特殊螺纹接头油井管的设计和选用

介绍了API螺纹油井管的特点及存在的问题，结合我国在开发、应用特殊螺纹接头油井管过程中取得的经验，从不同的使用服役条件综合分析评述西姆莱斯开发的各种特殊螺纹结构设计与选用要点，并指出存在的问题，探讨进一步的研究开发方向，为有针对性地选好、用好特殊扣油井管产品提供参考.

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DOL:10.13374/.issn1001-053x2012.s1.001 第34卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.34 Suppl.1 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 特殊螺纹接头油井管的设计和选用张毅高连新无锡西姆菜斯石油专用管制造有限公司，无锡214028 通信作者，E-mail:g阳olianxin@163.com 摘要介绍了API螺纹油井管的特点及存在的问题，结合我国在开发、应用特殊螺纹接头油井管过程中取得的经验，从不同的使用服役条件综合分析评述西姆莱斯开发的各种特殊螺纹结构设计与选用要点，并指出存在的问题，探讨进一步的研究开发方向，为有针对性地选好、用好特殊扣油井管产品提供参考。关键词油井管：特殊螺纹；气密封性能：设计原理；选用分类号TE931.2 Design and selection of premium thread connection of oil country tubular goods ZHANG Yi,GAO Lian-xin Wuxi Seamless Oil Pipe Co.Ltd,Wuxi 214028,China Corresponding author,E-mail:gaolianxin@163.com ABSTRACT The characteristics and unsolved problems of API threaded OCTG were introduced.On the base of the usage and devel- opment experience of domestic oil field and manufactures,the premium threaded connections developed by Wuxi Seamless Pipe Co.Ltd (WSP)were described in detail.At the same time,the design principle,selection method and structure feature of WSP premium con- nections were discussed and analyzed according to the different service conditions.Furthermore,the deficiencies of WSP premium con- nections were also given,and the development direction was discussed too.Some references can be provided for selection and usage of premium connections. KEY WORDS oil country tubular goods (OCTG):premium thread connection:gas seal capability:design principles:selection 接头是油井管柱中受力最苛刻、结构最薄弱的西姆莱斯开发的各种特殊螺纹结构设计与选用要环节，采用特殊螺纹接头代替API接头是公认的提点，并指出存在的问题，探讨进一步的研究开发方高管柱寿命、解决油井管失效最为有效的方法.特向，为进一步有针对性地选好、用好特殊扣油井管产殊螺纹接头突破了API接头的设计框架，具有连接品提供参考. 强度高、密封性能好、操作方便等优点，较好地解决了油井管接头的结构完整性和密封完整性问题，应 1API扣型及存在问题用范围不断扩大.因此，开发多种具有较高技术含 API螺纹具有技术成熟，易于加工，互换性好等量、附加值高的各种特殊螺纹油井管，己经得到了广优点.其缺点是，连接强度低，主要指圆螺纹（只是大油井管生产厂的高度重视。目前，全世界油井管管体强度的60%~80%)：密封性能差，且不可靠：特殊螺纹有300余种.近年来，国内上海宝钢、天津上扣控制难，不易对扣、引扣，旋扣时间长，且易发生钢管公司、无锡西姆莱斯等均成功开发了各自的特黏扣、错扣等现象；接头应力水平高，耐应力腐蚀性殊螺纹产品，并取得了一定的应用效果，使得我国在能差.API螺纹结构如图1所示. 特殊螺纹方面的研究与产业化达到了一个新的分析表明，API螺纹在啮合的第一有效扣处接阶段山触应力最大，局部最大应力可达到中间齿面接触应本文结合我国在开发、应用特殊螺纹接头过程力的4倍左右.因此，API螺纹应力分布很不均匀，中取得的经验，从不同使用服役条件综合分析评述存在严重的应力集中现象，很容易发生黏扣.尤其收稿日期：201201一10

