石油工業尤其是鑽採技術的進步推動了特殊螺紋油套管的研究和開發。隨著深井、超深井、高壓油氣井、稠油熱採井、重腐蝕井、定向井等的開採,對油套管提出了越來越苛刻的技術要求。API圓螺紋和偏梯形螺紋接頭在氣密封性、連線強度和耐腐蝕性方面都不能夠滿足開採環境條件惡劣的油氣井的需求,迫使人們去研究開發效能更加可靠的特殊螺紋接頭。特殊螺紋油套管的研究和開發,國外從20 世紀40 年代後期起步,60 年代投入使用,80 年代大量應用,目前申請專利的約有一百多種扣型,並且每年還有一些新的扣型問世。
在特殊螺紋的研究開發中,主要採用小試樣模擬試驗、全尺寸評價試驗和有限元與試驗應力分析等技術,並在以下幾方面取得突破性進展:(1) 密封技術,透過彈性及金屬密封結構的設計,使接頭氣密封抗力達到管體內屈服壓力; (2) 高連線強度,透過絲扣設計,大大改善了接頭的應力分佈,接箍式連線的接頭其連線強度達到或超過管體強度,基本解決了滑脫問題; (3) 抗磨損和防粘結技術,透過材料的選擇和表面處理工藝的改進,基本解決了螺紋粘結問題,套管三次上卸扣,油管十次上卸扣不發生粘結; (4) 耐腐蝕性,透過最佳化結構,使接頭應力分佈更趨合理,同時開發出一些耐酸氣腐蝕的鋼材(如9Cr、13Cr 等) 應用於鋼管生產,使接頭的耐腐蝕性大大提高; (5) 上扣可靠性提高,主要透過臺肩結構的設計,使上扣操作更加容易進行; (6) 整體式接頭的設計,滿足了一些小間隙固井、修井和二次開採技術的應用; (7) 抗高溫蠕變及變形, 研製出一些接頭能夠滿足350 ℃高溫注汽井的熱迴圈開採需要。
2 NEW VAM特殊螺紋設計概要
特殊螺紋接頭在氣密封、連線強度、抗粘扣、耐應力腐蝕、抗熱衝擊等方面的使用效能都優於API 螺紋接頭,這主要是由於特殊螺紋接頭在結構設計上與API 螺紋有著根本的不同,除了連線螺紋外增加了密封結構和扭矩臺肩。
211 NEW VAM螺紋設計
由於增加了密封結構,螺紋不再起主要密封作用,設計時NEW VAM採用連線效率高的偏梯形螺紋,但在形狀方面做了適當變化,如螺紋採用接箍螺紋齒高高於管體螺紋齒高,上扣時能夠,避免粘扣發生,承載面角為3°,導向面角為10°，目的是減少螺紋干涉量,改善接頭應力分佈,降低峰值應力,提高接頭的連線強度和耐應力腐蝕能力。預留適當的螺紋間隙,可以降低絲扣油壓力。因為絲扣油塗抹量過多時,如果絲扣油壓力升高,會降低密封面壓力。
212 NEW VAM密封結構設計
特殊螺紋接頭的氣密封性、耐粘結性都與接頭的密封結構緊密相關,通常接頭粘結主要發生在密封面上,所以確定密封結構的形式、尺寸及其公差,要同時考慮接頭的氣密封能力和耐粘結能力,也就是要保證接頭的密封完整性和上扣完整性。接頭密封完整性設計中密封結構選型是關鍵,由於設計的出發點及採用的密封機理不同,加之專利的保護,使得特殊螺紋接頭的密封結構形式各異。目前,NEW VAM密封結構是:錐面—錐面金屬密封。密封過盈量和加工公差的設計經過多年的現場使用證明其非常合理。
213 NEW VAM扭矩臺肩設計
大家都知道,API 螺紋接頭對上扣機緊扭矩難以有效控制,而且也不能承受較高的扭矩負載。
NEW VAM特殊螺紋接頭,為了克服API 接頭的不足以適應油田開採的需要,增加扭矩臺肩,保證上扣許用扭矩值範圍寬又能勝任苛刻的開採環境,有良好的超扭矩阻抗效能。扭矩臺肩的設計,需要處理好它與螺紋、密封結構的相互位置關係,達到如下要求: (1) 保證接頭密封功能完好,包括上扣時密封面配合良好和承載時不會造成密封面關鍵部位塑變降低密封效能; (2) 控制上扣機緊扭矩,限定螺紋機緊過盈量,提高螺紋抗粘扣能力; (3) 有可靠的承受超扭矩載荷的能力。扭矩臺肩設計好壞,直接影響接頭的連線效能。設計好可以保證接頭的氣密封性、連線強度、抗粘扣、耐應力腐蝕等使用效能,還可以提高接頭抗壓縮及彎曲變形能力甚至抗熱衝擊能力。螺紋接頭在熱採井中受熱衝擊作用產生很大的拉伸和壓縮熱應力,所以扭矩臺肩應能承受超過材料屈服強度的壓應力。
