API螺纹与特殊螺纹连接特点及国内外特殊螺纹介绍

APIAPI 螺纹与特殊螺纹连接特点及国内外特殊螺纹介绍螺纹与特殊螺纹连接特点及国内外特殊螺纹介绍 宝鸡石油机械有限责任公司 广汉钻采设备厂 四川广汉 618300 摘要 摘要 API 螺纹在油套管市场上扮演举足轻重的作用 但随着各种特殊螺纹在油气田高温 高压井不断 涌现 证明其已经很好地弥补 API 螺纹的设计缺陷 因国内几乎没有对特殊螺纹产生相应的标准及对比其 特点 笔者现将 API 螺纹与特殊螺纹进行比较 API 螺纹具有加工容易 经济适应 可重复上扣等优点 但抗 拉强度差 且不具备气密封特点 特殊螺纹具有良好的气密封性能 较高的抗拉强度及可控制上扣扭矩等优 点 但价格昂贵 且只允许一定的上扣次数 最后 笔者提出了几点看法 关键词 关键词 API 螺纹 特殊螺纹 对比 国内外 TheThe APIAPI threadthread andand specialspecial threadedthreaded connectionconnection characteristicscharacteristics andand thethe domesticdomestic andand foreignforeign specialspecial threadthread introducedintroduced Guanghan drilling equipment factory of Baoji Petroleum Machinery Co Ltd Guanghan 618300 AbstractAbstract API thread to play a pivotal role in the oil casing market However with a variety of special thread emerging in the oil and gas fields of high temperature high pressure wells prove that it has to make up the the API thread of design defects Almost no domestic special thread standard and comparing its characteristics I will now compare the API thread and special thread API thread with easy processing economic adaptation can be repeated on the buckle advantages but the tensile strength and does not have the characteristics of the gas seal Special thread has good gas sealing performance high tensile strength and can control up torque but the price is expensive and only allows a certain number on the buckle Finally The authors put forward a few points KeywordsKeywords API thread special thread contrast at home and abroad 一一 概述概述 油套管是油气钻采过程中不可或缺的专用管材 其质量好坏直接影响到钻采作业的成败 和油气井的寿命 而螺纹接头同油套管柱一起在油气井中长期承受拉伸 压缩 弯曲 内 压 外压及温度等产生的复合应力的考验 油套管中最薄弱的部分就是螺纹连接处 螺纹质 量的好坏 直接影响油气井的寿命 经调查 国外油套管失效事故约 64 发生在螺纹连接处 国内则高达 86 目前全球正大力开发深井 超深井 高气压井 稠油热采井 定向井 水平井 重腐蚀井等 井下的工况越来越复杂 传统的 API 螺纹接头由于自身的缺陷无法满 足使用要求 而特殊螺纹接头则可以很好地弥补 API 螺纹接头的设计缺陷 因此越来越受到 人们的关注 现场应用证明 采用特殊螺纹接头代替 API 接头是解决石油套管过早失效的最 有效措施之一 因此国内外都非常重视特殊螺纹接头的开发和使用 据统计 国外已经注册 