第 34 卷增刊 1 2012 年 6 月北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 Suppl． 1 Jun． 2012 特殊螺纹接头油井管的设计和选用张毅高连新无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司，无锡 214028 通信作者，E-mail: gaolianxin@ 163． com 摘要介绍了 API 螺纹油井管的特点及存在的问题，结合我国在开发、应用特殊螺纹接头油井管过程中取得的经验，从不同的使用服役条件综合分析评述西姆莱斯开发的各种特殊螺纹结构设计与选用要点，并指出存在的问题，探讨进一步的研究开发方向，为有针对性地选好、用好特殊扣油井管产品提供参考．关键词油井管; 特殊螺纹; 气密封性能; 设计原理; 选用分类号 TE931. 2 Design and selection of premium thread connection of oil country tubular goods ZHANG Yi ，GAO Lian-xin Wuxi Seamless Oil Pipe Co． Ltd，Wuxi 214028，China Corresponding author，E-mail: gaolianxin@ 163． com ABSTRACT The characteristics and unsolved problems of API threaded OCTG were introduced． On the base of the usage and development experience of domestic oil field and manufactures，the premium threaded connections developed by Wuxi Seamless Pipe Co． Ltd ( WSP) were described in detail． At the same time，the design principle，selection method and structure feature of WSP premium connections were discussed and analyzed according to the different service conditions． Furthermore，the deficiencies of WSP premium connections were also given，and the development direction was discussed too． Some references can be provided for selection and usage of premium connections． KEY WORDS oil country tubular goods ( OCTG) ; premium thread connection; gas seal capability; design principles; selection 收稿日期: 2012--01--10 接头是油井管柱中受力最苛刻、结构最薄弱的环节，采用特殊螺纹接头代替 API 接头是公认的提高管柱寿命、解决油井管失效最为有效的方法．特殊螺纹接头突破了 API 接头的设计框架，具有连接强度高、密封性能好、操作方便等优点，较好地解决了油井管接头的结构完整性和密封完整性问题，应用范围不断扩大．因此，开发多种具有较高技术含量、附加值高的各种特殊螺纹油井管，已经得到了广大油井管生产厂的高度重视．目前，全世界油井管特殊螺纹有 300 余种．近年来，国内上海宝钢、天津钢管公司、无锡西姆莱斯等均成功开发了各自的特殊螺纹产品，并取得了一定的应用效果，使得我国在特殊螺纹方面的研究与产业化达到了一个新的阶段［1］．本文结合我国在开发、应用特殊螺纹接头过程中取得的经验，从不同使用服役条件综合分析评述西姆莱斯开发的各种特殊螺纹结构设计与选用要点，并指出存在的问题，探讨进一步的研究开发方向，为进一步有针对性地选好、用好特殊扣油井管产品提供参考． 1 API 扣型及存在问题 API 螺纹具有技术成熟，易于加工，互换性好等优点．其缺点是，连接强度低，主要指圆螺纹( 只是管体强度的 60% ～ 80% ) ; 密封性能差，且不可靠; 上扣控制难，不易对扣、引扣，旋扣时间长，且易发生黏扣、错扣等现象; 接头应力水平高，耐应力腐蚀性能差． API 螺纹结构如图 1 所示．分析表明，API 螺纹在啮合的第一有效扣处接触应力最大，局部最大应力可达到中间齿面接触应力的 4 倍左右．因此，API 螺纹应力分布很不均匀，存在严重的应力集中现象，很容易发生黏扣．尤其 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.s1.001

