海洋油气油管套管特殊螺纹接头评价技术研究

王 领 张红生 啜广山 赵宏林 肖华平 史交齐

(1. 中海油能源发展装备技术有限公司 天津 300452； 2. 中国海洋石油有限公司钻完井办公室 北京 100010；3. 中国石油大学(北京) 北京 102249； 4. 西安三维应力工程技术有限公司 陕西西安 710065)

20世纪50—70年代，中国油井管生产技术刚刚起步，油井管数量、品种和质量都远远满足不了石油工业发展的需要。1990年以来，国产油井管量逐年大幅提高，国产率由原来的不足10%逐年上升，截至2010年基本实现API产品的全面国产化，并针对复杂服役条件需求形成了十几个系列的非API油井管产品[1]。

近几十年来，世界油气开发的重心向海洋转移，全球约一半的重大油气勘探和开采均来自海洋。渤海油田是我国最大的浅海海上油田，东海以及南海东部、南海西部等海洋深水海域的油气开采也将是未来油气开采的重要区域[2]。而随之而来的是油气钻采深井、超深井、大斜度井、长水平段水平井、高温高压腐蚀气体含量高等恶劣的井况，以及钻井工艺的不断更新对油管套管管柱的服役条件提出更高的要求。API油管套管以及油管套管螺纹连接的适用范围不能够完全覆盖上述复杂载荷条件的井况。因此，针对海洋油层特性及钻采工艺特点的油管套管特殊螺纹接头的研发成为保证海洋深水油气开采防泄漏保安全的关键。

1 油管套管特殊螺纹接头的结构特点及密封机理

API螺纹的密封机理为依靠螺纹过盈啮合产生的接触压力来获得，同时借助螺纹脂封堵啮合螺纹齿间存在的泄漏通道来实现密封[3]。在90 ℃温度以上，API螺纹就会失去密封作用，尤其是气密封性能基本为零。因此，在高温情况下，API螺纹的气密封能力很差，仅具有一定的液体密封能力；API中圆螺纹连接效率也比较低，一般只有管体的70%～80%，而且螺纹所受应力分布不均，应力易集中在前几扣，极易发生粘扣现象，降低螺纹的连接性能，上扣质量不稳定，API偏梯形螺纹易发生过扭现象。

特殊螺纹接头的大多采用偏梯形、改进型偏梯形、钩形、楔形螺纹提高连接效率[4]，通过降低螺纹中径过盈配合量，优化接头应力分布，提高抗粘扣性能，普遍增加了扭矩台肩，提高了上扣控制质量和水平，密封结构普遍增加了锥面对锥面的主密封结构，采用金属/弹性过盈配合产生的接触压力来实现密封，有的设计多段锥面对锥面的金属密封增强接触压力，其主要技术特点是良好的密封可靠性和结构完整性，上扣质量可靠可控，接头的连接效率提高，应力均布获得优化，复合载荷承载能力显著提高。

2 油管套管特殊螺纹接头评价内容

为保证特殊螺纹接头的设计以及生产的可行、可靠性和质量效果，同时保证产品现场使用性能的适应性、产品结构、密封、质量完整性，在特殊螺纹接头产品优化研发阶段需要使用各种评价方法对特殊螺纹接头的以下内容进行评价[5-9]。

1) 特殊螺纹连接所用管材材料性能评价，包括材料的拉伸性能、各向异性、材料硬化指数、材料的硬度，接箍和管材的硬度匹配适用性、材料的微观组织、均匀性、耐高温性能。

2) 特殊螺纹连接的结构和密封性能评价，结构设计是否满足性能要求；上、卸扣性能，是否可以经受油管10次上卸扣，套管3次上卸扣的操作而保证特殊螺纹连接不发生粘扣或者轻微粘扣，所采取的表面处理方法能够满足上卸扣要求，所采取的结构能够满足密封性能要求。

3) 特殊螺纹连接的可加工性评价，是对特殊螺纹设计以及优化设计可加工性的检验，检测方法及量具可行可靠性评价；密封面粗糙度、密封面公差范围、螺纹中径公差范围、螺纹中径处以及密封面直径的不圆度、最终的表面处理；特殊螺纹设计以及优化设计对生产效率、合格率以及生产成本的影响。

4) 下井操作性评价，是对特殊螺纹连接的互换性、操作方便性以及上扣扭矩特性，螺纹可修复性，配套短节和工具齐全的评价。

3 油管套管特殊螺纹接头评价方法及优缺点

特殊螺纹接头评价方法一般采取API螺纹性能公式计算分析、特殊螺纹接头性能公式计算分析、有限元分析方法、小尺寸性能评价试验、全尺寸评价试验以及现场下井评价试验。由于大多数特殊螺纹接头采取在API偏梯形螺纹齿形基础上优化结构、密封以及公差配合，因此在结构设计确定之前，可以使用API或者特殊螺纹接头性能公式计算对设计优化和改进做一个初步评价。

