石油专用管螺纹管材的类型及规格之二

石油专用管螺纹管材的类型及规格之二----------油套管螺纹油套管是石油钻采工程中要求高、用量大的深度机械加工产品。使用螺纹将单根油套管连接成为长达数千米能承受数百大气压的长管柱——管状高压容器。1924年API制定了第一个油井管标准，油套管接头螺纹是每英寸10牙和每英寸8牙的V型螺纹，但后来被API8牙圆螺纹及偏梯型螺纹取代，并沿用至今。APISPEC5B标准规定常用套管螺纹为圆螺纹（简写CSG）和偏梯形螺纹（简写BCSG）。我国油气田通常普遍采用这两种螺纹接头。随着我国油气的勘探开发，尤其是深井、超深井、高压气井、定向井、含硫化氢等井的增多都对油套管接头的使用性能提出更高要求，API圆螺纹及偏梯型螺纹的气密性、连接强度、耐腐蚀性已不适应要求，为此各国纷纷展开特殊螺纹接头的开发和应用。以下对API圆螺纹、偏梯型螺纹以及部分特殊螺纹进行一一阐述。1.API圆螺纹圆螺纹有套管短圆螺纹（英文简写CSG，外观如图5所示）与套管长圆螺纹套管（LCSG）之分。油管圆螺纹英文简写为TBG，细分为不加厚油管螺纹（TBG）、外加厚油管螺纹（UPTBG）。圆螺纹为无台肩锥管螺纹、需要有接箍连接，牙型为三角形、圆顶圆底，牙形角为60°，螺纹锥度为1:16，牙形角平分线与轴线垂直，当螺纹旋紧后，靠内外螺纹的牙侧面密封。圆螺纹牙顶和牙底圆弧形有如下优越性：１改善螺纹在旋紧时由于擦伤而引起的阻力２上紧螺纹时，牙顶间隙为外来的颗粒和污物提供了一个有控制的间隙３这种圆弧面牙顶对于因局部刮伤或凹痕损伤不敏感。圆螺纹因其加工容易、密封性好、有一定的连接强度、现场维护和使用较简单、价格便宜的优点，在套管连接中被大量使用。由于套管外径小至41/2，大至20寸，同种外径圆螺纹套管其螺纹接头形状有长、短之分，管体壁厚有厚、薄之分，材料钢级有高低之分，机紧扭矩有大小之分，这就使得套管和接箍的其它螺纹参数如：手紧紧密距牙数A等基本尺寸有所区别，所以，检验不同规格的圆螺纹套管及接箍螺纹的紧密距，要用相应规格的螺纹量规检验，必要时还要对检测数据进行相应的处理。所有套管圆螺纹及接箍螺纹的基本形状是一样的，其齿高、螺距、锥度、牙型角等基本尺寸和公差范围完全相同。且齿顶和齿底圆弧形状、管端外倒角、消失锥角的要求也相同。在APISPEC5B标准中对同一种外径尺寸的套管圆螺纹，其检验用量规只有一种，且都是按照相应规格短圆螺纹的尺寸设计的，也就是说，量规的基本尺寸与对应的短圆螺纹的基本尺寸相同，这就意味着要一规多用，即该量规既要检验同种外径的长圆螺纹，也要检验同种外径的短圆螺纹。2.偏梯形螺纹这种螺纹是为了提高抗轴向拉伸或抗轴向压缩载荷能力，并提供泄漏抗力而设计，英文简写BCSG，无台肩锥管螺纹、需有接箍连接，牙型为偏梯形、平顶平底。规格为41/2-135/8的套管螺纹，直径上锥度为62.5mm/m，每25.4mm5牙螺纹（螺距为5.08mm）；导向牙侧面与螺纹轴线的垂线间的夹角为10°；承载侧面与螺纹轴线的垂线间的夹角为3°；牙顶和牙底为锥形，与螺纹锥度平行；导向侧面牙顶的圆角半径（0.762mmR）比承载侧面牙顶的圆角半径（0.203mmR）大，这有助于对扣和上扣。