增刊1 张毅等：特殊螺纹接头油井管的设计和选用 ·11 (b) (a) 10 图1API螺纹.(a)圆螺纹：(b)偏梯形螺纹 Fig.1 API thread:(a)round thread casing:(b)buttress thread casing 是对于油管，在使用过程中需要反复上卸，API螺纹 1T为接箍式连接形式，具有优良的性能，适用范围的缺陷更为突出广，研发该接头时主要采用有限元法设计，并根据 API RP5C5的要求严格进行评价实验.其结构如图 2油、套管特殊扣的设计和选用 2所示. 特殊螺纹是在研究了API螺纹的优缺点后开发 3°承载面出来的新一代螺纹形式，特殊螺纹结构设计独特、加工工艺精良，具有API螺纹结构所不具备的诸多优点. 10°导向面 (1)先进的螺纹形式：螺纹不需要承担密封功能，为优化螺纹设计提供了更加广阔的空间，一般连接效率高、不黏扣、寿命长. (2)多重密封结构：密封功能由一种或一种以金属/金属密封上的独立结构承担，实现了金属/金属密封，大大提高了接头的密封可靠性和临界抗内压强度. -15台肩○ (3)增加扭矩台肩：一方面保证上扣位置更加准确，确保连接强度，另一方面台肩可吸收大部分扭图2WSP-1T的结构示意图矩，使得螺纹部分承担的扭矩减少，应力分布趋于合 Fig.2 Structure of WSP4T connection 理，不易发生黏扣国外对特殊螺纹油套管的研究已经取得了很大 WSP-1T螺纹采用改进的偏梯形螺纹形式（油成功，已经成功开发了100多种特殊螺纹接头（套管8牙/25.4mm、套管5牙/25.4mm).减小了内、管118种1公布63种，油管78种/公布59种).特外螺纹配合时的过盈量（约为API过盈量的1/3），殊螺纹的开发方法主要采用有限元模拟技术、应力提高了接头连接效率和抗应力腐蚀的能力.油管螺分析技术、全尺寸模拟实验技术.目前在密封技术、纹的齿顶平行于管子轴线，入扣容易，不易错扣.调高连接强度设计、防黏扣技术、耐应力腐蚀设计、上整螺纹牙形，降低应力集中，防止黏扣扣可靠性提高（包括抗过扭矩能力）、无接箍设计、 WSP-HT的密封采用金属/金属密封+台肩（辅抗高温蠕变及变形的特殊接头等方面取得了突破性助)密封，主密封采用内螺纹球面/外螺纹柱面形进展式。其优点为：拉伸、弯曲+内压的复合载荷下接触国内也特别重视特殊螺纹接头油井管的开发，压力不下降.主密封球面设计在接箍内部，不会在上海宝钢、天津钢管公司、无锡西姆莱斯等都开发了运输、装卸、下井作业过程中磕碰损坏.密封面容易各自的特殊螺纹系列，丰富了特殊螺纹接头的品种检测，公扣端柱面密封易返修加工. 下面简要介绍西姆莱斯公司的特殊螺纹接头油井管 WSP一1T内螺纹接头表面需要采用磷化或镀铜的设计思路和原理，为开发和使用特殊螺纹接头提等其他处理方式，外螺纹可以不进行表面处理，也可供参考. 以选用表面喷丸、磷化等方式，提高抗黏扣性能 2.1常规特殊扣产品WSP-1T 2.2旋转固井、旋转下套管用的特殊扣WSP-2T WSP-1T是西姆莱斯公司第一代特殊扣产品， WSP-2T是无锡西姆莱斯公司的第二代特殊扣该扣型主要适用于各类天然气井、热采井等.WSP一产品，主要适用于深井、超深井、大位移水平井的油

增刊 1 张毅等: 特殊螺纹接头油井管的设计和选用图 1 API 螺纹． ( a) 圆螺纹; ( b) 偏梯形螺纹 Fig． 1 API thread: ( a) round thread casing; ( b) buttress thread casing 是对于油管，在使用过程中需要反复上卸，API 螺纹的缺陷更为突出． 2 油、套管特殊扣的设计和选用特殊螺纹是在研究了 API 螺纹的优缺点后开发出来的新一代螺纹形式，特殊螺纹结构设计独特、加工工艺精良，具有 API 螺纹结构所不具备的诸多优点． ( 1) 先进的螺纹形式: 螺纹不需要承担密封功能，为优化螺纹设计提供了更加广阔的空间，一般连接效率高、不黏扣、寿命长． ( 2) 多重密封结构: 密封功能由一种或一种以上的独立结构承担，实现了金属/金属密封，大大提高了接头的密封可靠性和临界抗内压强度． ( 3) 增加扭矩台肩: 一方面保证上扣位置更加准确，确保连接强度，另一方面台肩可吸收大部分扭矩，使得螺纹部分承担的扭矩减少，应力分布趋于合理，不易发生黏扣．国外对特殊螺纹油套管的研究已经取得了很大成功，已经成功开发了 100 多种特殊螺纹接头( 套管 118 种/公布 63 种，油管 78 种/公布 59 种) ．特殊螺纹的开发方法主要采用有限元模拟技术、应力分析技术、全尺寸模拟实验技术．目前在密封技术、高连接强度设计、防黏扣技术、耐应力腐蚀设计、上扣可靠性提高( 包括抗过扭矩能力) 、无接箍设计、抗高温蠕变及变形的特殊接头等方面取得了突破性进展．国内也特别重视特殊螺纹接头油井管的开发，上海宝钢、天津钢管公司、无锡西姆莱斯等都开发了各自的特殊螺纹系列，丰富了特殊螺纹接头的品种．下面简要介绍西姆莱斯公司的特殊螺纹接头油井管的设计思路和原理，为开发和使用特殊螺纹接头提供参考． 2. 1 常规特殊扣产品 WSP--1T WSP--1T 是西姆莱斯公司第一代特殊扣产品，该扣型主要适用于各类天然气井、热采井等． WSP-- 1T 为接箍式连接形式，具有优良的性能，适用范围广，研发该接头时主要采用有限元法设计，并根据 API RP 5C5 的要求严格进行评价实验．其结构如图 2 所示．图 2 WSP--1T 的结构示意图 Fig． 2 Structure of WSP-1T connection WSP--1T 螺纹采用改进的偏梯形螺纹形式( 油管 8 牙/25. 4 mm、套管 5 牙/25. 4 mm) ．