了专利的特殊螺纹接头有 100 多种 在各油气田获得广泛应用的也有几十种 而且每年还有 新的接头问世 目前我国特殊螺纹接头油套管的产量很少 远不能满足市场需求 我国油气 田用特殊螺纹接头主要依赖从国外进口 而进口特殊螺纹接头价格高 现场检验困难 因此 研 究螺纹连接的特点具有重要的现实意义 1 二二 APIAPI 螺纹与非螺纹与非 APIAPI 螺纹连接特点螺纹连接特点 螺纹及螺纹连接 是油 套管柱质量和强度的核心部分 油 套管螺纹的基本连接类型 可分为五类 属 API 标准四种 分别为短圆螺纹 长 圆螺纹 偏梯形螺纹 直连型螺纹 第五种是特殊螺纹 API 螺纹具有以下特点 1 加工容易 现场配短节方便 从而成本低 2 设计精度允许一般条件下操作 而不致对螺纹造成严重损坏 现场易修扣 3 在优质密封脂配合下满足 69MPa 149 摄氏度的流体密封 4 适应一定次数的重复上扣 5 管子与接箍连接都是通过锥形螺纹 在上紧过程中使得在一定的啮合点上 公母螺 纹保持完全紧密的结合 但遇到更苛刻的条件 API 螺纹不能满足油气井的需要 例如 1 遇超高压油气井时 尤其是高压气体 2 有腐蚀条件环境时 因为 API 接箍膨胀值 干扰值 大 产生过大周向应力是产生 氢脆应力破坏的主要源点 或发生应力应变裂纹 因此 非 API 标准的螺纹 可满足七点要求 1 设计使螺纹连接强度与管体抗拉强度相等 甚至大于管体抗拉强度 2 提供优质密封 向金属对金属密封发展 3 降低轴向螺纹连接产生的接箍径向膨胀的干扰 4 很容易对扣上扣 并使内孔面光滑 避免产生涡流或较小产生涡流 5 具有扭矩台肩 满足扭矩强度的要求 又能控制不发生过大的周向应力 6 满足特殊井眼曲率的大斜度定向井 水平井 分支井对油 套管柱的连接强度和密 封要求 7 提高螺纹的抗粘扣性能 满足油田现场完井作业要求 三三 螺纹连接油 套管密封问题螺纹连接油 套管密封问题 1 锥形螺纹靠螺纹金属面对金属面的压合 并以密封脂固体粒子填充间隙的密封 例 如 API 螺纹 2 有一定精度光洁面的金属对金属的封口式密封 例如内外台肩面 平面或斜面 接 触密封 属于金属对金属的切点密封 3 弹性密封 例如锥度螺纹连接及采用聚四氟乙烯的密封环密封 所有连接密封 必 须达到使螺纹间或金属对金属间产生的承载压力大于套管的内压力或外压力 第一种密封形式 典型的例子是 API 圆螺纹 上扣 预订圈数 后 在公母螺纹之间 引起压配合 这种径向接触产生较大的接箍周向应力 由经验决定使公螺纹端受力接近屈 服点 并保持在弹性范围内 临界结合应力点产生在接头面末端及手紧面位置上 这类螺纹 连接其装配扭矩及防止漏失的扭矩被认为是紧扣圈数的函数 由于 API 螺纹制造间隙允许 公差为 0 076mm 使这种间隙存在于啮合面或螺纹顶和根之间 螺纹密封主要依靠螺纹脂所 含的金属微粒产生的桥接 另一方面 也靠螺纹尾部的金属挤压从而达到作用 第二种密封形式 典型的例子是特殊螺纹 平滑金属对金属表面形成压力密封 这种 螺纹设计均有较大间隙 螺纹设有防漏能力 但对金属密封面设计是细小的接触面 点 由此低扭矩能产生高的接触应力 其防漏能力与金属对金属产生的过盈 弹性范围内 产 生的接触应力存在函数关系 第三种密封形式 是一种补充密封形式并用于防腐蚀 2 四四 国外特殊螺纹发展现状国外特殊螺纹发展现状 1 美国 Hydril 海德里尔 螺纹 Hydril 接头以其两级柱螺纹结构成为区别于其它特殊接头的显著特征 Hydril 接头已 系列配套 共八个品种 按用途划分 NCT 接头可用于表层套导管及表层套管 超级 FJ P 及 Hydril 三重密封 可用于表层套管 CTS Hydril 三重密封 及 超级 EU 可 用于中间套管 Hydril 三重密封 CTS 及 超级 EU 可用于生产套管 Hydril 三 重密封 超级 FJ P 及 FJ P 可用于衬管 可见 Hydril 三重密封 接头应用最广泛 是该公司的代表产品 1 1 Hydril 超级 EU 接头 超级 EU 接头是一种内外加厚的整体式 其外挡肩为主挡肩 两级柱螺纹之间还有一 90 挡肩 这种接头的螺纹没有径向过盈 对于改善接头的应力状态是十分有利的 两级螺纹的另一个特点是上扣快 在总扣数相同 的情况下 要比其它接头节省一办的上扣时间 1 2 Hydril CTS 接头 CTS 为接箍式接头 采用缩径加工 以免小直径段螺纹过分削弱管壁 接箍有两种结构 一种是有内挡肩结构 另一种是无内挡肩结构 从密封角度看 