李淑濤， 王東勝

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司， 天津 300452; 2.上海海事大學(xué)， 上海 201306)

?

一種高抗扭矩套管螺紋的研制

李淑濤1， 王東勝2

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司， 天津 300452; 2.上海海事大學(xué)， 上海 201306)

目前隨著我國(guó)石油開(kāi)采難度的加大以及開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展，大斜度井以及水平井的開(kāi)發(fā)數(shù)量越來(lái)越多。在大斜度井與水平井的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，套管的下入阻力比普通的豎直井或者小斜度井的下入阻力大得多，為了解決該問(wèn)題，在套管下入過(guò)程中，需要給套管施加較大的扭矩從而克服阻力，實(shí)現(xiàn)套管的下入工作。普通的套管螺紋無(wú)法滿(mǎn)足需求，為此設(shè)計(jì)一種高抗扭矩的套管螺紋來(lái)完成套管的下入工作。

大斜度井；水平井；下入阻力；高抗扭矩；套管螺紋

0 引言

目前我國(guó)在石油開(kāi)采中使用的套管多為普通的API 偏梯螺紋套管以及一些國(guó)內(nèi)廠家自行研制的螺紋。我國(guó)石油開(kāi)采難度不斷加大以及開(kāi)采技術(shù)不斷發(fā)展，大斜度井以及水平井的開(kāi)發(fā)數(shù)量越來(lái)越多。在大斜度井與水平井的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，套管的下入阻力要比普通的豎直井或者小斜度井的下入阻力大得多，為了解決該問(wèn)題，在套管下入過(guò)程中，需要給套管施加較大的扭矩從而克服阻力，實(shí)現(xiàn)套管的下入工作。普通的API套管螺紋抗扭矩能力、承載能力以及抗彎矩能力較差，無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求。只有少數(shù)的國(guó)外企業(yè)能夠生產(chǎn)滿(mǎn)足條件的高抗扭矩螺紋套管，但是由于價(jià)格昂貴，供貨周期長(zhǎng)等原因無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)的實(shí)際需求，同時(shí)也約束了我國(guó)石油事業(yè)的發(fā)展。

1 高抗扭矩螺紋套管的優(yōu)點(diǎn)

(1) 該螺紋具有抗高扭矩的能力

套管在下入時(shí)由于是水平井或大斜度井，自重?zé)o法克服下入阻力，因此根據(jù)自攻螺釘?shù)脑?，采用鉆機(jī)的頂驅(qū)提供足夠的鉆壓以及采取施加較大的扭矩的方式來(lái)完成套管下入的作業(yè)方式。在大斜度井或者水平井的井身設(shè)計(jì)中，垂直井段一般在1 000 m左右，然后采用斜度井或者水平井段，整個(gè)井的深度約為3 000 m，在3 000 m的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，扭矩在傳遞過(guò)程中，造成了扭矩降，施加的扭矩在傳遞到下部時(shí)降為施加扭矩值的60%，克服阻力下套管的扭矩值一般在24 000 N·m,因此頂驅(qū)所施加的扭矩值約為40 000 N·m，那么在頂部的套管所承受的扭矩則與頂驅(qū)所施加的扭矩相同。

(2) 該螺紋采用了螺紋和鼻端兩道密封，具有較強(qiáng)的密封性能

由于在大斜度井或者水平井的井身設(shè)計(jì)中，垂直井段一般在1 000 m左右，然后在采用斜度井或者水平井段時(shí)，在垂直井段與大斜度井或水平井段的交匯處，套管將承受較大的彎曲彈性變形。螺紋在此狀態(tài)下，密封性能不能滿(mǎn)足密封需求，為了解決密封的要求，在螺紋設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)國(guó)外研發(fā)的各種用于氣井的套管的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了分析研究，其結(jié)構(gòu)一般采用螺紋與鼻端面密封相結(jié)合的組合密封形式，為此在螺紋設(shè)計(jì)時(shí)也采用這種方式，保證密封性能。

(3) 根據(jù)螺紋載荷的分布情況，采用了變螺距的形式，螺紋的承載能力更強(qiáng)