1) 油管套管特殊螺纹接头性能计算公式分析评价。

国内大多数企业在特殊螺纹接头设计之初一般需要参考API螺纹接头性能公式进行计算，对特殊螺纹接头的性能与API螺纹进行对比得出初步评价，然而，由于API螺纹接头性能理论公式是基于 API偏梯形螺纹套管实物性能失效试验回归的经验公式[10]，其对具有金属对金属密封以及扭矩台肩的特殊螺纹往往不适用。因此，特殊螺纹套管接头的连接强度需要考虑台肩预紧力，则套管金属密封特殊螺纹拉伸连接强度应取管体螺纹断裂强度、接箍螺纹断裂强度以及台肩分离临界轴向载荷三者中之最小值：

(1)

式(1)中：pjc为套管气密性特殊螺纹拉伸连接强度，N；D为管体名义外径,mm；Ft为台肩面初始预紧力，N；d0为管体外螺纹本体内直径，mm；D0为接箍内螺纹本体外直径，mm;dsh为台肩面外直径，mm；Ap为管体本体横截面面积，mm2；Ajc为接箍临界截面横截面面积，mm2；fymnp为管体规定最小屈服强度，MPa；fumnp、fumnc分别为管体和接箍规定最小拉伸强度，MPa 。

实际应用过程中，为评价套管金属密封特殊螺纹拉伸连接性能，定义拉伸连接效率Ejc为

(2)

显然，当Ejc<1时，螺纹先于管体失效；当Ejc=1时，螺纹与管体同时失效； 当Ejc>1时，管体先于螺纹失效。

根据油管反复使用的油气井服役状况，油管金属密封特殊螺纹拉伸连接强度取管体本体屈服强度pjt1、管体外螺纹最末完全扣处屈服强度pjt2、接箍屈服强度pjt3以及台肩分离临界轴向载荷pjt4之最小值：

(3)

式(3)中：pjt1为油管管体本体屈服强度，N；pjt2为油管管体外螺纹屈服强度，N；pjt3为油管接箍内螺纹屈服强度，N；pjt4为油管台肩面分离强度，N；D4为螺纹大段直径，N；hB为完整螺纹牙工作高度，mm；pjt为油管气密性特殊螺纹拉伸连接强度，N；fymn为规定最小屈服强度，MPa。

实际应用过程中，为评价油管金属密封特殊螺纹拉伸连接性能，定义油管拉伸连接效率Ejt为

(4)

与套管相同，当Ejc<1时，螺纹先于管体失效；当Ejc=1时，螺纹与管体同时失效； 当Ejc>1时，管体先于螺纹失效。

油管套管金属密封特殊螺纹压缩强度需首先分析接箍危险截面受力，得受压后接箍危险截面总载荷为

(5)

式(5)中:Ft为台肩面初始预紧力，N；Fwc为轴向压缩载荷，N。

当轴向压缩载荷Fwc较小时，接箍危险截面仍受拉；当Fwc较大时，虽然接箍危险截面受压，但该压缩载荷都要远小于Fw，这表明在管体本体或外螺纹屈服前，接箍危险截面永远不可能屈服。因此，油管套管气密性特殊螺纹的压缩失效连接强度应取管体本体屈服强度Cj1、管体外螺纹大端截面屈服强度Cj2和台肩面许用接触应力对应的临界轴向压缩载荷Cj3之最小值，则油管套管特殊螺纹接头压缩强度为

(6)

式(6)中：Cj为油管套管气密性特殊螺纹压缩连接强度，N；psh为台肩许用接触应力，MPa；hB为完整螺纹牙工作高度，mm。

实际应用过程中，为评价油管套管金属密封特殊螺纹拉伸连接性能，定义油管拉伸连接效率Ecj为

(7)

对于油管和套管，当Ecj<1时，螺纹先于管体失效；当Ecj=1时，螺纹与管体同时失效； 当Ecj>1时，管体先于螺纹失效。

油管套管特殊螺纹接头金属密封结构密封能力的评价则需对比锥面对锥面的金属密封面上的平均接触应力大于拟密封的管内流体压力，金属对金属密封结构即满足密封性能要求，然而，按此密封评价标准设计的金属对金属密封结构仍然有发生泄漏的概率，因为对于锥面对锥面金属密封性能，在保证密封面不屈服的情况尽量增大密封接触长度，或者增加一道或两道锥面对锥面的金属密封。单个锥面对锥面密封结构径向过盈接触应力可由下列公式进行计算[11]：

psN=

(8)

