一种高性能套管螺纹接头的研制

0 引言

随着油气井勘探技术的进步以及现有油气井资源的枯竭，未来油气井将会逐步向深井、超深井、高温高压井、斜井等恶劣井下环境的油气井发展，对油套管性能要求将会越来越高，套管下入井内是通过螺纹接头将一根根套管连接，因此螺纹接头处是整个管柱最薄弱的环节，管柱失效往往就发生在螺纹接头处。油套管螺纹分为API螺纹和特殊螺纹，API螺纹[1]受本身设计限制，其连接强度低、密封性能差，目前的特殊螺纹多数抗内压、外压、拉伸达到管体水平[2]，压缩性能只有管体的60%，本文介绍的是一种抗内压、外压、拉伸、压缩性能均达到管体水平的特殊螺纹接头，为套管厂家以及油田提供参考。

1 结构特点

如图1所示，特殊螺纹接头结构分为螺纹、密封面、转矩台肩三部分：1）螺纹采用改进的偏梯型螺纹，承载面负角度防止脱扣，提高拉伸和弯曲抗力，导向面正角有利于对扣，优化的导向面间隙提高抗压缩能力，公母扣啮合后存在一定的间隙，可减少应力集中，间隙可存放螺纹脂，提高接头的抗粘扣性能；2）密封部分是通过母扣和公扣的密封面实现过盈配合，产生足够的接触压力实现密封，采用优化的金属对金属锥面密封方式，接触压力峰值小，平均值大，具有较长的接触长度，在复合载荷下有优良的密封性能；3）转矩台肩实现上扣的定位控制,增厚的转矩台肩提高了接头的过转矩、压缩能力。勾形螺纹承载面与逆向转矩台肩间形成楔形效应，可提高接头的抗弯曲性能，同时台肩起辅助密封作用。

2 有限元模拟分析

油套管一般是合金钢材料，通过热轧制而成，其化学成分和力学性能在API标准中有具体的规定,其性能主要包括屈服强度、抗拉强度、伸长率等。套管经过上扣后下入内，由于套管自重，螺纹接头要承受拉伸力，管柱内部有高压石油或者是天然气,外部有钻井液及地层流体压力，因此螺纹接头要承受内压、外压力。套管在下入受阻时，需提升管柱后下墩，接头承受较大的压缩力。通过有限元分析模拟，接头在上扣、上扣+拉伸、上扣+压缩、上扣+外压、上扣+内压+拉伸等五种工况下，分析接头的应力应变分布，密封面的接触压力、接触长度变化，一般情况下，螺纹在上扣后，允许出现局部的塑性变形，密封面接触压力越大，接触长度越长，密封性能越好。分析时将接头的接箍中面作为对称面，接头视为轴对称结构，将接头视为均匀的各向同性体。本文以φ139.7×12.7 mm规格,钢级125 V（理论屈服强度862 MPa[4]）套管验证接头的性能，套管模型的材料特性见表1，套管管体实物性能见表2，模拟分析加载过程中，载荷按管体实物性能加载，即受力情况达到管体一致。

图1 接头结构

表1 模型的材料特性

1）上扣。按理论过盈量0.4 mm,密封面过盈量0.6 mm分析。此时接头的应力分布及密封面和台肩处的应力、应变分布、密封面接触压力、接触长度如图2所示。应力分布为：接箍端部由于壁薄，变形大，应力达到540 MPa，从接箍端部到接箍中部应力逐渐下降。管端应力较高，从管体端部到管体螺纹消失部分应力逐渐下降，台肩由于分担了较多的上扣转矩，应力最高已达到845 MPa。主密封面由于过盈配合，接触面上的应力达到2200 MPa，接触长度为2.7 mm[5]。最大接触压力位于远离台肩处的锥面上，接近台肩处锥面上的接触压力迅速下降。但此时接头的最大应力也没有超过材料的屈服强度，密封面未发生永久变形，可防止密封面发生黏结损坏，能满足油田多次使用的要求。

图2 上扣状态下应力应变及密封面接触压力、接触长度图

2）上扣+拉伸。在上扣状态下，逐步加拉伸载荷至管体屈服强度4370 kN[6],应力应变及密封面接触长度、接触压力见图3。增加拉伸力后，螺纹啮合保持一定的应力，未发生脱扣现象，保证接头连接强度。密封面最大接触压力减为1800 MPa，远大于管体内屈服压力137.2 MPa,接头保持密封作用，未发生泄漏。此时密封接触长度为1.7 mm，最大接触压力位于远离台肩处的锥面上，接近台肩处锥面上的接触压力迅速下降。台肩脱开，失去辅助密封功能。

图3 上扣+拉伸应力应变分布及接触压力、接触长度图

3）上扣+压缩。上扣状态下，施加管体屈服强度4370 kN的压缩力，应力分布及密封面接触压力、接触长度见图4。密封面局部屈服，应力达到890 MPa，台肩有少量塑性变形。此时密封面最大接触压力为2600 MPa，接触长度为2.9 mm，接触压力在密封面两端高，中间低，最大接触压力位于远离台肩处的锥面上，可见压缩对密封性能有利，接头保持良好密封效果。

图4 上扣+压缩应力应变分布及接触压力、接触长度图

4）上扣+外压。上扣状态下，施加管体外压强度142.5 MPa的外压力，接头应力应变及密封面接触情况见图5。施加外压时，接箍外表面受力后部分转移到管体的密封面和台肩上，接箍厚变形量小，管体端部应力高。此时密封面接触压力为1550 MPa,接触长度为2.6 mm,接触压力两端高，中间低。接头保持良好密封效果。

图5 上扣+外压应力应变分布及接触压力、接触长度图

5）上扣+内压+拉伸。上扣状态下，加80%管体屈服强度拉伸力，内压95%VME（Mises等效应力）计算，应力分布及密封面接触压力、接触长度如图6所示。此时管体靠近螺纹消失局部发生屈服，接箍在危险截面处发生了局部屈服，局部屈服情况下不影响接头连接强度。密封面最大接触压力为1900 MPa,密封接触长度为2.3 mm，较纯拉伸状态，增加内压对密封有利，密封面未发生泄漏。

图6 上扣+内压+拉伸应力应变分布及接触压力、接触长度图

通过有限元模拟分析可见，接头在施加与管体内压、外压、拉伸、压缩载荷一致的状态下，接头仍然保持良好的结构完整性和密封性完整性。

3 实物实验

图7 实物实验加载步骤

表3 加载点

1）管端缩口处理。为保证接头的高抗压缩性能，需对管端进行缩口，管端缩口是靠缩口模具来控制管体金属流动的，金属体积的转移来实现管端成型。在压力条件下，管体按照型腔的尺寸控制发生缩口变形，139.7×12.7 125V规格缩口后管体内径为113.5 mm，比公称内径小1.0 mm。

2）实物性能实验。按标准要求进行加载实验[7]，以A系实验为例，图7为实验加载步骤（外圈数字1表示按100%VME计算，数字2表示按95%VME计算，数字3表示加载路径，内圈数字1～14表示具体加载步骤），具体加载点的数值见表3，载荷的计算按材料实际屈服强度、抗拉强度计算。图8为试样照片，图9为加载曲线。

图8 试样照片

图9 加载曲线

通过A系实验，螺纹结构完整，接头未发生泄漏，密封性能良好。

4 结 论

1）该套管接头设计合理，接头的抗内压、外压、拉伸、压缩性能可以达到与管体一致。2）通过有限元分析以及实物实验验证了该接头的性能可靠。