耐高压气密封特殊连接螺纹的研究与应用

耐高压气密封特殊连接螺纹的研究与应用
吴姬昊
内容提要：本文详细分析了API圆螺纹和偏梯螺纹在密封和强度方面的缺陷，说明了抗高压气密封螺纹的特点和技术性能，并将抗高压气密封螺纹设计到尾管悬挂器等固井工具上，在现场得到了试验应用，取得了良好的效果。

关键词：API螺纹特殊连接螺纹气密封尾管悬挂器
一、普通套管连接螺纹的缺陷
油气井套管是通过螺纹连接起来，形成长达几千米的管柱，在整个套管柱中最薄弱的环节是连接螺纹，连接螺纹不仅要承担下部管柱的重量，还要承受套管内油气的压力，确保高压油气在流经套管柱时不泄漏，否则就会造成重大的事故。

API规范中规定的套管连接螺纹主要有两种，分别是圆螺纹和偏梯螺纹，用于套管的连接，由于这两种螺纹的设计局限，在抗高压和高强度连接方面存在着一定的缺陷。

1、API螺纹的密封性和连接强度
API常规圆螺纹和偏梯螺纹的密封主要借助于API螺纹脂来实现密封，其密封形式都是在螺纹上紧至基面重合，圆螺纹的两个侧面重合，偏梯形螺纹的两个侧面和顶面重合，螺纹的底角和顶角靠螺纹密封脂（俗称丝扣油）填充，由于螺纹密封脂非常粘稠，流动性差，在公母螺纹之间的间隙内流动阻力非常大，套管内的高压液体无法穿透，从而实现高压密封。

见图1、图2。

密封脂 母螺纹 密封脂 母螺纹
图1 API圆螺纹的密封方式 图2 API偏梯螺纹的密封方式 但是这种密封方式仅使用在100℃以下的油井中，对于深井、超深井和气井不能满足密封的要求，尤其是高温高压气井，由于气体的穿透性大大好于液体的穿透性，很容易穿
透公母螺纹间隙中的密封脂；另一方面高温会降低密封脂的粘稠度，使得气体更容易穿过，引起密封失效；即使井底温度在常规的范围内，气泡在密封脂中的蠕动，也能突破螺纹密封脂的密封。

因此，API常规圆螺纹和偏梯螺纹无法达到高压油气井的密封要求。

2、螺纹的连接强度较低
常规长圆扣螺纹，其连接率较低(即螺纹连接强度与套管管体强度之比)，仅为原管体的65%－85%，并随着套管钢级的提高而降低。

偏梯螺纹的连接率虽然较高，可以达到90%-95%，但是与套管螺纹的加工质量和上扣质量有较大的关系。

圆螺纹和偏梯螺纹主要靠上扣扭矩控制来控制上扣是否到位，一旦上扣扭矩达到设定值，就认为螺纹的基面重合，上扣到位。

因此这两种螺纹的上扣过程中，对上扣扭矩的控制非常严格，上扣扭矩过大，使螺纹的横向分力加大，有可能造成螺纹锥面发生变形，俗称“喇叭口”；上扣扭矩过小，螺纹牙齿啮合不够，这两种情况都会引起脱扣现象，影响了套管的连接强度。

连接螺纹的加工质量对螺纹的连接强度也会造成较大的影响，如表面光洁度达不到要求，在上扣过程中，虽然上扣扭矩达到了设计值，但是基面没有重合，降低了套管的连接强度和密封性能。

二、气密封特殊连接螺纹的特点
1、气密封特殊连接螺纹的现状及发展
为了解决API圆螺纹和偏梯螺纹存在的这些问题，同时也为解决高温高压油气井的套管连接问题。

国内外一些大型的套管生产厂家纷纷研制开发了一些特殊连接螺纹，并进行了专利注册。

据统计，目前国内外已有一百多种注册了专利的特殊连接螺纹，在国内各大油气田获得广泛应用的有几十种，而且每年仍有多种特殊连接螺纹在研究开发之中。

特殊连接螺纹是一种采用扭矩台肩金属密封结构的油套管连接螺纹，在这种连接螺纹上除了设计有金属对金属的密封结构，还设计有扭矩台肩作为螺纹上扣的定位限制。

特殊连接螺纹属于油套管领域的高技术产品，其加工制造技术长期为国外少数厂家所垄断，他们对自己研发的特殊螺纹设置了重重专利保护，以阻止其他厂家进行模仿，从而形成巨大的技术优势。

当前虽然有很多国家研制成功了特殊连接螺纹，但技术最好、得到广泛应用的特殊连接螺纹，主要是德国、日本、美国等少数几个国家的大型油套管生产厂家。

国内几家大型的油套管生产厂家经过多年的研究，在特殊连接螺纹技术上取得了较大
的进步，上海宝钢、天津钢管公司、无锡西姆莱斯公司等都研制成功了特殊连接螺纹，并在国内各大油田得到了广泛的应用。

