石油管螺纹分析研究

一、引言

在石油的勘探开发过程中, 石油专用管螺纹起着不可替代的作用, 其主要分为两大类:用于油套管连接的油套管接头螺纹和用于井下工具及钻柱构件连接的石油钻具接头螺纹。

二、油套管接头螺纹

1.

石油套管是石油开采中用量极大的机械加工产品, 它利用油套管接箍连接两根带螺纹石油管, 可使单根油套管连接成为数百米甚至数千米, 并且能承受数百大气压的长管柱。由于使用的特殊性, 在生产和加工过程应遵循API 5CT及API 5B中的相关标准。

2. 各种类型螺纹的优缺点

(1) 圆螺纹:在套管中分成为短圆 (SC) 和长圆 (LC) , 在油管中分为加厚 (EU) 和不加厚 (NU) .

圆螺纹加工工艺容易、密封性好、有一定的连接强度、维护和使用都较简单并且价格便宜, 因此被大量使用。

(2) 偏梯形螺纹:为了提高抗轴向拉伸或抗轴向压缩载荷能力, 同时提供泄露抗力而设计出了偏梯螺纹 (BC) , 牙型为偏梯形。偏梯形螺纹具有3度承载牙侧面和10度引导牙侧面, 所以能承受足够大拉伸或压缩载荷。但偏梯形螺纹也有一定的缺点, 它的密封性较低, 尤其是下井后, 在轴向拉力和一定的弯曲应力作用下, 其抗气密封压力进一步降低。

3. 油套管螺纹的检测

螺纹连接是石油管仲最薄弱的环节, 它的质量直接影响到管子的结构完整性和密封性, 螺纹的加工精度又是螺纹连接质量的重要影响因素之一。在API 5B中, 对螺纹的控制指标有很多项要求, 锥度、螺距、齿高、牙型角等可借助螺纹单项仪进行测量。但最重要的, 也是能综合反映各单项参数及表面加工质量的参量—紧密距, 则需要用工作量规进行检验。

4. 存在的问题

API的标准螺纹的密封主要是通过螺纹脂、金属磷化镀层以及螺纹之间的啮合等方法, 从而实现密封作用。近年来, 随着稠油井、超深井、重腐蚀井等苛刻条件井的开采越来越多, 井底压力和井内温度日益增高, 对螺纹连接强度和密封性的要求也越来越高, 圆螺纹和偏梯螺纹这些API标准螺纹暴露出的不适应性也越来越多, 螺纹的连接强度和密封性能方面都难以满足钻井技术的要求。例如, 圆螺纹只能承受管体强度60%~80%的拉伸负载, 而偏梯螺纹在较高内压下的密封性会变差。

5. 发展趋势

随着钻采工艺技术的不断进步, 具有高强度、高密封性的特殊扣螺纹在世界大石油专用管生产商中已陆续开发出来, 并得到了较广泛的应用。特殊螺纹具有防漏、多重密封、高抗拉, 非常适合在腐蚀性环境中使用。特殊扣螺纹主要在密封性、扭矩台肩和螺纹三部分进行了设计。

(1) 特殊螺纹扣密封设计:特殊螺纹不在单纯靠螺纹脂和螺纹过盈来实现密封, 而是增加了主密封结构, 从而实现了多级密封能力, 大大增加了抗泄露力。

(2) 特殊螺纹扭矩台肩设计:特殊螺纹增加了定位控制, 提高了其抗粘扣性能和抗过扭矩能力。通过控制螺纹和密封的干涉量, 保证了主密封的过盈配合能达到最佳实现, 提高了抗压缩和抗弯曲的能力。

(3) 特殊螺纹的设计:螺纹的设计普遍是建立在偏梯形螺纹基础上, 在形状方面也有所适当变化, 采用了钩形螺纹或楔形螺纹。通过在承载面、加工公差上进行了调整改进, 来减小螺纹干涉量, 改善应力分布。

特殊扣螺纹目前在国内外都得到了大力发展, 但与国外同类产品相比, 国内产品还存在不小差距, 这需要国内企业进一步加大特殊扣螺纹的研发工作, 以满足市场需求。

三、钻具接头螺纹

1. 钻具接头螺纹的主要应用

API SPEC 7中称钻具接头螺纹为“旋转台肩连接”, 它是石油钻探行业中最主要的机械结构, 广泛用于如钻铤、钻杆及转换接头等钻井工具及钻柱构件的连接。钻具接头螺纹通过轴向位移来补偿连接部分直径误差, 因此它具有可互换程度高、结合紧密和装拆容易等特点。

2. 钻具螺纹的检测

钻具螺纹在生产现场过程中必须按照API规定利用螺纹工作规检测螺纹的紧密距, 并按一定的检验周期频率用钻具单项仪进行螺距和锥度等数据的检测。

在使用现场, 可使用牙型规对已磨损的钻具检测螺纹牙的磨损情况。一般要求为:若剩余牙顶高不得低于原牙顶高的三分之二, 剩余的牙顶宽度不低于原牙顶宽度的二分之一, 磨损牙数不得超过3.5牙时, 该钻具螺纹仍可继续使用。否则, 应进行修理。

3. 钻具螺纹的失效

钻杆接头主要失效类型有以下几种:

(1) 断裂:在接头最末完全扣处的应力往往最大, 断裂通常发生在此处

(2) 粘扣或胀扣:通常发生在有较高轴向压力的情况下, 外螺纹强制进入内螺纹, 便引起内螺纹粘扣或胀扣, 而造成连接失效。

(3) 滑扣:当螺纹锥度较大时, 上紧圈数未达到适当的圈数, 而扭矩此时便已达到推荐值, 这时承受轴向拉力作用, 易发生脱扣。

(4) 密封失效:上紧扭矩过小, 过低的螺纹过盈量会导致较低的密封能力

4. 存在的问题和趋势

随着超深井开采的增多, 钻具断裂等事故也在不断增加。大部分都是由于应力集中产生疲劳裂纹, 发生断裂失效事故, 主要原因是由于外部载荷和预载荷在钻具头外螺纹上分配不均匀所致, 所以延长螺纹接头疲劳寿命, 研制高疲劳强度的螺纹接头成为将来发展的方向。

摘要：石油专用管是油田开发过程中的重要部件之一, 管螺纹起着重要的作用。本文以石油开采中常用的连接管螺纹为研究对象, 通过对其进行分析研究。

关键词：螺纹,连接,紧密距

参考文献

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