張垂貴

(衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng)421001)

非API規(guī)格偏梯形套管螺紋的開發(fā)

張垂貴

(衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng)421001)

為了滿足特殊井況結(jié)構(gòu)螺紋接頭的需要，提出了非API規(guī)格套管設(shè)計(jì)方法，在原有API偏梯形螺紋齒形和參數(shù)的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)計(jì)算了中徑、完整螺紋長(zhǎng)度、管端至消失點(diǎn)總長(zhǎng)度、接箍鏜孔直徑、管端至三角形標(biāo)志長(zhǎng)度和全頂螺紋長(zhǎng)度等6項(xiàng)參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)的非API規(guī)格偏梯形螺紋套管進(jìn)行了有限元分析，并進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和靜水壓試驗(yàn)。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的非API規(guī)格偏梯形螺紋套管性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其抗拉伸及抗內(nèi)壓性能達(dá)到管體100％，抗壓縮性能達(dá)到管體40％。

偏梯形螺紋；非API；套管；設(shè)計(jì)

油套管螺紋接頭分為API螺紋接頭和特殊螺紋接頭，API螺紋接頭較為常用。特殊螺紋接頭一般設(shè)計(jì)有專門的密封和臺(tái)肩結(jié)構(gòu)，其密封性和抗載荷能力要強(qiáng)于API螺紋，多用于井況較為復(fù)雜的深井。但是，特殊螺紋接頭加工檢驗(yàn)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。趨于綜合考慮，部分油田在使用連接強(qiáng)度高的偏梯形螺紋的基礎(chǔ)上，采用非API規(guī)格偏梯形螺紋套管取代部分API規(guī)格偏梯形螺紋套管，達(dá)到增加環(huán)空間隙或者增加套管層次等目的，從而提高固井質(zhì)量或提高井身結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

1 非API規(guī)格偏梯形螺紋的設(shè)計(jì)

1.1 參考API偏梯螺紋相近規(guī)格可確定的參數(shù)

設(shè)計(jì)的非API規(guī)格偏梯螺紋齒形仍然采用API偏梯形螺紋齒形，螺紋的承載面角度、導(dǎo)向面角度、齒高、錐度及螺距均與API偏梯形螺紋相同。除螺紋齒型外，API 5B標(biāo)準(zhǔn)中偏梯形套管螺紋尺寸共計(jì)14項(xiàng)，其中套管標(biāo)稱外徑D、大端直徑D4、每英寸螺紋牙數(shù)、不完整螺紋長(zhǎng)度g、機(jī)緊后管端至接箍中心距離J、手緊后管端至接箍中心距離Jn、接箍端面至E7面長(zhǎng)度、手緊緊密距牙數(shù)A這8項(xiàng)可以直接參考API偏梯螺紋相近規(guī)格直接確定。

1.2 需通過計(jì)算設(shè)計(jì)的螺紋參數(shù)

非API規(guī)格偏梯形螺紋需要設(shè)計(jì)的參數(shù)共有6項(xiàng)，分別為中徑E7、完整螺紋長(zhǎng)度L7、管端至消失點(diǎn)總長(zhǎng)度L4、接箍鏜孔直徑Q、管端至三角形標(biāo)志長(zhǎng)度A1、全頂螺紋長(zhǎng)度Lc，這6項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系為

16in及以上規(guī)格時(shí)，E7=D-0.062in。

16in及以上規(guī)格時(shí)，Q＝D+0.154in。

16in及以上規(guī)格時(shí)，A1=L4+0.2in。

以上關(guān)系中，1in=25.4mm，從這些關(guān)系式中可以看出，只要確定出螺紋長(zhǎng)度L7，其余參數(shù)都可以確定。

研究[3]表明，在拉伸載荷作用下，螺紋具有根部切變(沿滑移B)和塑性脫扣切變(沿滑移A)的趨勢(shì)，如圖1所示。各齒形的滑移長(zhǎng)度見表1。

圖1 螺紋剪切失效示意圖

表1 拉伸載荷下螺紋齒形滑移參數(shù) mm

螺紋失效是沿滑移A塑性脫扣，如果螺紋的連接強(qiáng)度大于管體，則必須滿足

式中：n—嚙合螺紋牙數(shù)；

τ—剪切屈服強(qiáng)度，MPa；

σ—屈服強(qiáng)度，MPa，σ/τ≈3；

l—滑移A的長(zhǎng)度，mm；

t—管子壁厚，mm。

根據(jù)以上原理，并參照相近API規(guī)格的L7長(zhǎng)度，可確定螺紋參數(shù)。

接箍外徑W的選取原則是保證接箍的危險(xiǎn)截面積約大于管體截面積，使接箍的連接強(qiáng)度大于管體連接強(qiáng)度，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化接箍模型

