206.38 mm×15.8 mm C110套管管体规格满足工况要求。

2 接头设计

API螺纹包括圆螺纹和偏梯形螺纹，其中圆螺纹接头的连接强度低，仅为管体强度的60%～80%。API偏梯形螺纹接头连接强度大，可达等管体强度，具有较好的螺纹接头水密封能力，但气密封能力较差。由于油井中气体占比小，生产压力下降速度快，达到2 MPa/d，故Φ206.38 mm×15.8 mm C110生产套管螺纹接头采用偏梯形螺纹。内外螺纹形状及尺寸采用API偏梯形螺纹，参考邻近尺寸API套管偏梯形螺纹接头尺寸进行设计的螺纹接头尺寸见表1。

表1 螺纹接头尺寸

偏梯形螺纹套管接头连接强度为管体螺纹强度及与管体端部手紧啮合位置的接箍螺纹根部的断裂强度二者的较小值。根据标准ISO/TR 10400采用公式(1)和(2)计算偏梯形螺纹套管的连接强度。

管体螺纹强度为：

pj=0.95APfumnp[1.008-0.039 6(1.083-fymnp/fumnp)D]

(1)

接箍螺纹强度为：

pj=0.95Ajcfumnc

(2)

经过计算，Φ206.38 mm×15.8 mm C110套管管体抗拉强度为7 171 kN，管体螺纹强度为7 296 kN，接箍螺纹强度为7 193 kN，所以接头连接强度为7 193 kN，满足设计要求。

偏梯形螺纹套管接头内压泄漏抗力最薄弱部位为中径面，该处内压泄漏抗力最低，根据标准ISO/TR 10400采用公式(3)计算接头内压泄漏抗力。

(3)

式中：E为弹性模量；ES为密封面中径，对于偏梯形螺纹为E7，in；N为螺纹上扣旋转圈数，对于外径小于或等13in的偏梯形螺纹套管为A+1，对于大于或等于16 in的偏梯形螺纹套管为A+1；p为螺距，对偏梯形螺纹套管为0.200 in；piL为泄漏内压，psi；Td为螺纹锥度，外径小于等于13"的套管为0.062 5 in/in，更大外径规格的锥度为0.083 3 in/in；W为接箍外径，in；A为手紧紧密距。

经过计算，Φ206.38 mm×15.8 mm C110套管螺纹接头内压泄漏抗力为77 MPa，在压力以2 MPa/d的幅度进行下降的条件下，经过9 d后即使油管发生泄漏套管也能满足工况的要求。

3 接头应力分析及实物验证

根据设计的Φ206.38 mm×15.8 mm C110套管螺纹接头尺寸进行有限元分析，将接箍中性横截面轴向固定，径向为自由状态，螺纹间摩擦系数为0.02，材料强度选取API C110钢级套管的名义值，采用理想弹性模型进行分析。螺纹接头几何模型如图1所示，螺纹接头网格划分如图2所示，螺纹接头在50%管体强度拉伸下的应力分布如图3(a)所示，在77 MPa内压条件下的应力分布如图3(b)所示。

图1 螺纹接头几何模型

图2 螺纹接头网格划分

图3 螺纹接头应力分布

从螺纹接头有限元应力分布可见，螺纹最大应力产生在管端外螺纹第1扣和接箍内螺纹第1扣，所以这两处是螺纹容易发生粘扣的部位。套管小端处和接箍大端处是基体应力较大的部位。螺纹接头在轴向拉伸条件下管体外螺纹大端第一非完整扣承载面首先屈服失效，第二非完整扣承载面应力和第三非完整扣承载面应力逐步减少，起主要承载作用的完整螺纹及大部分非完整螺纹均处于较小应力状态下。螺纹接头在77 MPa内压条件下的应力分布显示管体外螺纹受到的应力较小，而接箍内螺纹受到的应力较大，但除大端第1扣外其余各丝扣所受到的应力均小于材料屈服强度。

为检验螺纹接头的连接强度和密封性能，在内外螺纹上涂抹螺纹脂后按最佳位置上扣，1根试样进行实物拉伸试验，另1根试样进行内压条件下的水密封试验。将拉伸试样两端固定在1 500 t拉伸试验机上后施加轴向拉伸载荷，最终接头未发生脱落，管体发生断裂失效，失效时的最大载荷为8 429 kN，说明螺纹接头连接强度大于管体，拉伸性能达到设计要求。在内压试样两端焊接堵头后进行内压条件下的静水压试验，先施加77 MPa的水压，保压15 min未见泄漏，然后将水压增加到95 MPa，保压15 min仍未发生泄漏，说明螺纹接头密封性能达到设计要求。