无内挡肩结构的接头可形成三重密封 其一是 14 锥面的外压密封 其二是 14 锥面的内压密封 其三是两级螺纹之间的挡肩 它既是辅助扭矩挡肩 又是一 道密封 1 3 Hydril 三重密封 接头 整体式接头 公端结构形式与 CTS 完全相同 母端则采用扩径造型加工适应两级柱螺 纹 避免过分削弱管壁 密封结构与 CTS 相似 由两级柱螺纹之间的 90 挡肩构成一道密 封 加上外压密封及内周向密封形成三道密封 故称三重密封 1 4 Hydril 接头基本特点 两级非锥螺纹 多重金属对金属密封 强度高 密封可靠 两级螺纹入扣 入扣深 装接迅速 连接稳定 消除错扣现象 上扣所需转数约少 改善了各扣牙受力分布 普通接头扣牙受力为抛物状 即沿接头两侧扣牙受力大 中间扣牙受力小 Hydril 接头扣牙受力呈 W 状 2 VAM 特殊螺纹 VAM 扣是法国瓦卢瑞克公司专利 日本住友金属公司转买法国专利 并加以改进 它 的其本类型是 VAM ACE NEW VAM VAM FJL MINI VAM VAM top 等扣型 2 1 VAM ACE 螺纹接头 是多年研究的 VAM 扣中的新品种 接箍式接头 螺纹扣牙承载面为负 3 角 称钩式 扣 钩形螺纹特点 在高拉伸下防止脱扣 同时使应力分布达最佳 对拉伸压弯都表现出 良好强度和气密性 适用各种极端井况的一种特殊套管接头 2 2 NEW VAM 螺纹接头 采用偏梯形螺纹 套管上的退刀螺纹采用 全退刀 并且接箍螺纹加长 这样就保 证了退刀螺纹部分管体断面的强度 密封结构在管端 由含锥度的环锥面和 15 斜角的止动台肩组成 这种密封具有弹性 自紧 止动台肩的压力促使管端弹性变形而使 2 51 锥面接触压力增加 内压具有自紧作 用 在高接触压力下 可保证密封性 止动台肩内部齐平 不产生涡流现象 为防止螺纹 腐蚀 套管螺纹采用磷化处理以减少磨擦和腐蚀 也可镀铜或镀锌 2 3 VAM FJL 接头 是一种整体式 无接箍 接头 钩式牙形 防止承载脱扣 导向面斜角 45 使入扣容易 不易损伤螺纹扣牙 采用内外两组密封结构 外密封是 30 锥面 配合以 15 斜台肩 形成自紧式组合密 封 内密封是锥度 1 5 的锥面密封 在内压作用下具有较好的自紧作用 整个结构内部平齐 外部结构稍大于管外径 具有理想的内部流动 外部转动间隙特 性 VAM FJL 表现出较好的整体性强度和气密性 3 西德 MANNESMANN 曼内斯曼 接头 3 1 Omiga 欧米嘎 特殊接头 依赖螺纹的小公差及丝扣油保持接头的水密性 适用于中深井及浅井 欧米嘎扣型属梯形扣 与 API 偏梯形扣的不同点在于加大了螺距 锥度和扣高 扣牙 承载面和导向面的角度有所变化 旋紧时 承载面和导向面同时接触 使接头不致于过分 旋紧 有便于井场操作 3 2 Mid Omiga 中欧米嘎 中欧米嘎接头用于中间尺寸 即用于 9 5 8 13 3 8 的套管 是一种接箍式接头 无挡肩及密封结构 接箍外径为 API 标准值 螺纹是改进偏梯形 与 API 偏梯形螺纹不同点在于 扣形粗 大 扣高 2 16mm 每英寸 4 扣 扣顶与扣底平行于轴线 承载面角为 0 螺纹锥度加大为 1 12 3 3 Big Omiga 大欧米嘎 是一种大直径套管接头 14 26 由于螺纹锥度大 与其它接头相比 在完整扣数相同的条件下 总扣数明显减少 故 接箍长度并不大 由于扣高和螺距增大 使扣牙粗壮而具有很高的承载能力 承载面 采用 0 角 因而消除了承载时的径向分力 避免滑脱的可能性 导向面 斜度加大 60 使之入扣容易 减小磨损 由于锥度加大 每时扣数减小 因而旋扣迅速 入扣也容易 这种扣的密封性 水密 是靠精确的扣型公差 较小的齿顶间隙 齿形角的圆弧于涉 变形 而保证的 密封性能大大高于 API 偏梯形扣 Omiga 系列的接头均无挡肩无密封结构 接头的密封性依靠较小的螺纹间隙和丝扣油 4 用弹性密封的特殊接头 日本住友的 SS B 型接头是采用弹性密封的一个代表 密封环用氟碳乙烯树脂做成 母接头上有放密封环的沟槽 由于工作时应力分布的特点 两端应力大 中间应力小 实际上沟槽并不降低整体连接 的强度 弹性密封环大大改善了接头的气密封性能 住友出产的 SS 型弹性密封接头则是采用 V 型圆扣 缺点是 V 形圆扣强度低 5 NS CC 接头 是日本新日铁生产的专利 NS CC 接头的螺纹为 API 标准梯形螺纹 所做的改进是在管端的螺纹消失端采用 全 退刀 加工 以利于增加接头的临界断面积 提高接头的抗拉强度 NS CC 