特殊螺纹接头油井管的设计和选用

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 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 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·