由于水平井與大斜度井井深一般在3 000 m以上，因此對(duì)下入套管的承載能力要求更高，同時(shí)在垂直井段與大斜度或水平井段的交匯處，套管將承受較大的彎曲彈性變形，螺紋在此狀態(tài)下，容易出現(xiàn)螺紋脫扣，從而造成事故，因此該螺紋需要具備更好的承載能力。如何優(yōu)化螺紋載荷的分布以及增加螺紋的承載能力將是螺紋形式設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的一個(gè)重要因素。

2 結(jié)構(gòu)形式和螺紋形式的設(shè)計(jì)

2.1 螺紋參數(shù)以及螺紋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

(1) 根據(jù)設(shè)計(jì)需求，螺紋需要具有抗高扭矩的能力，普通螺紋的牙型角的設(shè)計(jì)，通常采用正角設(shè)計(jì)，為了增加承載能力，承載面角度越小越好，為了便于螺紋的擰接，導(dǎo)向面的螺紋角越大越好。然而，這些設(shè)計(jì)都無(wú)法滿(mǎn)足抗扭矩的要求，根據(jù)計(jì)算可知，螺紋的牙型角在為負(fù)角度時(shí)，其抗扭矩的能力更好，因此綜合加工難度、螺紋刀具設(shè)計(jì)等因素，取螺紋的牙型角度為：1) 導(dǎo)向面角度為-6°；2) 承載面角度為-7°。螺紋牙型圖如圖1所示。

螺紋抗扭矩的能力取決于螺紋的錐度，螺紋的錐度越大，螺紋的抗扭矩能力越強(qiáng)，綜合油套管螺紋以及鉆桿螺紋的錐度的設(shè)計(jì)，該特殊螺紋錐度采用1∶16與1∶12的組合方式，這樣螺紋的抗扭矩的能力將大大增強(qiáng)。

圖1 螺紋牙型圖

(2) 由于該套管在使用過(guò)程中，存在較大的彎度，因此要求具有較強(qiáng)的密封性能，為此在螺紋參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)采用了螺紋密封與鼻端密封相結(jié)合的方式，從而大幅提高了螺紋的密封性能。在國(guó)外的抗高扭矩以及氣密螺紋的設(shè)計(jì)中，鼻端密封的密封形式一般采用一道金屬線密封的形式，為了增強(qiáng)該螺紋的密封性能，鼻端密封設(shè)計(jì)采用兩道線密封的設(shè)計(jì)，這就意味著鼻端具有兩個(gè)錐度，錐度的大小與螺紋錐度相同，螺紋結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

(3) 大斜度井或者水平井井深較大，因此對(duì)螺紋的承載能力具有較高的要求，為了解決該問(wèn)題，根據(jù)對(duì)普通螺紋的有限元分析結(jié)果改變了螺紋的螺距，采用變螺距的形式，從而解決了螺紋載荷集中的問(wèn)題，大幅提高了螺紋的承載能力。普通螺紋連接如圖3所示，普通螺紋有限元分析計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖2 螺紋結(jié)構(gòu)圖

圖3 普通螺紋的連接 圖4 普通螺紋有限元分析計(jì)算結(jié)果

2.2 螺紋上扣緊密矩的設(shè)計(jì)

圖5 螺紋裝配圖

螺紋緊密矩是控制螺紋的一個(gè)至關(guān)重要的因素，為此在螺紋設(shè)計(jì)完成后設(shè)計(jì)螺紋的理論緊密矩值尤為重要，這將為之后的實(shí)驗(yàn)工作提供理論依據(jù)。根據(jù)普通螺紋的設(shè)計(jì)，在內(nèi)外螺紋機(jī)緊之后其過(guò)盈量約為0.3 mm，上扣扭矩值約為10 000 N·m,由于該螺紋在設(shè)計(jì)時(shí)增加了鼻端過(guò)盈密封，其過(guò)盈量為0.2 mm，因此上扣扭矩值約為16 000 N·m，通過(guò)錐度的計(jì)算，手緊密矩約為9 mm，機(jī)緊密矩值約為3 mm，上扣扭矩值應(yīng)在16 000 N·m~21 000 N·m。螺紋裝配圖如圖5所示。