根據(jù)API 5C3，危險(xiǎn)截面的大小Ac計(jì)算為

其中，當(dāng)外徑為127～339.7mm時(shí)，I=12.7mm；當(dāng)外徑＞339.7mm時(shí)，I=9.5mm。

另外，可根據(jù)公式NL=(L4+Jn-A)×2計(jì)算出接箍的最小長(zhǎng)度，從而可以得出設(shè)計(jì)的250.8mm(9.875in)規(guī)格套管螺紋參數(shù)，見表2。

表2 非API規(guī)格偏梯形螺紋設(shè)計(jì)參數(shù)

2 非API規(guī)格偏梯形螺紋的有限元分析

2.1 模型網(wǎng)格劃分

采用大型非線性有限元分析軟件MSC.Marc/Mentat對(duì)設(shè)計(jì)的非API規(guī)格偏梯形螺紋進(jìn)行建模和分析，由于螺紋的螺旋升角很小，忽略其影響，把接頭視為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。接頭的材料為低合金鋼，視為均勻的各向同性體。接觸面的摩擦系數(shù)與螺紋脂類型有關(guān)，本計(jì)算接頭中各接觸面的摩擦系數(shù)取0.02[4]。選用的單元類型為軸對(duì)稱三結(jié)點(diǎn)三角形實(shí)體單元，模型的有限元?jiǎng)澐忠约奥菁y部分網(wǎng)格的局部細(xì)分如圖3所示。

圖3 非API規(guī)格偏梯形螺紋網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算結(jié)果

以N80鋼級(jí)Φ250.83mm×115.88mm套管為例，模型的材料特性參考API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[5]，對(duì)N80套管的材料特性進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表3。

表3 N80鋼級(jí)Φ250.83mm×115.88mm套管的材料特性

2.2.1 上扣

偏梯形套管機(jī)緊上扣按三角形位置控制，接箍進(jìn)入三角形底邊前一牙為最小機(jī)緊，此時(shí)螺紋上扣過盈量為0.238mm；接箍端面正好到達(dá)三角形底邊，為最佳機(jī)緊位置，螺紋上扣過盈量為0.397mm；接箍端面到達(dá)三角形頂點(diǎn)為最大機(jī)緊位置，此時(shí)螺紋上扣過盈量為0.694mm。3種機(jī)緊位置接頭的應(yīng)力分布如圖4所示。

從圖4可以看出，管體端部應(yīng)力較高，從管體端部到管體螺紋消失部分應(yīng)力逐漸下降；接箍端部應(yīng)力較高，從接箍端部到接箍中部應(yīng)力逐漸下降。最小機(jī)緊位置上扣時(shí)，最高應(yīng)力分布在接箍端部，最大應(yīng)力不超過350MPa；最佳機(jī)緊位置上扣時(shí)，接箍端部由于壁薄，變形大，接箍端部完整螺紋的第一扣和第二扣局部已接近屈服，最高應(yīng)力達(dá)到550MPa；最小和最佳機(jī)緊位置上扣時(shí)，管體均未發(fā)生屈服；最大機(jī)緊位置上扣時(shí)，接箍端部和管體端部大部分已屈服，但此時(shí)管體屈服部分并未擴(kuò)大至管體危險(xiǎn)截面及接箍危險(xiǎn)截面，不會(huì)影響管體拉伸性能。

圖4 3種機(jī)緊位置接頭的應(yīng)力分布

2.2.2 上扣+拉伸

螺紋接頭按最佳位置上扣后，繼續(xù)施加拉伸載荷，拉伸載荷逐漸增大至管體屈服強(qiáng)度，根據(jù)計(jì)算得出管體屈服強(qiáng)度為6 465kN。不同拉伸載荷下螺紋接頭上扣應(yīng)力應(yīng)變情況如圖5所示。

從圖5可以看出，拉伸載荷達(dá)到80％管體屈服時(shí)，管體發(fā)生局部屈服；拉伸載荷達(dá)到100％管體屈服時(shí)，管體屈服區(qū)域擴(kuò)大，接箍大端前兩扣有輕微的塑性變形，但接頭并未發(fā)生斷裂失效，說明接頭的拉伸強(qiáng)度大于管體屈服強(qiáng)度。

