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石油套管研究了特殊扣石油套管接頭上扣扭矩的構成,利用厚壁圓筒理論,推導了特殊扣石油套管接頭上扣扭矩的計算方法,確定了螺紋牙徑向過盈量,分析了螺紋脂摩擦因子對上扣扭矩的影響。

結果表明,在螺紋過盈量一定的情況下,所用螺紋脂的摩擦因子越大,螺紋牙徑向過盈扭矩所占總扭矩的比值越大,并逐漸趨于一定值。在進行特殊扣接頭加工時,應優化公差配合,密封結構的加工精度和表面粗糙度,并注重螺紋脂的選擇。利用本文給出的計算方法,可以較好地估算特殊扣接頭的上扣扭矩。 套管接頭; 特殊螺紋; 上扣扭矩; 有限元 　　隨著油氣勘探技術的進一步發展,深井、超深井、高腐蝕油氣井的數量逐漸增多,對石油套管接頭提出了更高的要求,傳統的API螺紋接頭面臨諸多挑戰[1-2]。與普通的API螺紋接頭相比,特殊扣石油套管接頭具有相當于管體本身的抗拉強度、優良的密封穩定性以及更好的抗腐蝕能力,已被廣泛使用[3-4]。

為了石油套管接頭的連接強度和密封性能,對上扣扭矩要嚴格控制:既要總扭矩在合理的范圍內,又要使扭矩在螺紋、密封面、臺肩上得到合理分配。然而特殊扣石油套管接頭的結構較復雜,不同于標準的API螺紋接頭,因此至今沒有給出統一的上扣扭矩計算公式。在對石油套管接頭進行分析時主要采用全尺寸試驗法[5]和有限元法[6-7],相關的理論分析較少。本文結合厚壁圓筒線彈性理論、二維軸對稱有限元法和API扭矩臺肩上扣扭矩計算方法,建立了石油套管接頭的上扣扭矩計算公式。 　　1套管接頭上扣扭矩分析 　　特殊扣石油套管接頭由接箍和管體兩部分組成,如圖1所示。為了滿足一定的密封性能,在接頭端部設有錐面對錐面的金屬密封和扭矩臺肩,扭矩臺肩一般采用逆向結構,除了起輔助密封作用外,還起過載保護的作用。連接螺紋采用錐管螺紋,螺紋長度為L0。

螺紋主要起連接作用,在設計螺紋牙時主要考慮連接強度。本接頭采用的螺紋結構見圖2。為了防止松扣以及跳扣現象[8],使套管接頭能夠承受相當于管體的抗拉強度,采用鉤型螺紋牙(螺紋的承載角為負值)。由于承載角過小不易加工,采用-3°承載角;為了改螺紋牙接觸應力,防止多次上扣發生黏扣現象,螺紋錐度設置為1∶16,中徑線與軸向的夾角為γ;接箍的螺紋牙齒高大于管體螺紋牙齒高,上扣完成后接箍的齒頂與管體的齒底過盈配合,接箍的齒底和管體的齒頂具有一定間隙,降低螺紋的應力集中。螺紋的導向面主要起到引扣的作用,接箍的齒頂和管體的齒底接觸長度為HJ,螺距為P;螺紋的承載面承受密封面和扭矩臺肩的軸向載荷,以及工作環境下管體自重引起的軸向拉力。

為了接頭的連接完整性和密封完整性,在彈性范圍內應選取較大的密封面徑向過盈量和扭矩臺肩軸向過盈量,通過有限元分析,密封面的徑向過盈量δm大為0.35 mm,扭矩臺肩軸向過盈量δt大為0.11 mm。3.2螺紋牙徑向過盈量 為了石油套管接頭的連接性能,接頭的結構完整性,需要一定的螺紋牙徑向過盈量,普遍認為螺紋牙徑向過盈扭矩T1占總上扣扭矩TD的0.2左右,因此,要合理控制螺紋牙徑向過盈量,本文將該比值控制在0.18-0.22 螺紋牙徑向過盈量主要受上扣圈數、螺紋錐度、中徑尺寸偏差等因素影響,圖10示出了螺紋牙徑向過盈量為0～0.24 mm時,總上扣扭矩TD以及T1與TD比值的變化情況。

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