国内外特殊连接螺纹厂家及螺纹名称见表1。

表1 国内外主要特殊连接螺纹的生产厂家及名称
序号国别厂家特殊连接螺纹类型
1 德国V AM V AM-TOP、V AM-FJL、NEW-V AM、V AM-HP、
V AM-MUST、V AM-HW、V AN-TM、V AM-G2、
2 美国 Hunting SEAL-LOCK、TKC系列、TWO-STEP系列
Hydril Hydril-SLX、 Hydril-MAC、 HydrilCS、PH-6、PH-4
3 日本住友金属V AM系列（NEM-V AM、TM、ACE、TOP）
新日铁 NSCC、NSCT、BDS、TDS
NKK NK3SB、NK2SC、NKEL、NKSL
川崎 FOX、BEAR
4 中国天津钢管 TP-CQ、TP-NF、TP-FJ、TP-HP、TP-G2
上海宝钢 BGC
西姆莱斯 WSP1T、WSP2T、WSP3T、WSP4T
2、特殊连接螺纹的密封特性
特殊连接螺纹的设计原理是基于油套管内外螺纹密封面的接触压力，内外螺纹密封面的接触压力的大小决定了螺纹连接的抗泄漏能力，只要保证密封面的接触压力大于管柱内流体的压力，就可以防止连接螺纹的泄漏。

因此螺纹和密封面的公差设计就必须保证螺纹在管柱载荷作用下，密封面的接触压力大于套管内的流体压力，同时密封接触面的过盈量不会使接触面产生粘结和塑性变形，因为材料的塑性变形会导致密封接触面在管柱载荷作用下接触压力下降，从而密封性能下降。

特殊连接螺纹中的扭矩台肩作为螺纹上扣的限位，是特殊连接螺纹结构设计中的一个重要部分，不同的特殊连接螺纹的扭矩台肩形状也不相同，有直角的、斜向的、圆弧角的等等；特殊连接螺纹中密封面的结构是金属对金属密封，其形状有锥面对锥面、锥面对球面、球面对球面等等，各种扭矩台肩和密封面的组合见图3。

锥面对锥面-直角台肩 锥面对球面-直角台肩
锥面对锥面-斜台肩 锥面对球面-斜台肩
球面对球面-圆弧台肩
图3 特殊连接螺纹扭矩台肩和密封面的组合结构
1-公扣；2-母扣；3-密封面
扭矩台肩作为特殊连接螺纹上扣的一种限位机构，其设计的最重要的目的是准确控制螺纹和密封干涉量。

因为特殊连接螺纹的密封性能与它的公差配合密切相关，如何保证最佳干涉量，不仅与设计加工有关，同时和上扣控制分不开，为了克服API圆螺纹和偏梯螺纹配合干涉量变化较大的不足，特殊连接螺纹采用设计扭矩台肩来解决这一问题。

通常特殊连接螺纹干涉量的设计均以台肩面为基准，只要保证台肩接触，就可以保证螺纹设计和加工的干涉量的准确实现。

从这种意义上讲，特殊连接螺纹的上扣位置是相对固定的，螺纹上扣必须保证内、外螺纹扭矩台肩接触。

另一方面，扭矩台肩提高了特殊连接螺纹的抗过扭矩能力。

从特殊连接螺纹结构完整性来讲，扭矩台肩还有辅助密封、合理改善连接螺纹应力分布、提高连接螺纹抵抗（压缩、弯曲、拉伸）引起的变形、保护主密封不被损伤等功能。

台肩的这些功能只有在上扣合格的情况下才能实现，上扣合格有两层意义：一是内外螺纹的扭矩台肩必须接触，二是台肩面的接触压力必须合适。

台肩面未接触或接触较松，
不仅不能保证设计干涉量的实现，而且使螺纹处于松配合，在受到外载荷（拉伸、弯曲）的作用下，台肩面易分离，使主密封面受损，影响密封性能；台肩面接触过紧，台肩面接触压力过大，使螺纹接触应力水平提高，在压缩条件下，台肩面可能变形损坏，影响使用性能。

3、特殊连接螺纹的上扣特性
由于特殊连接螺纹通过扭矩台肩实现上扣的控制，而且扭矩台肩的接触压力不能过大和过小，必须在一个合适的范围内。

另一方面，扭矩台肩都在内螺纹的根部，在上扣过程中，操作者不能直观地看到，必须要借助于上扣扭矩参数来控制。

因此，特殊连接螺纹对上、卸扣控制的要求很严，如果上扣不合格，特殊连接螺纹的优良性能不能发挥。

如何保证特殊连接螺纹的上扣合格，必须了解特殊连接螺纹的上扣特性。

图4是典型的特殊连接螺纹上扣扭矩与上扣圈数关系图。

图4 特殊连接螺纹上扣扭矩与上扣圈数关系图
图中对特殊连接螺纹上扣特性的几个关键术语解释如下：
参考扭矩：用于确定起始计算上扣圈数的扭矩，当扭矩达到该扭矩值时，圈数采集系统开始计算上紧圈数。