旋紧时，螺纹是全牙型配合，螺纹牙顶到牙底之间的最大间隙为0.051mm。螺纹本身的机加工偏差造成接头螺纹部件一端的一个螺纹侧面上受力，并使配对接头螺纹构件在另一端的相反螺纹侧面上受力。在任何情况下，使用合适的螺纹脂或或镀层（或这两者）是保证螺纹泄漏抗力的又一手段。泄漏抗力只能通过完整螺纹长度范围内的适当组装（干涉量）来控制。这种接头螺纹的牙底沿连续锥体一直延伸到管体外表面上消失，接箍（内螺纹端部分）与不完整螺纹开始一直延伸到消失点。3°承载侧面可使螺纹在高拉伸载荷下具有抗滑脱性能，而10°导向侧面可使螺纹承受高轴向压缩载荷。用手工方法修复螺纹应谨慎进行，并仅限于完整螺纹长度上很小一部分。对外螺纹的不完整螺纹部分进行谨慎修复不会影响对泄漏抗力的控制。规格不小于16寸的偏梯套管螺纹，直径上锥度为83.33mm/m，每25.4mm5牙螺纹，平顶和平牙底平行于管子轴线，这有助于对扣和上扣。所有其它尺寸和螺纹圆角半径都与规格不大于133/8的套管相同。使用合适的螺纹脂和镀层对保证泄漏抗力是很重要的。偏梯形螺纹牙型的优点：1）由于偏梯形螺纹具有3度承载牙侧面和10度引导牙侧面，所以能够承受足够大的拉伸或压缩载荷。特别是3度承载牙侧面使套管螺纹具有足够的抗拉强度。2）牙顶牙底平面的斜度与螺纹斜度相同，而且牙顶有圆弧。引导牙侧面在牙顶的圆弧半径比承载牙侧面在牙顶的圆弧半径大，这样有利于螺纹的旋合。但偏梯形螺纹密封性较低，尤其是套管下井后，在轴向拉力和一定的弯曲应力作用下，其抗气密封压力将进一步降低，同时螺纹接头发生了一次泄漏后，其二次气密封性会进一步下降。从套管接头结构示意图及偏梯螺纹啮合示意图可知，对于偏梯形螺纹套管接头，其密封部分主要有两部分：其一为扭矩台肩AB，另一部分为螺纹承载面S，此外，环形间隙中的螺纹密封脂在特定条件下也有密封作用。当偏梯形螺纹套管接头受到内压、拉伸及弯曲复合载荷的作用时，扭矩台肩AB及螺纹承载面S将叠加弯曲正应力,其扭矩台肩的接触压力减小,因而其密封压力降低。目前为了提高套管接头的密封压力，各套管厂均在开发新的特殊接头，为了不影响接头的连接强度，新的特殊接头一般采用偏梯形螺纹或改进的偏梯螺纹，提高了扭矩台肩及螺纹承载面承载压力，设计各种各样的金属对金属的过盈配合结构，大大提高了套管接头的密封压力。同其他所有石油管一样，套管螺纹连接是最薄弱的环节。螺纹连接的质量直接影响到套管柱的结构完整性和密封完整性，而螺纹加工精度又是螺纹连接质量的重要影响因素之一。5B标准对螺纹质量的控制指标多达十余项，螺纹单项参数如锥度、螺距、齿高、牙型角等可以借助于螺纹单项参数测量仪进行测量，测量结果很直观，不需要进行数据处理，也不易出错。而综合反映各单项参数及表面加工质量的、也是最重要的一个参量－紧密距，需用工作量规进行检验。由于要考虑量规的结构型式及与校对规的传递值、螺纹的长短、套管壁厚、钢级等，需要对测量数据进行必要的判断和处理，才能获得所需紧密距。3.常用套管的规格API套管尺寸规格共有14种，它们分别是：114.3(41/2)，127(5)，139.7(51/2)，168.8(65/8)，177.8(7)，193.7(75/8)，219.1(85/8)，244.5(95/8)，273.0(103/4)，298.4(113/4)，339.7(133/8)，406.4(16)，473.08(185/8)，508.0(20)，其中常用的有139.7(51/2)、177.8(7)、244.5(95/8)和339.7(133/8)四种。