减小了内、外螺纹配合时的过盈量( 约为 API 过盈量的 1 /3) ，提高了接头连接效率和抗应力腐蚀的能力．油管螺纹的齿顶平行于管子轴线，入扣容易，不易错扣．调整螺纹牙形，降低应力集中，防止黏扣． WSP--1T 的密封采用金属/金属密封 + 台肩( 辅助) 密封，主密封采用内螺纹球面/外螺纹柱面形式．其优点为: 拉伸、弯曲 + 内压的复合载荷下接触压力不下降．主密封球面设计在接箍内部，不会在运输、装卸、下井作业过程中磕碰损坏．密封面容易检测，公扣端柱面密封易返修加工． WSP--1T 内螺纹接头表面需要采用磷化或镀铜等其他处理方式，外螺纹可以不进行表面处理，也可以选用表面喷丸、磷化等方式，提高抗黏扣性能． 2. 2 旋转固井、旋转下套管用的特殊扣 WSP--2T WSP--2T 是无锡西姆莱斯公司的第二代特殊扣产品，主要适用于深井、超深井、大位移水平井的油 ·11·

·12 北京科技大学学报第34卷气井钻井需要，可解决旋转固井与旋转下套管的过点也多选择它，客户群稳定，故市场应用非常广扭矩操作等技术难题.WSP-2T为接箍式连接形研发WSP-3T时主要对密封结构进行了特别式，具有优良的使用性能，适用范围广，包括中高压设计，见图4.采用多圆弧连续过渡，使密封面和扭气井、油气混和井、稠油热采井、深井超深井等的套矩台阶处可以与VAM、NEW一VAM扣的相应位置配管.WSP-2T的结构如图3所示. 合且不产生过量的干涉，并根据S013679的要求进行了实验验证.螺纹形状则与API偏梯形螺纹弯曲一样，螺纹螺距分别是8牙/25.4mm、6牙/25.4 mm和5牙/25.4mm,这样即可以与VAM、NEW- VAM互换，又不至于侵犯了对方的专利. 110 3°，油管图3WSP-2T的结构示意图 15冲110锥度 Fig.3 Structure of WSP2T connection WSP-2T螺纹的螺纹采用改进的偏梯形螺纹形式.通过调整中径，减小内、外螺纹配合时的过盈量套管 (约为API过盈量的1/3)，提高了接头连接效率和图4WSP-3T结构图抗应力腐蚀的能力.其显著特点是采用了双台肩结 Fig.4 Structure of WSP3T connection 构，其抗扭强度是单台肩的1倍以上，可达普通API 螺纹的3倍.同时，双扭矩台阶结构便于引扣、对扣 2.4保证固井间隙的特殊扣WSP-FJ(4T) 操作，现场上扣不易错扣，可防止黏扣.双扭矩台肩 WSP-FJ(4T)是无锡西姆莱斯公司生产的无接降低了台肩根部的应力集中，而且主应力分布不在箍式的特殊扣产品之一.WSP-FJ(4T)适用于各类一个截面上，降低了危险截面的应力集中油、气井，以及深井、超深井的油管、油层套管和技术 WSP-2T密封结构采用金属/金属密封+台肩套管，下入时需要考虑井眼空间或保证固井间隙，该 (辅助)密封的形式，主密封采用锥面/锥面密封.其产品主要为解决小井眼钻井、侧钴、修井、超深井等优点为：密封面积大，面压小，密封面上的接触压力多层套管情况下固井间隙小的工程技术难题.其结小，不易引发密封面的黏扣.密封面积大，密封效果构如图5所示. 好，在拉伸、弯曲及内压的复合载荷作用下密封面接 WSP-FJ(4T)为无接箍式连接，螺纹直接加工触压力不下降.主密封金属/金属的锥面设计，在扭在管子上，接头的内、外壁尺寸与管体的内、外径完矩台肩处形成辅助密封.锥面密封面的表面擦伤容全一致，保证了最大固井间隙. 易修复，公扣端密封面也容易返修加工螺纹为倒钩式，承载面角-3°，导向面角25°， 2.3互换性强的特殊扣WSP3T 保证了接头具有较高的连接效率.主密封为锥面/ WSP-3T是无锡西姆莱斯公司开发的第三种特锥面密封结构，内、外两个台肩为辅助密封.外扭矩殊扣产品，其设计目的主要是为了解决与其他特殊台肩采用-15°逆向台肩，内台肩为直角台肩，同时扣（主要是VAM系列特殊扣）互换使用的技术承受扭矩. 难题. 2.5窄间隙/特窄间隙接箍特殊扣WSP-SC 目前一些应用较为广泛的特殊扣型，占据了世 WSP-SC系列窄间隙接箍特殊扣，分标准窄间界特殊扣市场的很大份额，不仅很多石油公司的管隙和特窄间隙两类.标准窄间隙是指接箍外径等同柱设计都选择它，而且配套的井下工具、维修授权网于API窄间隙接箍外径，特窄间隙是指接箍外径小

北京科技大学学报第 34 卷气井钻井需要，可解决旋转固井与旋转下套管的过扭矩操作等技术难题． WSP--2T 为接箍式连接形式，具有优良的使用性能，适用范围广，包括中高压气井、油气混和井、稠油热采井、深井超深井等的套管． WSP--2T 的结构如图 3 所示．图 3 WSP--2T 的结构示意图 Fig． 3 Structure of WSP-2T connection WSP--2T 螺纹的螺纹采用改进的偏梯形螺纹形式．通过调整中径，减小内、外螺纹配合时的过盈量 ( 约为 API 过盈量的 1 /3) ，提高了接头连接效率和抗应力腐蚀的能力．其显著特点是采用了双台肩结构，其抗扭强度是单台肩的 1 倍以上，可达普通 API 螺纹的 3 倍．同时，双扭矩台阶结构便于引扣、对扣操作，现场上扣不易错扣，可防止黏扣．双扭矩台肩降低了台肩根部的应力集中，而且主应力分布不在一个截面上，降低了危险截面的应力集中． WSP--2T 密封结构采用金属/金属密封 + 台肩 ( 辅助) 密封的形式，主密封采用锥面/锥面密封．