石油工業尤其是鑽採技術的進步推動了特殊螺紋油套管的研究和開發。隨著深井、超深井、高壓油氣井、稠油熱採井、重腐蝕井、定向井等的開採,對油套管提出了越來越苛刻的技術要求。API圓螺紋和偏梯形螺紋接頭在氣密封性、連線強度和耐腐蝕性方面都不能夠滿足開採環境條件惡劣的油氣井的需求,迫使人們去研究開發效能更加可靠的特殊螺紋接頭。特殊螺紋油套管的研究和開發,國外從20 世紀40 年代後期起步,60 年代投入使用,80 年代大量應用,目前申請專利的約有一百多種扣型,並且每年還有一些新的扣型問世。
在特殊螺紋的研究開發中,主要採用小試樣模擬試驗、全尺寸評價試驗和有限元與試驗應力分析等技術,並在以下幾方面取得突破性進展:(1) 密封技術,透過彈性及金屬密封結構的設計,使接頭氣密封抗力達到管體內屈服壓力; (2) 高連線強度,透過絲扣設計,大大改善了接頭的應力分佈,接箍式連線的接頭其連線強度達到或超過管體強度,基本解決了滑脫問題; (3) 抗磨損和防粘結技術,透過材料的選擇和表面處理工藝的改進,基本解決了螺紋粘結問題,套管三次上卸扣,油管十次上卸扣不發生粘結; (4) 耐腐蝕性,透過最佳化結構,使接頭應力分佈更趨合理,同時開發出一些耐酸氣腐蝕的鋼材(如9Cr、13Cr 等) 應用於鋼管生產,使接頭的耐腐蝕性大大提高; (5) 上扣可靠性提高,主要透過臺肩結構的設計,使上扣操作更加容易進行; (6) 整體式接頭的設計,滿足了一些小間隙固井、修井和二次開採技術的應用; (7) 抗高溫蠕變及變形, 研製出一些接頭能夠滿足350 ℃高溫注汽井的熱迴圈開採需要。
2 NEW VAM特殊螺紋設計概要
特殊螺紋接頭在氣密封、連線強度、抗粘扣、耐應力腐蝕、抗熱衝擊等方面的使用效能都優於API 螺紋接頭,這主要是由於特殊螺紋接頭在結構設計上與API 螺紋有著根本的不同,除了連線螺紋外增加了密封結構和扭矩臺肩。
211 NEW VAM螺紋設計
由於增加了密封結構,螺紋不再起主要密封作用,設計時NEW VAM採用連線效率高的偏梯形螺紋,但在形狀方面做了適當變化,如螺紋採用接箍螺紋齒高高於管體螺紋齒高,上扣時能夠,避免粘扣發生,承載面角為3°,導向面角為10°，目的是減少螺紋干涉量,改善接頭應力分佈,降低峰值應力,提高接頭的連線強度和耐應力腐蝕能力。預留適當的螺紋間隙,可以降低絲扣油壓力。因為絲扣油塗抹量過多時,如果絲扣油壓力升高,會降低密封面壓力。
212 NEW VAM密封結構設計
特殊螺紋接頭的氣密封性、耐粘結性都與接頭的密封結構緊密相關,通常接頭粘結主要發生在密封面上,所以確定密封結構的形式、尺寸及其公差,要同時考慮接頭的氣密封能力和耐粘結能力,也就是要保證接頭的密封完整性和上扣完整性。接頭密封完整性設計中密封結構選型是關鍵,由於設計的出發點及採用的密封機理不同,加之專利的保護,使得特殊螺紋接頭的密封結構形式各異。目前,NEW VAM密封結構是:錐面—錐面金屬密封。密封過盈量和加工公差的設計經過多年的現場使用證明其非常合理。
213 NEW VAM扭矩臺肩設計
大家都知道,API 螺紋接頭對上扣機緊扭矩難以有效控制,而且也不能承受較高的扭矩負載。
NEW VAM特殊螺紋接頭,為了克服API 接頭的不足以適應油田開採的需要,增加扭矩臺肩,保證上扣許用扭矩值範圍寬又能勝任苛刻的開採環境,有良好的超扭矩阻抗效能。扭矩臺肩的設計,需要處理好它與螺紋、密封結構的相互位置關係,達到如下要求: (1) 保證接頭密封功能完好,包括上扣時密封面配合良好和承載時不會造成密封面關鍵部位塑變降低密封效能; (2) 控制上扣機緊扭矩,限定螺紋機緊過盈量,提高螺紋抗粘扣能力; (3) 有可靠的承受超扭矩載荷的能力。扭矩臺肩設計好壞,直接影響接頭的連線效能。設計好可以保證接頭的氣密封性、連線強度、抗粘扣、耐應力腐蝕等使用效能,還可以提高接頭抗壓縮及彎曲變形能力甚至抗熱衝擊能力。螺紋接頭在熱採井中受熱衝擊作用產生很大的拉伸和壓縮熱應力,所以扭矩臺肩應能承受超過材料屈服強度的壓應力。