API规定，套管钢级有H-40、J-55、K-55、C-75、L-80、N-80、C-95、P-110共8种，其中以H-40钢级最低，以P-110钢级强度最高，根据钢级不同，套管上所涂颜色也不同，常用钢级J-55涂绿色、N-80涂红色、P-110涂白色三种。Φ139.7套管共有5种壁厚，其中J-55、K-55两种钢级包含三种壁厚是6.20、6.98和7.72毫米，C-75以上钢级包含的三种壁厚是7.72、9.17和10.54毫米。Φ177.8套管共有8种壁厚，其中K-55以下钢级包含四种壁厚是5.87、6.91、8.05和9.19毫米，C-75以上钢级包含的六种壁厚是8.05、9.19、10.36、11.51、12.65和13.72毫米。Φ244.5套管共有6种壁厚，其中K-55以下钢级包含三种壁厚是7.92、8.94和10.03毫米，C-75以上钢级包含的四种壁厚是10.03、11.05、11.99和13.84毫米。Φ339.7套管共有6种壁厚，其中K-55以下钢级包含四种壁厚是8.38、9.65、10.92和12.19毫米，C-75以上钢级包含的两种壁厚是12.19和13.06毫米。4.API标准螺纹存在问题由上可知，螺纹连接强度和密封性是油套管两个主要技术指标。API圆螺纹及偏梯型螺纹不适合如稠油热采、超深井、重腐蚀进等较苛刻条件下使用，原因是与其结构、螺纹轮廓有关的密封、强度问题。圆螺纹只能承受相当于管体强度的60%~80%的拉伸负载，偏梯螺纹接头虽然有较高的连接强度，但在较高内压下密封性能很差。此两种螺纹一般借助于在合适的载体中含铅、锌、铜、石墨和硅油等组成物的螺纹脂来实现密封，这种形式密封一般只能在60~95ºC以下温度工作。因此API标准螺纹接头的密封主要通过螺纹脂、金属镀层和螺纹过盈啮合等方法实现。API圆螺纹牙根到牙顶间隙为0.152mm；偏梯螺纹最大间隙在导向侧整个牙高范围内，193.7mm以下规格套管牙顶间隙为0.178mm，219.1mm及以上规格套管则大至0.229mm。API标准螺纹接头的密封一是靠螺纹脂填堵该间隙并使内压力在公平啮合螺纹长度内（通常为3~5螺纹牙长度）的间隙两端产生一定压力降，从而实现密封作用。其二是靠螺纹牙侧面过盈啮合，形成若干个不确定的金属对金属接触密封（密封位置、接触压力受螺纹尺寸、镀层、螺纹脂影响），从而达到密封作用。在静水压试验中圆螺纹和偏梯螺纹接头的密封性能随着管子尺寸、钢级变化而变化，管径越大、壁厚越厚、钢级越高，临界密封压力与管体内屈服压力之比越低，密封性能越差。而API圆螺纹除密封性能差外其抗拉强度也较低。API圆螺纹在正常条件下，接头的抗拉强度仅为管体强度的80%。在外压及轴向拉伸等双轴应力作用下，遇到较大弯曲或冲击载荷时易发生滑脱。主要原因是接头螺纹上载荷分布不均及牙形半角为30度，半角的正切值远高于牙侧面复合螺纹脂或镀膜层的摩擦系数，使抗滑脱阻力小于外力分量造成滑脱现象发生。