圖5 不同拉伸載荷下螺紋接頭上扣應(yīng)力應(yīng)變情況

2.2.3 上扣+內(nèi)壓

螺紋接頭按最佳位置上扣后繼續(xù)施加內(nèi)壓，內(nèi)壓值按管體屈服內(nèi)壓計(jì)算(61.1MPa)，其等效應(yīng)力分布如圖6所示。由圖6可見，接箍局部已經(jīng)屈服，其覆蓋的管體部分并未屈服，接箍危險(xiǎn)截面的位置也未發(fā)生屈服，截圖未發(fā)生失效。

圖6 螺紋接頭最佳位置上扣并施加內(nèi)壓后的等效應(yīng)力分布

2.2.4 上扣+壓縮

螺紋接頭最佳位置上扣后繼續(xù)施加壓縮，壓縮值按管體屈服強(qiáng)度的40％計(jì)算(2 585kN)，施加壓縮后的應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可以看出，施加壓縮后，只在管體首扣以及接箍端面前兩扣發(fā)生局部屈服，接頭并未發(fā)生失效。

圖7 螺紋接頭最佳位置上扣并施加壓縮后的等效應(yīng)力分布

3 非API偏梯形螺紋套管實(shí)物性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用P110鋼級(jí)Φ200.03mm×10.92mm套管，準(zhǔn)備6根材料性能和螺紋參數(shù)均合格的試樣，將試樣分為2組，Y組3根，編號(hào)分別為Y1、Y2和Y3；Z組3根，編號(hào)分別為Z1、Z2和Z3。Y組試樣A端進(jìn)行3次上卸扣，之后拉伸至失效；Z組試樣A端進(jìn)行3次上卸扣，之后靜水壓及內(nèi)壓至失效。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)兩組試樣分別進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)，均未發(fā)生螺紋粘扣現(xiàn)象。Y組試樣拉伸至失效檢測(cè)結(jié)果見表4。Z組試樣靜水壓及內(nèi)壓試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表4和表5可以看出，試樣拉伸和靜水壓試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 Y組試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 Z組試樣靜水壓試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

根據(jù)API偏梯形套管已有的設(shè)計(jì)規(guī)律，研究設(shè)計(jì)出非API規(guī)格的偏梯形螺紋套管，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析和全尺寸評(píng)價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)計(jì)的非API規(guī)格偏梯形螺紋套管的抗拉伸、抗內(nèi)壓性能達(dá)到管體100％，抗壓縮性能達(dá)到管體40％。

[1]API SPEC 5B，套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范[S].

[2]API SPEC 5C3，石油天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和管線管性能計(jì)算[S].

[3]高連新.WSP特殊螺紋接頭油井管的研制[J].石油機(jī)械，2003，31(9):6-7.

[4]高連新，金燁，史交齊.圓螺紋套管的滑脫機(jī)理研究[J].鋼鐵，2005，40(7):3-4.

[5]夏佑廣.HSM-2特殊螺紋套管接頭設(shè)計(jì)分析[J].焊管，2016(4):2-3.

[6]肖建秋，彭高.API偏梯形螺紋接頭極限抗拉能力分析[J].石油礦產(chǎn)機(jī)械，2008，37(3):53-56.

[7]KWON W Y，KLEMENTICH E F，KO I K.An efficient and accurate model for the structural analysis of threaded tubular connections[J].SPE Production Engineering，1990，5(4)：261～264.

[8]MICHAEL J，MANUEL A D.How to evaluate and select premium casing connections[C]//SPE/IADC Drilling Conference.NewOrleans，Louisiana：SocietyofPetroleumEngineers，1996.

[9]API RP 5C5—2003，油套管螺紋連接性能評(píng)價(jià)方法[S].

[10]API 5CT，套管和油管規(guī)范[S].

Non-API Specification Buttress Casing Thread Development

ZHANG Chuigui
(Hengyang Valin Steel Tube Co.,Ltd.,Hengyang 421001,Hunan,China)

In order to meet the requirements of the special well conditions structure thread joint,the non-API specification casing design method was put forward.Based on the original API buttress thread tooth shape and parameters,it redesigned and calculated 6 parameters,including the pitch diameter,complete thread length,the total length from pipe end to the vanishing point,coupling bore diameter,the length from pipe end to the triangle mark,and the top thread length.The finite element analysis was carried out for the designed non-API specification buttress thread casing,and conducted tensile test and hydrostatic test.The results indicated that the performance of the designed non-API specification buttress thread casing meet the requirements of relevant standards,its tensile resistance,internal pressure resistance performance achieved 100％of the pipe,the compression resistance achieved 40％of the pipe.

buttress thread;non-API;casing;design

TG113.225

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.006

張垂貴(1983—)，男，工程師，主要從事油套管特殊螺紋接頭研發(fā)工作。

2016-07-14

李 超