其优点为: 密封面积大，面压小，密封面上的接触压力小，不易引发密封面的黏扣．密封面积大，密封效果好，在拉伸、弯曲及内压的复合载荷作用下密封面接触压力不下降．主密封金属/金属的锥面设计，在扭矩台肩处形成辅助密封．锥面密封面的表面擦伤容易修复，公扣端密封面也容易返修加工． 2. 3 互换性强的特殊扣 WSP--3T WSP--3T 是无锡西姆莱斯公司开发的第三种特殊扣产品，其设计目的主要是为了解决与其他特殊扣( 主要是 VAM 系列特殊扣) 互换使用的技术难题．目前一些应用较为广泛的特殊扣型，占据了世界特殊扣市场的很大份额，不仅很多石油公司的管柱设计都选择它，而且配套的井下工具、维修授权网点也多选择它，客户群稳定，故市场应用非常广．研发 WSP--3T 时主要对密封结构进行了特别设计，见图 4．采用多圆弧连续过渡，使密封面和扭矩台阶处可以与 VAM、NEW--VAM 扣的相应位置配合且不产生过量的干涉，并根据 ISO 13679 的要求进行了实验验证．螺纹形状则与 API 偏梯形螺纹弯曲一样，螺纹螺距分别是 8 牙/25. 4 mm、6 牙/25. 4 mm 和 5 牙/25. 4 mm，这样即可以与 VAM、NEW-- VAM 互换，又不至于侵犯了对方的专利．图 4 WSP--3T 结构图 Fig． 4 Structure of WSP-3T connection 2. 4 保证固井间隙的特殊扣 WSP--FJ( 4T) WSP--FJ( 4T) 是无锡西姆莱斯公司生产的无接箍式的特殊扣产品之一． WSP--FJ( 4T) 适用于各类油、气井，以及深井、超深井的油管、油层套管和技术套管，下入时需要考虑井眼空间或保证固井间隙，该产品主要为解决小井眼钻井、侧钻、修井、超深井等多层套管情况下固井间隙小的工程技术难题．其结构如图 5 所示． WSP--FJ( 4T) 为无接箍式连接，螺纹直接加工在管子上，接头的内、外壁尺寸与管体的内、外径完全一致，保证了最大固井间隙．螺纹为倒钩式，承载面角－ 3°，导向面角 25°，保证了接头具有较高的连接效率．主密封为锥面/ 锥面密封结构，内、外两个台肩为辅助密封．外扭矩台肩采用－ 15°逆向台肩，内台肩为直角台肩，同时承受扭矩． 2. 5 窄间隙/特窄间隙接箍特殊扣 WSP--SC WSP--SC 系列窄间隙接箍特殊扣，分标准窄间隙和特窄间隙两类．标准窄间隙是指接箍外径等同于 API 窄间隙接箍外径，特窄间隙是指接箍外径小 ·12·

增刊1 张毅等：特殊螺纹接头油井管的设计和选用 ·13· 方式，消除了内、外螺纹旋扣配合在退刀角处约束形锥度1：5 成的应力集中，提高了接头的连接强度和抗应力腐蚀的能力螺纹完全退刀倒钩式螺纹 109 锥面/锥面 15 1420 金属密封图5WSP-)(4T)结构示意图 15 Fig.5 Structure of WSP-FJ (4T)connection 图6WSP-HK结构示意图于API窄间隙接箍外径的特殊扣产品.WSP-SC系 Fig.6 Structure of WSP-HK connection 列适用于各类油、气井，深井、超深井的油管、油层套管和技术套管柱下如需要考虑井眼空间或保证固井 WSP-HK的密封采用锥面/锥面金属密封+台间隙而设计的专用产品，主要解决小井眼钻井、侧肩密封的结构.其优点：锥面密封属面密封，面压钻、修井、超深井多级套管柱保证下部固井间隙等的小，密封面上的接触压力小，不易引发密封面的黏工程技术难题扣.密封面积大，密封效果好，在拉伸、弯曲+内压 WSP-SC与WSP-FJ(4T)的区别在于它是带接的复合载荷下密封面接触压力不下降.主密封金箍连接，连接强度较高，可采用吊卡或卡瓦操作属/金属的锥面设计，在扭矩台阶处形成辅助密封设计，锥面密封面的表面擦伤容易修复，公扣端锥面密 (WSP-FJL只能采用卡瓦操作).考虑到现场使用封面也容易返修加工. 的互换性，以及提高连接强度等各种选择，接头螺纹 2.7快速上扣的大螺距特殊扣型WSP-BIG 型式可根据情况进行选择：包括WSP-ITSC、WSP- WSP-BIG适用于规格为14"以上的导管和表层 2T-SC、WSP-3T-SC等，保持原扣型的特点，具有良套管，其结构示意图见图7.WSP-BIG主要是改进好的使用性能. 了螺纹设计，采用直角螺纹，承载面0°，这种结构不 2.6自锁式特殊螺纹WSP-HK 易黏扣且连接效率高.螺纹导向面设计角度30°，便 WSP-HK是西姆莱斯公司的新一代特殊扣产品.WSP-HK为接箍式连接形式，具有优良的使用性能，适用范围广，包括高压气井、低压低渗透气井、油气混和井、稠油热采井、深井超深井等.WSP-HK 适用于深井、超深井、定向井、各种水平井的油气井钻井需要，主要解决短半径水平井、超短半径水平井，以及大弯曲井段的油、套管承受弯曲+拉伸+内压力的复合加载、过载操作的气密封技术难题等. 研发该接头时主要采用有限元法设计，并根据SO 13679的要求严格进行评价实验.连接效率高，密封性能好. WSP-HK的结构示意图见图6.WSP-HK的螺纹采用倒钩式，承载面-3°，连接效率高；导向面角图7WSP-BIG接头结构示意图 10°，容易认扣.外螺纹大端采用“完全退刀”的加工 Fig.7 Structure of WSP-BIG connection