式(8)中：psN为密封面法向接触应力，MPa；δsr为密封面径向过盈量，mm；γs为密封面半锥角，(°)；vc为接箍泊松比，无因次；Ec为接箍弹性模量，MPa；R0为接箍外半径，mm；vp为管体泊松比，无因次；r0为管体内半径，mm；rc为管体内筒和接箍外筒接触面半径，mm；Ep为管体弹性模量，MPa。

对于单锥面密封结构，其密封面接触半径为：

(9)

式(9)中：rs0为密封面鼻端半径，mm；x为锥面对锥面密封结构位置坐标，mm；Ls为密封面轴向长度，mm；ts为锥面对锥面密封在直径上的锥度，mm/mm。

对于双锥面密封结构， 其密封面接触半径为：

(10)

式(10)中：ts1、ts2分别为第一、第二锥面直径上锥度，mm/mm；Ls1、Ls2分别为第一、第二锥面在轴向上的长度，mm。

同样地,若从管体鼻端开始存在多个锥度不断减小的锥形密封面，则有：

(11)

式(11)中：tsi为第i级锥面直径上锥度，mm/mm，i=2，3，Nas；Nas为总的锥面个数；Lsi为第i级锥面在轴向上的长度，mm。

上述特殊螺纹接头连接强度、压缩强度以及金属锥面对锥面接触应力理论计算公式，仅仅是在一个静载荷或者相对理想状态下的分析[8，12]，而油管套管特殊螺纹接头服役条件和环境是比较复杂的，受力分析过程用关系式表达求解，得到的结果为局限性参考，但是，随着油管套管特殊螺纹接头研发的逐步深入，结合油管套管实物性能试验以及现场试验的验证，逐渐形成油管套管特殊螺纹接头性能参数的回归经验计算公式，为国内油管套管特殊螺纹接头的系列化提供理论依据。

2) 油管套管特殊螺纹接头有限元分析评价。

有限元分析评价法可以较为准确地模拟出油管套管特殊螺纹接头的各种工况受力情况，因此可以利用计算机有限元分析软件针对油管套管特殊螺纹接头的螺纹参数(齿高、导向面角度、承载面角度、锥度等)对油管套管特殊螺纹接头性能参数的影响以及密封可靠性的影响[13]，螺纹齿间啮合状态应力应变分析、公差大小对上扣扭矩以及材料弹塑性变形的影响，做进一步分析评价。

有限元提供了一种评估密封完整性和结构完整性的力学分析方法，与此同时也具有一定的局限性，前提假设需要建立在几何尺寸和材料视为等同，实际并不完全等同；不能够模拟表面处理、涂镀层、粗糙度对螺纹连接受力、密封等的影响；不能模拟螺纹脂(涂抹量、压力等)对上扣、密封等的影响；上扣的摩擦系数是静态和固定的；不能模拟压力介质(液体、气体)的差异。

3) 油管套管特殊螺纹接头小尺寸评价试验。

油管套管特殊螺纹接头由于其尺寸比较大，因此为了缩短周期或者为了更为方便试验，将试样按比例缩小来进行试验，达到一定的评价和参考。一般作为对于密封泄漏的的机理和准则进行验证，某一单一技术特点对性能的影响因素分析。小尺寸评价试验也是有一定的局限性的，例如模拟试样密封接触面积较实际尺寸偏小；加载的载荷类型受到限制；不能模拟旋转带来的密封面摩擦或螺纹脂压力，或相对运动；不能模拟加载后的密封面轴向移动，因此对在拉伸状态下密封安全系数的验证和评价有很大的局限性。

小尺寸评价试验由于仅仅是针对密封机理的研究与评价，同时需要对各个金属对金属密封的状态进行组合试验评价，周期较长，国内特殊螺纹研发单位一般为生产单位，所以小尺寸评价试验的评价方法应用比较少。