2.3 螺紋表面處理

根據(jù)設(shè)計(jì)的螺紋形式以及螺紋所承受的上扣扭矩，螺紋的內(nèi)外表面之間的接觸力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通油套管螺紋，這就意味著螺紋在擰接時(shí)，螺紋粘扣的幾率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通螺紋，因此對(duì)螺紋進(jìn)行表面處理將成為一個(gè)關(guān)鍵因素。

螺紋粘扣的機(jī)理是金屬面之間摩擦力過(guò)大，使得局部溫度驟然升高，造成金屬之間的冷焊，從而形成螺紋的粘扣。對(duì)于普通螺紋來(lái)說(shuō)，防止粘扣的措施主要包括以下幾種：

(1) 合理選用材料。

(2) 加強(qiáng)螺紋加工過(guò)程中的質(zhì)量控制和檢驗(yàn)工作

1) 定期檢查和校驗(yàn)設(shè)備的加工精度；

2) 加強(qiáng)螺紋的檢驗(yàn)，做好量具的送檢和標(biāo)定工作；

3) 加強(qiáng)檢驗(yàn)人員和操作人員的培訓(xùn)工作。

(3) 選擇合理的表面處理方法，嚴(yán)格地按照說(shuō)明對(duì)螺紋進(jìn)行表面處理。

(4) 做好上扣前對(duì)螺紋的清洗工作和挑選工作。

(5) 選擇合適的絲扣油并均勻的涂抹在螺紋的表面上。

(6) 按照標(biāo)準(zhǔn)合理的選擇最佳的扭矩值。

(7) 杜絕違規(guī)操作和野蠻操作，嚴(yán)格的按照程序步驟進(jìn)行上扣。

對(duì)上述措施進(jìn)行分析，管體的材料就是與普通油螺紋、油套管所使用的材料是一致的，均為L(zhǎng)80,螺紋的加工的精度與加工設(shè)備的精度有關(guān)，扭矩值的選擇已經(jīng)經(jīng)過(guò)合理的計(jì)算，因此對(duì)于該螺紋的表面處理的方法將成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

螺紋的表面處理主要有以下幾種方式：

(1)磷化處理；

(2)鍍銅處理；

(3)煮黑處理；

(4)QPQ表面滲氮處理；

(5)表面黑鎳噴涂處理；

(6)微晶陶瓷表面噴涂處理。

磷化處理與煮黑處理主要應(yīng)用在普通螺紋的表面處理上，通常用于防腐以及輕微防粘扣的螺紋，無(wú)法滿(mǎn)足需求，對(duì)于鍍銅處理，目前鍍層與螺紋之間粘合力不能滿(mǎn)足需求，時(shí)常出現(xiàn)鍍層脫落的現(xiàn)象。QPQ表面滲氮處理的流程是：清洗去油→預(yù)熱→氮化→氧化→拋光→氧化→清洗→干燥→浸油，其中預(yù)熱環(huán)節(jié)對(duì)螺紋的參數(shù)影響較大，經(jīng)過(guò)加熱后，螺紋的單項(xiàng)參數(shù)將有較大的改變，因此不能使用QPQ處理。微晶陶瓷噴涂技術(shù)也是在高溫的條件下進(jìn)行，所以也無(wú)法滿(mǎn)足需求。表面黑鎳噴涂技術(shù)是在常溫的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而且黑鎳涂層具有良好的潤(rùn)滑性以及耐磨性能，可以有效地減小金屬面之間的摩擦，同時(shí)涂層與金屬面之間的粘合力較強(qiáng)。

3 高抗扭矩套管螺紋的加工

3.1 刀具的設(shè)計(jì)