增刊 1 张毅等: 特殊螺纹接头油井管的设计和选用图 5 WSP--FJ( 4T) 结构示意图 Fig． 5 Structure of WSP-FJ ( 4T) connection 于 API 窄间隙接箍外径的特殊扣产品． WSP--SC 系列适用于各类油、气井，深井、超深井的油管、油层套管和技术套管柱下如需要考虑井眼空间或保证固井间隙而设计的专用产品，主要解决小井眼钻井、侧钻、修井、超深井多级套管柱保证下部固井间隙等的工程技术难题． WSP--SC 与 WSP--FJ( 4T) 的区别在于它是带接箍连接，连接强度较高，可采用吊卡或卡瓦操作 ( WSP--FJL 只能采用卡瓦操作) ．考虑到现场使用的互换性，以及提高连接强度等各种选择，接头螺纹型式可根据情况进行选择: 包括 WSP--1T--SC、WSP-- 2T--SC、WSP--3T--SC 等，保持原扣型的特点，具有良好的使用性能． 2. 6 自锁式特殊螺纹 WSP--HK WSP--HK 是西姆莱斯公司的新一代特殊扣产品． WSP--HK 为接箍式连接形式，具有优良的使用性能，适用范围广，包括高压气井、低压低渗透气井、油气混和井、稠油热采井、深井超深井等． WSP--HK 适用于深井、超深井、定向井、各种水平井的油气井钻井需要，主要解决短半径水平井、超短半径水平井，以及大弯曲井段的油、套管承受弯曲 + 拉伸 + 内压力的复合加载、过载操作的气密封技术难题等．研发该接头时主要采用有限元法设计，并根据 ISO 13679 的要求严格进行评价实验．连接效率高，密封性能好． WSP--HK 的结构示意图见图 6． WSP--HK 的螺纹采用倒钩式，承载面－ 3°，连接效率高; 导向面角 10°，容易认扣．外螺纹大端采用“完全退刀”的加工方式，消除了内、外螺纹旋扣配合在退刀角处约束形成的应力集中，提高了接头的连接强度和抗应力腐蚀的能力．图 6 WSP--HK 结构示意图 Fig． 6 Structure of WSP-HK connection WSP--HK 的密封采用锥面/锥面金属密封 + 台肩密封的结构．其优点: 锥面密封属面密封，面压小，密封面上的接触压力小，不易引发密封面的黏扣．密封面积大，密封效果好，在拉伸、弯曲 + 内压的复合载荷下密封面接触压力不下降．主密封金属/金属的锥面设计，在扭矩台阶处形成辅助密封设计，锥面密封面的表面擦伤容易修复，公扣端锥面密封面也容易返修加工． 2. 7 快速上扣的大螺距特殊扣型 WSP--BIG 图 7 WSP--BIG 接头结构示意图 Fig． 7 Structure of WSP-BIG connection WSP--BIG 适用于规格为 14″以上的导管和表层套管，其结构示意图见图 7． WSP--BIG 主要是改进了螺纹设计，采用直角螺纹，承载面 0°，这种结构不易黏扣且连接效率高．螺纹导向面设计角度 30°，便 ·13·

·14· 北京科技大学学报第34卷于对扣、引扣、旋扣操作.采用每英寸3牙的大螺距反向外台肩设计，齿高2.2mm,调整内、外螺纹加工中径，形成了内、外螺纹负一负配合或负一正配合的过盈量，提高了接头连接效率和抗黏扣、抗应力腐蚀的能力内、外螺纹大端也可采用“完全退刀”的加工方式，圆柱螺纹消除了内、外螺纹旋扣配合在退刀角处约束形成的应力集中 WSP-BIG适用于浅海、深海、海洋大陆架以及锥面/锥面金属密封沙漠地区的油气井钻井需要，主要解决导管、表层套管等大尺寸套管下井过程中，由于风大，不易对中而引起的对扣错扣、旋扣时间长、易黏扣等操作技术难题.WSP-BIG的上扣速度快，不容易错扣.连接效图8WSP-NF结构示意图率高，抗黏扣性能好，允许多次上、卸扣. Fig.8 Structure of WSP-NF connection 2.8超高压气井油管特殊扣WSP-NF WSP-NF也是一种无接箍的接头形式，管子端品，性能接近特殊扣产品，而加工难度远低于特殊部经过了墩粗处理，因此具有更高的连接强度和抗扣，并且可以与API扣型完全互换，见图9. 内压能力. WSP-NF的结构示意图见图8.WSP-NF的螺纹采用双级螺纹形式，为圆柱螺纹，承载面角7.5°，导向面角20°，内、外螺纹之间无径向过盈量，从而最大限度地减少了接头的恶性径向应力.WSP-NF 的密封采用内螺纹球面/外螺纹锥面的径向金属密封结构，配合三个台肩密封结构，同时具有内密封和外密封能力.这种结构的优点是：球面/锥面密封属线密封，密封面上的接触压力大，但密封面长度短，易加工控制.密封面压大，密封效果好，再加上台阶约束的辅助密封作用，在拉伸+弯曲+高内压的复合载荷下密封面接触压力不下降，密封效果很好. 图9WSP-T特殊扣示意图除了主密封外，在三个扭矩台阶处形成一个次级密 Fig.9 Structure of WSPT connection 封面和三处辅助密封结构，接头的临界承压能力达 WSP-JT具有如下特点到管体内屈服强度的100%. (1)接头外径、现场端螺纹参数与API完全一 WSP-NF适用于各类高压气井、超高压气井，以致，保证了与API螺纹接头的完全互换，而且加工、及深井、超深井油管.它主要为解决高内压和高连测量简便，施工工艺不变接强度，以及快速上扣不黏扣等的工程技术难题而 (2)增加扭矩台肩设计，将螺纹鼻端延长，使两设计. 个管子的端面接触，发生过盈配合，产生接触压力起 WSP-NF的连接强度达到管体强度.气密封能密封作用. 力达到管体内壁屈服压力.允许多次上、卸扣 (3)工厂端与现场端的螺纹螺距不同，现场端 2.9可与API接头互换的简易特殊扣WSP-JT 螺距与API螺纹完全相同，工厂端螺距比现场端小. 除了开发性能更高的特殊螺纹接头外，经济型这样就可以解决上扣时，端面对顶后，现场端上扣导的特殊螺纹接头是另一个发展方向，尤其是可与致的工厂端卸扣问题 API互换的经济型特殊螺纹接头，具有广阔的市场通过这种结构设计，WSP-JT的性能达到和超前景过了API接头（连接强度、抗挤强度与API接头相 WSP-JT是西姆莱斯开发的一种简易特殊螺纹同，抗内压强度、气密封性能、抗扭性能、抗黏扣性能扣型.它是一种性能介于特殊扣与API扣之间的产高于API接头).内平设计可有效减少气体或液体