4) 油管套管特殊螺纹接头全尺寸评价试验。

全尺寸评价试验属于适用性评价方法[14]，由于全尺寸试样的真实性以及模拟载荷工况条件的真实性，使得试验结果更真实、更直观的反映了油管套管的实际使用性能，提供了一种评价可加工性、结构设计一致性、材料性能、粘扣趋势、密封完整性和结构完整性、表面处理、螺纹脂和应力应变的直观测试和验证办法。全尺寸评价试验分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级试验，分别为轻度严苛、中度严苛、严苛以及最严苛试验，如表1所示。全尺寸评价试验重点评价的是螺纹接头的密封性，因为特殊螺纹接头密封不仅仅是一个力学问题，还与公差配合，过盈量大小，表面状态、装配质量等物理过程密切相关，理论计算无法进行单一且有效验证，可以通过破坏性试验，压缩破坏、封端内压破坏、拉伸破坏、低内压、拉伸至破坏、高内压、拉伸至破坏等试验验证材料以及螺纹连接的极限性能。其局限性和缺点是试样数量少，增加了验证和评价的偶然性；无法识别单一因素的影响；泄漏检测方法有局限性；试验程序、试验设备以及试样本身质量对试验结果影响比较大，而且试验周期长，价格昂贵不可能大量开展，所以需要根据油管套管特殊螺纹接头服役油气井的服役条件，确定全尺寸实物性能试验的等级，并根据四海海域常用钻井管柱设计规格作为全尺寸评价的试样，而不能全部规格尺寸均采取全尺寸评价的方法。

表1 特殊螺纹接头全尺寸性能试验内容Table 1 Test contents of full-size performance of special threaded joints

特殊螺纹接头系列产品认证(接头一致性设计评价)需要进行足够数量的完整评价试验，性能试验(纵向/横向、拉伸/压缩)，记录材料室温和高温下的弹性模量，密封区表面硬度相同级别和不同级别中必须进行至少6个规格的规定等级的评价试验，试验材料钢级尽量采用高钢级，以获得高的内压效率；厚壁管和薄壁管等临界厚度的试验数据，较小外径和较大外径的规格试验数据；综合考虑低钢级、临界壁厚、增加压力效率、材料各向异性的改变等。每个插值区域中规格/重量组合的压力等级，不应大于成功完整通过全尺寸试验接头压力等级，除非通过附加试验进行验证，而是否进行附加试验由用户决定。

5) 油管套管特殊螺纹接头现场下井评价。

现场下井评价是指对现场应用、安装、服役安全性、可靠性、操作方便性、产品互换性、可修复性的适用性评价。只是现场的不确定因素的变化及影响，现场操作的差异性及不规范性，评价周期的不确定不规范性等因素需要前期要做大量的现场调研的工作，以及需要对现场操作人员进行相应的培训，规范评价周期，即多长时间的观察与测试可以作为产品适用性评价的标准等。

综合以上几种特殊螺纹接头的评价方法，各有优势和劣势，所以需要根据特殊螺纹油套管的井场服役条件以及油管套管特殊螺纹接头所需评价的内容确定如何客观公正的开展评价，需要以几种评价方法相互结合的方式制定一个科学的设计优化及评价机制。

4 油管套管特殊螺纹接头评价技术分析

从20世纪至今，美国石油协会(API)针对油套管API螺纹接头发布了套管、油管、钻杆和管线管性能的计算公式，一直用于连接套管、油管、钻杆和管线管的API螺纹的性能计算，国外各大钢厂特殊螺纹接头研制由于知识产权保护的策略，均在产品研制方面尤其是产品设计一致性以及系列化方面自成体系。国内各大钢厂油管套管特殊螺纹接头研制过程，一般都会采用有限元计算分析用于油管套管特殊螺纹接头的设计优化方面，在特殊螺纹接头相较于管体的连接效率、压缩效率、外压挤毁、内压泄漏、狗腿度，以及特殊螺纹接头设计基准、螺纹配合过盈量确定、密封面配合过盈量确定，以及内外螺纹配合上扣扭矩值的确定方面，受制于没有类似于API螺纹性能计算公式的规范，在特殊螺纹设计一致性以及系列化方面落后于国外公司的特殊螺纹产品研制，因此建立一套国内特殊螺纹设计标准或规范，作为油套管特殊螺纹设计的参考依据，同时保证油管套管特殊螺纹设计的一致性，是油管套管特殊螺纹接头设计评价的基础以及技术发展的总趋势。

但是在复杂的工作环境下，受力分析过程很难精确的用关系式表达求解，得到的结果将不太准确，全尺寸实物性能评价试验费用昂贵，试验周期较长，严重制约了特殊螺纹接头的评价，而且油管套管特殊螺纹接头失效是瞬间的，监测到瞬间失效的应力与应变非常困难，有限元法在计算机技术的快速发展的当代，可以较为准确地模拟出油管套管特殊螺纹接头的各种工况受力情况。同时，有限元分析成本较低，可以更容易实现，但是有限元计算受分析软件、模型划分、边界条件、计算方程、判定依据等假设的不同，分析结果的有效性往往受到质疑，目前主要应用于优化设计，而未有效利用于评价。因此，制定一个有限元分析方法的行业标准规范，规范有限元分析的软件要求、分析类型、流程、一般要求、模型建立规则、有限元分析、结果评估、结果输出、报告编写等一些基本要求，并与全尺寸评价试验形成有机的结合，是提高油管套管特殊螺纹接头研发水平以及提高油管套管特殊螺纹接头评价水平的一个发展趋势。