由于是自主設(shè)計(jì)的螺紋，而且螺紋的形式完全與普通螺紋的形式不同，因此普通的螺紋刀塊無(wú)法滿(mǎn)足加工的需求。

該螺紋是變距螺紋，變距螺紋的加工分為兩個(gè)步驟：第一步是先加工一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)螺距的螺紋，第二步是在第一步的基礎(chǔ)上加工變距螺紋，從而復(fù)合成所需的螺紋。因此，一般而言螺紋的刀具需要設(shè)計(jì)為兩個(gè)刀片，為了節(jié)省成本，將刀具進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可以用一片刀具即可實(shí)現(xiàn)加工，那么螺紋刀具的寬度將會(huì)減小，隨著螺紋刀具寬度的減小，螺紋刀具的壽命將會(huì)縮短，為了提高螺紋刀具的壽命，刀具的表面涂層選擇了抗磨以及抗高溫的材料，從而解決問(wèn)題。

根據(jù)螺紋牙型的參數(shù)，螺紋加工刀具設(shè)計(jì)如圖6、圖7所示：

圖6 外螺紋刀具 圖7 內(nèi)螺紋刀具

3.2 新型連接方式注水管的加工及上扣實(shí)驗(yàn)

在螺紋的加工過(guò)程中，由于螺紋的變螺距設(shè)計(jì)，無(wú)法在手動(dòng)車(chē)床上進(jìn)行加工，只能使用數(shù)控車(chē)床加工，編程以及程序的調(diào)整成了關(guān)鍵技術(shù)中的重中之重，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整、試加工，最終完成樣件的加工。外螺紋樣件如圖8所示，內(nèi)螺紋樣件如圖9所示。

圖8 外螺紋樣件 圖9 內(nèi)螺紋樣件

在內(nèi)外螺紋進(jìn)行加工完成后，經(jīng)過(guò)對(duì)內(nèi)外螺紋互配，其緊密矩值與設(shè)計(jì)的理論值相符。

為了驗(yàn)證上扣扭矩值，重新加工了3對(duì)樣件，然后進(jìn)行上扣實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，其上扣扭矩值為19 000 N·m,在設(shè)計(jì)理論值范圍之內(nèi)。在完成上扣實(shí)驗(yàn)之后，又進(jìn)行了水壓試驗(yàn)，保壓情況良好，未出現(xiàn)任何泄露。

4 結(jié)論

該高抗扭矩套管螺紋的研制成功地解決了普通螺紋套管無(wú)法滿(mǎn)足大斜度井以及水平井對(duì)套管螺紋高扭矩的要求問(wèn)題，將水平井和大斜度井套管下入扭矩提高到40 000 N·m，從而實(shí)現(xiàn)快速下入套管的目的，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也大幅度的降低了生產(chǎn)成本。該套管螺紋的研制也為今后進(jìn)行具有特殊性能要求螺紋的研發(fā)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在該螺紋的基礎(chǔ)上進(jìn)行高抗扭矩油管、沖管等石油專(zhuān)用管線的研制。打破了國(guó)外的企業(yè)在這方面技術(shù)的壟斷，為我國(guó)的石油開(kāi)發(fā)事業(yè)提供一份保障。

[1] 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來(lái)泰，等.材料力學(xué)[M].北京： 北京高等教育出版社，1994.

[2] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第五版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3] 賈耀卿.常用金屬材料手冊(cè) 第二版[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2007.

[4] 許志倩,楊秀娟.非API標(biāo)準(zhǔn)Big Omega特殊螺紋接頭連接性能數(shù)值分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009，38(6)：34-39.

The Design and Development of a High Anti-torque Casing Thread

LI Shu-tao1， WANG Dong-sheng2

(1.Equipment and Technical Limited Company, Energy Technical CNOOC, Tianjin 300452， China;2.Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

with increasing difficulty of the oil production and the continuous development of technology, the number of highly deviated wells and horizontal wells become more and more. During those processes of drilling and production, the resistance of casing is much larger than straight and the ordinary inclined wells. It is needed to apply greater torque so as to overcome the resistance to lay down casing. The common casing threads are unable to meet the requirement. It has become a pressing task to design this kind of high anti-torque casing thread.

highly deviated wells； horizontal wells； resistance； high anti-torque； casing thread

2016-01-22

李淑濤(1980-)，男，工程師。

1001-4500(2016)01-0096-05

TG722

A