北京科技大学学报第 34 卷于对扣、引扣、旋扣操作．采用每英寸 3 牙的大螺距设计，齿高 2. 2 mm，调整内、外螺纹加工中径，形成了内、外螺纹负--负配合或负--正配合的过盈量，提高了接头连接效率和抗黏扣、抗应力腐蚀的能力．内、外螺纹大端也可采用“完全退刀”的加工方式，消除了内、外螺纹旋扣配合在退刀角处约束形成的应力集中． WSP--BIG 适用于浅海、深海、海洋大陆架以及沙漠地区的油气井钻井需要，主要解决导管、表层套管等大尺寸套管下井过程中，由于风大，不易对中而引起的对扣错扣、旋扣时间长、易黏扣等操作技术难题． WSP--BIG 的上扣速度快，不容易错扣．连接效率高，抗黏扣性能好，允许多次上、卸扣． 2. 8 超高压气井油管特殊扣 WSP--NF WSP--NF 也是一种无接箍的接头形式，管子端部经过了墩粗处理，因此具有更高的连接强度和抗内压能力． WSP--NF 的结构示意图见图 8． WSP--NF 的螺纹采用双级螺纹形式，为圆柱螺纹，承载面角 7. 5°，导向面角 20°，内、外螺纹之间无径向过盈量，从而最大限度地减少了接头的恶性径向应力． WSP--NF 的密封采用内螺纹球面/外螺纹锥面的径向金属密封结构，配合三个台肩密封结构，同时具有内密封和外密封能力．这种结构的优点是: 球面/锥面密封属线密封，密封面上的接触压力大，但密封面长度短，易加工控制．密封面压大，密封效果好，再加上台阶约束的辅助密封作用，在拉伸 + 弯曲 + 高内压的复合载荷下密封面接触压力不下降，密封效果很好．除了主密封外，在三个扭矩台阶处形成一个次级密封面和三处辅助密封结构，接头的临界承压能力达到管体内屈服强度的 100% ． WSP--NF 适用于各类高压气井、超高压气井，以及深井、超深井油管．它主要为解决高内压和高连接强度，以及快速上扣不黏扣等的工程技术难题而设计． WSP--NF 的连接强度达到管体强度．气密封能力达到管体内壁屈服压力．允许多次上、卸扣． 2. 9 可与 API 接头互换的简易特殊扣 WSP--JT 除了开发性能更高的特殊螺纹接头外，经济型的特殊螺纹接头是另一个发展方向，尤其是可与 API 互换的经济型特殊螺纹接头，具有广阔的市场前景． WSP--JT 是西姆莱斯开发的一种简易特殊螺纹扣型．它是一种性能介于特殊扣与 API 扣之间的产图 8 WSP--NF 结构示意图 Fig． 8 Structure of WSP-NF connection 品，性能接近特殊扣产品，而加工难度远低于特殊扣，并且可以与 API 扣型完全互换，见图 9．图 9 WSP--JT 特殊扣示意图 Fig． 9 Structure of WSP-JT connection WSP--JT 具有如下特点． ( 1) 接头外径、现场端螺纹参数与 API 完全一致，保证了与 API 螺纹接头的完全互换，而且加工、测量简便，施工工艺不变． ( 2) 增加扭矩台肩设计，将螺纹鼻端延长，使两个管子的端面接触，发生过盈配合，产生接触压力起密封作用． ( 3) 工厂端与现场端的螺纹螺距不同，现场端螺距与 API 螺纹完全相同，工厂端螺距比现场端小．这样就可以解决上扣时，端面对顶后，现场端上扣导致的工厂端卸扣问题．通过这种结构设计，WSP--JT 的性能达到和超过了 API 接头( 连接强度、抗挤强度与 API 接头相同，抗内压强度、气密封性能、抗扭性能、抗黏扣性能高于 API 接头) ．内平设计可有效减少气体或液体 ·14·

增刊1 张毅等：特殊螺纹接头油井管的设计和选用 ·15· 在管道内的紊流现象，使能量损失最小，同时特别适 3.2 WSP-DS2 合提捞井油管使用，可最大程度地减少磨损，延长提 WSP-DS2是在WSP-DS1的基础上设计的一捞橡胶活塞的寿命. 种新型双台肩接头.WSP-DS2同样具有内、外两个 3钻杆接头的设计和选用台肩，接头拧紧后，内、外台肩紧密接触，形成双密封，这样，通过增加内扭矩台肩的方法，增加了接头近年来，随着深井、定向井的增多，钻井工况越的抗扭性能。同时，增大台肩面与螺纹之间的过渡来越复杂，其中一个显著特点就是钻柱扭矩增大. 距离，缓和台肩处的应力集中.该螺纹的牙型、锥 API钻杆接头由于抗扭强度低，己不能满足大扭矩度、螺距等与API螺纹完全相同.该接头的结构如钻井的作业要求习.针对这一技术难题，无锡西姆图11所示. 莱斯设计研发了三种双台肩钻杆接头. 连接螺纹封台肩（主台肩） 3.1 WSP-DS1 WSP-DSI是在API接头的基础上设计的一种母接头 -P 双台肩接头，可以与API接头互换.其设计原理是：公接头在API外螺纹接头端部增加一段鼻端部，该部分为扭矩台肩（付台肩）含内孔光滑锥体，锥度与外螺纹相同.