台肩扭矩：指内、外螺纹台肩面初始接触时对应的扭矩值，它主要是螺纹和密封过盈配合产生的扭矩，表示为M s。

增量扭矩：是由扭矩台肩承担的扭矩，它主要是由于台肩过盈变形产生的扭矩，表示为M d。

总扭矩：是上扣的最终扭矩，它由台肩扭矩和增量扭矩构成，表示为M t。

台肩圈数：指台肩初始接触时的上扣圈数，表示为N s。

增量圈数：是台肩过盈的圈数，表示为N d。

总圈数：指最终上扣圈数，它由台肩圈数和增量圈数构成，表示为N t。

从图中可以看出，当上紧圈数达到台肩圈数时，上紧扭矩就达到台肩扭矩值，继续上紧时，在增量圈数范围内，增量扭矩迅速增加，达到设置扭矩值，这时必须立即停止上扣，但上扣机在惯性的作用下，继续上紧，扭矩达到总扭矩。

三、特殊连接螺纹在尾管悬挂器上的设计应用
在正常情况下，地层压力随着井深的增加而增加。

油、套管柱承受的内压力也随着井深的增加而增加，一般5000米的深井井口关井压力达到50MPa，对于川东北南方海相地区井口关井压力有可能达到70MPa，甚至在有的固井设计中提出高于100MPa的要求。

如此高的内压力，不但要求油、套管抗内压强度足够，更重要的是对螺纹连接强度的密封性提出了苛刻的要求。

为了满足川东北南方海相地区高压油气井的抗高压要求，克服API接头螺纹高压气密封性差的缺点，将特殊连接螺纹引入到尾管悬挂器和浮箍、浮鞋的设计中，从而实现了高压气密封要求。

川东北南方海相地区目前应用量最大的特殊连接螺纹是德国瓦卢瑞克-曼耐斯曼的VAM-TOP气密封螺纹，以及天津钢管公司开发的TP系列特殊连接螺纹和无锡西姆莱斯公司开发的WSP系列特殊连接螺纹。

为了适应现场的需要，将VAM-TOP、TP系列中TP-CQ、TP-FJ、TP-NF和WSP1T、WSP2T等抗高压气密封特殊连接螺纹设计到尾管悬挂器和浮箍、浮鞋上见图5、图6。

图5 带高压气密封特殊连接螺纹的尾管悬挂器
1-特殊连接螺纹母扣；2-锥体；3-卡瓦；4-本体；5-液缸；6-变丝接头；7-特殊连接螺纹公扣
图6 带高压气密封特殊连接螺纹的浮箍、浮鞋
1-特殊连接螺纹母扣；2-浮箍；3-凡尔；4-特殊连接螺纹公扣；5-特殊连接螺纹母扣；6-浮鞋；7-浮球；8-引鞋 四、带特殊连接螺纹的尾管悬挂器上在现场应用
元坝102井位于四川省苍溪县元坝镇，是一口探井，直井，由中原油田70169井队施工，在下103/4″×75/8″尾管悬挂器时，钻达井深6410米，井径9 1/2″。

井身结构为26″×204.63m+17.5″×2007.60+12 1/4″×4151m；
尾管悬挂器的坐挂位置是4256.71m，球座下深6352.58m，浮箍下深6384.82/6363.3m，浮鞋下深6407m，坐挂处井斜1.2º，坐挂处套管钢级和壁厚P110TS×12.16mm。

尾管规格7 5/8″，尾管钢级P110TSS，扣型TP-CQ，壁厚12.7mm，尾管长度2150m。

泥浆密度为1.89g/cm3，漏斗粘度87S，泥饼厚度0.5mm，含砂量0.2%。

水泥浆平均密度1.91g/cm3，前置液16.2m3，水泥浆量140m3，后置液3m3，替浆量94m3。

2008年7月22日下套管；
7月23日套管顺利下到井底，坐挂尾管悬挂器，倒扣，18MPa憋通球座，一切顺利；
7月24日进行固井作业，注水泥浆顺利，替浆到94方时停泵；
7月25日起钻，完成作业。

从试验的结果来看，10 3/4″×7 5/8″抗高压尾管悬挂器在川东北地区需求量较大，无论在直井和定向井中都取得了试验应用成功，说明这种结构和形式的尾管悬挂器的性能可靠，适用范围广泛，特殊扣的设计和应用确保了其抗高压的特点，保证了该种形式的悬挂器在该地区的成功应用。

五、结论
1、耐高压气密封特殊连接螺纹具有良好的密封性能，其金属挤压密封的方式可以耐超
高压气井，满足国内日益发展的油气勘探开发的需要。

2、气密封特殊连接螺纹的台肩止动的上扣方式，可以确保上扣到位，同时准确控制上扣扭矩，保证了上扣质量。

3、根据各厂家气密封特殊连接螺纹的制造质量要求，气密封特殊连接螺纹必须反复上卸十次，其表面处理层不得损坏，因此气密封特殊连接螺纹可以进行多次上扣操作，不存在粘扣现象。