接头的主要特点是采用双扭矩挡肩 管端的挡肩为辅助挡肩 也称为预备挡肩 靠近螺纹部分的挡肩为主扭矩挡肩 主扭距挡肩的结构与 Hydril 三重密封接头的中间挡肩具有同样的特点 即使挡肩处的 接触应力超过弹性极限 但由于材料多处于三向受压状态且没有塑性变形的余地 而不会 产生塑性变形 NS CC 的辅助挡肩可以对主扭矩挡肩起到保护作用 使接头具有较高的抗过扭矩能力 NS CC 接头的密封为锥面对锥面的面密封结构 这在其它特殊套管接头中并不常见 新日铁在模拟热采井工况下接头的密封及应力应变行为的实验研究方面 做了相当的 工作 试验结果表明 增加接箍外经或采用比管体高一级的钢材及控制适当的螺纹过盈量 都会收到好的效果 在热冲击载荷下 与其它类型接头相比 NS CC 接头耐热冲击性能更 好 6 日本川崎 FOX 接头 FOX 接头是日本川崎钢铁公司和英国 Hunting 油田公司联合设计的 前后花了六年的 时间 并于 1985 年研制成功 FOX 接头的螺纹是改进型的偏梯形螺纹 其中包括两方面的改进 一是使公端扣顶与 母扣底间留有间隙 二是接箍采用变螺距螺纹 这是 FOX 接头的一个显著特征 变螺距的目的是在于改善扣牙受力分布状态 这不仅能提高接头的抗拉能力 而且有 助于防止接头的跳扣 断扣失效 FOX 接头的密封结构为曲面对曲面的线密封结构 这在其它特殊接头中也不多见 7 日本钢管公司的 NKK 接头 NKK 接头三种系列 NK3SB NK2SC NKEL 其中 NK3SB 和 NK2SC 为接箍接头 NKEL 则 为整体式接头 7 1 NK3SB 接头 接头螺纹的特点 扣高较大 H 1 875mm 三角扣型 承载面为 0 角 导向面为 45 角 扣顶及扣底平行于管体轴线 螺纹锥度为 1 16 螺距 5 08mm 即每英寸 5 扣 旋紧时扣顶与扣底均留有间隙 径向过盈只能产生扣牙之间的相互挤压 有助于提高 接头抗过扭矩的能力 NK3SB 的密封结构为球面对锥面密封 内挡肩参与密封作用 并要求挡肩接触时比在 上扣时至少应在 60 屈服极限以上 因此 NK3SB 接头也是双重密封结构 7 2 NK2SC 接头 属于接箍式套管接头 接头螺纹的特点 螺纹锥度大 5 7 5 8 的套管接头为 1 8 每英寸 6 扣 8 5 8 10 3 4 的 套管接头为 1 9 6 每英寸 5 扣 扣高较大 H 1 875mm 扣顶及扣底平行于轴线 母端大径增大 使公端扣顶与母端扣底之间留有间隙 导向 面之间也留有较大间隙 对称梯形扣 承载面及导向面相对于径向线均为 6 角 由于锥度大 扣高也较大 为提高接头抗拉强度 NK3SB 接头采用管内加厚工艺 而 NK2SC 的密封结构与 NK3SB 的完全相同 7 3 NKEL 接头 整体式接头 管端内外壁加厚 螺纹参数与 NK2SC 完全相同 内挡肩主密封结构也与 NK2SC 完全一样 只是多一外挡 肩 NKEL 接头两个挡肩的接触顺序与接头尺寸的长度偏差有关 按设计意图应是内挡肩先接触 外挡肩后接触 也就是说其内挡肩为主挡肩 8 TM 螺纹 由日本住友金属在 VAM 螺纹的基础上经过改进而设计 密封形式为双金属密封 即锥 面对锥面金属密封和 90 台肩端面密封 具有结构简单 经济实惠 实用可靠 用途广泛 等优点 3 9 SEC 螺纹 由阿根廷 Siderca 公司设计生产 螺纹结构由偏梯形螺纹改进而成 密封形式为锥面 对锥面金属密封 10 双台阶 TWO STEP 系列特殊扣 美国 Hydril 公司和 Hunting 公司及阿根廷 Siderca 公司分别研发了双台阶的特殊扣 有的用于平端油套管 有的用于加厚油管 抗扭距的辅助密封台肩有的采用直角形式 有 的采用反向角形式 3 五五 国内特殊螺纹介绍国内特殊螺纹介绍 1 TP CQ TP NF TP FJ TP G2 TP EX 系列扣 天津钢管集团股份有限公司开发的 TP CQ TP NF TP FJ TP G2 TP EX TP BM 系列 扣 其中 CQ 取自于长庆的汉语拼音第一个字母 NF 取自于英文 near flash 接近平齐 的 第一个字母 FJ 取自于英文 flash joint 平齐接头 的第一个字母 G2 取自于英文 Generation 2 第二代 的第一个字母 EX 解释为油管特殊螺纹 具有特点为 1 接头由螺纹和锥形密封面组成 2 螺纹齿形为 API 偏梯形螺纹改进型 3 过盈的密封面提供气密封性能 4 精密的机械加工 2 BGT 系列扣 宝山钢铁股份有限公司开发的 BGT