同时，在API 图11WSP-DS2双台肩接头内螺纹接头内部增加一直角内台肩，与外螺纹端部 Fig.11 WSP-S2 double shoulder thread 配合.该螺纹的牙型、锥度、螺距等与API螺纹完全相同.具体结构见图10. WSP-DS2接头具有双台肩接头的共同优点，与 WSP-DS1接头相比，该接头的抗扭能力更高，抗扭能力比API扣型提高40%以上. 3.3 WSP-DS3 WSP-DS3是一种具有更高抗扭性能的双台肩接头，其基本结构与高抗扭接头WSP-DS2相似，特点是在高抗扭接头WSP-DS2的基础上，通过改变螺纹锥度（由1：6改变为1：14）的方法，进一步增加台肩面宽度，提高抗扭能力，如图12所示高抗扭接头图10WSP-DS1双台肩接头 Fig.10 WSP-S1 double shoulder thread WSP一DS1系列完全可以实现与API接头互换，特点如下 (1)可与API扣型直接对接、变锥度接头 (2)与API扣型相比，扭矩提高30%，显著提高图12WSP-DS3双台肩接头了抗扭矩性能. Fig.12 WSP-DS3 double shoulder thread (3)与相同抗扭性能的API接头相比，水眼增大，压降降低，从而不易冲蚀因为锥度的改变，这种接头的螺纹牙型与API (4)在降级使用前，与API扣型相比，有更大的螺纹不同，需要定制专门的刀具，量规也必须制作不外径容许磨损值. 同于API标准的量规.因此加工、检测难度增大. (5)提高了接头的抗疲劳能力.双台肩设计使该接头具有一般双台肩接头的优点，与相同尺应力分布更均衡，在扣的两端都能分担扭矩载荷：与寸的API接头相比，抗扭性能可提高65%以上，与 API扣型相比，钢性更强，同时降低了连接处的应力相同尺寸的高抗扭接头WVSP-DS2相比，抗扭能力集中，提高了抗疲劳性提高20%以上

增刊 1 张毅等: 特殊螺纹接头油井管的设计和选用在管道内的紊流现象，使能量损失最小，同时特别适合提捞井油管使用，可最大程度地减少磨损，延长提捞橡胶活塞的寿命． 3 钻杆接头的设计和选用近年来，随着深井、定向井的增多，钻井工况越来越复杂，其中一个显著特点就是钻柱扭矩增大． API 钻杆接头由于抗扭强度低，已不能满足大扭矩钻井的作业要求［2--3］．针对这一技术难题，无锡西姆莱斯设计研发了三种双台肩钻杆接头． 3. 1 WSP--DS1 WSP--DS1 是在 API 接头的基础上设计的一种双台肩接头，可以与 API 接头互换．其设计原理是: 在 API 外螺纹接头端部增加一段鼻端部，该部分为含内孔光滑锥体，锥度与外螺纹相同．同时，在 API 内螺纹接头内部增加一直角内台肩，与外螺纹端部配合．该螺纹的牙型、锥度、螺距等与 API 螺纹完全相同．具体结构见图 10．图 10 WSP--DS1 双台肩接头 Fig． 10 WSP-DS1 double shoulder thread WSP--DS1 系列完全可以实现与 API 接头互换，特点如下． ( 1) 可与 API 扣型直接对接． ( 2) 与 API 扣型相比，扭矩提高 30% ，显著提高了抗扭矩性能． ( 3) 与相同抗扭性能的 API 接头相比，水眼增大，压降降低，从而不易冲蚀． ( 4) 在降级使用前，与 API 扣型相比，有更大的外径容许磨损值． ( 5) 提高了接头的抗疲劳能力．双台肩设计使应力分布更均衡，在扣的两端都能分担扭矩载荷; 与 API 扣型相比，钢性更强，同时降低了连接处的应力集中，提高了抗疲劳性． 3. 2 WSP--DS2 WSP--DS2 是在 WSP--DS1 的基础上设计的一种新型双台肩接头． WSP--DS2 同样具有内、外两个台肩，接头拧紧后，内、外台肩紧密接触，形成双密封，这样，通过增加内扭矩台肩的方法，增加了接头的抗扭性能．同时，增大台肩面与螺纹之间的过渡距离，缓和台肩处的应力集中．该螺纹的牙型、锥度、螺距等与 API 螺纹完全相同．该接头的结构如图 11 所示．图 11 WSP--DS2 双台肩接头 Fig． 11 WSP-DS2 double shoulder thread WSP--DS2 接头具有双台肩接头的共同优点，与 WSP--DS1 接头相比，该接头的抗扭能力更高，抗扭能力比 API 扣型提高 40% 以上． 3. 3 WSP--DS3 WSP--DS3 是一种具有更高抗扭性能的双台肩接头，其基本结构与高抗扭接头 WSP--DS2 相似，特点是在高抗扭接头 WSP--DS2 的基础上，通过改变螺纹锥度( 由 1∶ 6改变为 1∶ 14) 的方法，进一步增加台肩面宽度，提高抗扭能力，如图 12 所示．图 12 WSP--DS3 双台肩接头 Fig． 12 WSP-DS3 double shoulder thread 因为锥度的改变，这种接头的螺纹牙型与 API 螺纹不同，需要定制专门的刀具，量规也必须制作不同于 API 标准的量规．因此加工、检测难度增大．该接头具有一般双台肩接头的优点，与相同尺寸的 API 接头相比，抗扭性能可提高 65% 以上，与相同尺寸的高抗扭接头 WSP--DS2 相比，抗扭能力提高 20% 以上． ·15·

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