材料性能对油管套管特殊螺纹接头密封性影响过去关注不够，默认一个结构适用于所有材料，实际上不同材料对接头结构密封是有影响的，API 5C5新版标准对材料耐温性(高温材料强度衰减、蠕变松弛)、各向异性(纵向/横向、拉伸/压缩)、均匀性、表面硬度以及合金材料(13Cr)的不同特性有所关注，并且显著增加了高温载荷保载时间，体现了考核材料性能对特殊螺纹接头性能影响的思想。

同时，对于海洋油气油田使用过程中遇到一些特殊工况条件，如超高温、热采井、页岩气井体积压裂，油管的振动、屈曲等，这些特殊服役载荷与标准试验载荷有较大的差异，目前标准评价方法并不能完全反映出这些差异，需要增加相应的评价技术。

5 海洋油气油管套管特殊螺纹接头研发

渤海油田自2010年以来已连续10年稳产3 000万吨，占国内原油产量15%，已成为我国第一大原油生产基地。南海深水区是国家油气战略接替领域，而深水面临复杂地层(低强度浅层，浅层气，深层，超高温高压、巨厚盐层/盐下)以及复杂井型(大位移井、丛式井、多分支井、调整井加密)的挑战。通过对国内外各大钢厂油管套管特殊螺纹接头产品结构的调研和分析，大部分产品主要是针对国外的油管套管服役环境和条件以及国内陆地油气田的服役环境和条件逐渐形成的产品结构，而没有任何一家钢厂是针对海洋油气的油管套管服役环境以及海洋油气井下力学服役条件研发制作的特殊螺纹油管套管。

中海油能源发展装备技术有限公司自2002年取得API产品授权开始，在优化和完善楔形螺纹加工工艺、优化布局特殊螺纹生产工艺、油管套管产线数字化提高产能等方面积累了丰富的经验。根据对渤海、东海、南海东、南海西四大典型海域环境特点、海洋施工特点、海洋油藏地质特点、海洋浅水深水等力学服役特点、地层温度等油管套管服役条件要求，已开发和拟开发适合不同海域以及油气井的特殊螺纹接头(表2)，目前基本满足海油系统的使用要求。

表2 海上油田特殊螺纹接头类型及适应海域及井型Table 2 Type of special threaded joint in offshore oil field and suitable for sea area and well type

为了满足海洋环境的要求，保证海洋深水油气开采防泄漏保安全的原则，对于特殊螺纹接头研发与评价，提出了油管套管特殊螺纹接头的技术特点组合优化创新，通过受力关系式理论计算与有限元立体建模、载荷状态下应力分析进行设计优化与验证，“API RP 5C5+特殊试验评价方法“实物全尺寸性能试验评价相结合的研发评价体系，并经过初步实践确认切实有效。

6 结论与建议

1) 特殊螺纹接头评价的5种方法各有优缺点，所以油管套管特殊螺纹接头研发中如何客观公正地开展评价，需要根据油管套管特殊螺纹接头使用现场的服役条件、服役性能以及研发成本，在保证研发产品质量的前提下，针对海上油田深水、超深水、高温高压油气田、大斜度井、水平井等与陆地油田的管柱服役环境、条件以及对性能要求的不尽相同，海油系统提出了油管套管特殊螺纹接头的技术特点组合优化创新，通过受力关系式理论计算与有限元立体建模、载荷状态下应力分析进行设计优化与验证，“API RP 5C5+特殊试验评价方法”进行全尺寸实物性能试验，几种评价方法相结合形成特殊螺纹标准化+系列化+个性化的研发评价机制和体系，并经过初步实践确认切实有效，并逐步掌握特殊螺纹研制的关键技术，提高了海洋装备自主研发、制造的能力。

2) 建议加强材料特性与接头结构的匹配性研究，随着海洋装备用合金钢和耐蚀合金方面研究的深入，尤其是适用于高温高压以及高腐蚀性油气井的镍基合金以及近几年开发研究的钛合金管材，适用于非常规页岩油气井的高抗挤套管等，油管套管特殊螺纹接头的评价程序是与普通碳钢有所不同的，因此，建立适用于复杂以及特殊服役条件的特殊钢材的油管套管特殊螺纹接头的评价规范会促进国内油管套管特殊螺纹接头的开发和应用。