石油专用管螺纹管材的类型及规格之三
----------特殊油套管螺纹
随着油气钻采作业向更加苛刻的工况条件的方向发展，以及石油钻采工艺技术的不断进步，世界标准－API SPEC 5B旗下的圆螺纹和偏梯形螺纹在石油专用管领域已日渐力不从心。从而促进了特殊螺纹接头的开发和研究。于是世界各大石油专用管制造商纷纷致力于开发强度、密封性能俱优的特殊螺纹。目前，国外生产和使用的特殊螺纹油套管产品约有上百种，而比较典型、应用较广的不过10余种。在下面将会介绍几种常用特殊螺纹。
热应力和高温作用是热采井套管柱接头选择及选材的重要问题，因为油套管容易发生轴向压缩屈服变形，导致接头跳扣和油套管纵向弯曲；套管柱容易产生拉伸屈服，导致接头脱扣和套管的双轴压溃；高温作用，使材料产生蠕变，使接头密封接触部分产生应力松弛，接头气密性恶化。
许多模拟热采条件的试验（即接头在加热的同时还加上轴向拉伸，压缩应力的气密性和拉伸破坏试验）表明：
1 热采井的特殊螺纹接头应具有径向密封面和合适扭矩台肩结构的接头，以保证在采油周期接头受到很高的轴向拉力作用时，当扭矩台肩接触面压很低直到0时，仍能保持足够径向密封面压；
2 扭矩台肩应能随高的压缩应力，以保证蒸汽注入周期，当接头受到很高轴向压应力作用时，连接螺纹不易跳扣，同时径向密封接触面压不因前部密封头部分弯曲变形而降低；
3 在螺纹齿形结构设计上除应保证性本能好的对扣性能外，要特别保证特殊螺纹接头具有好的抗拉伸和压缩载荷特性。热采条件下接头密封面压除受热应力影响外，还受应力松弛的影响，蠕变应力松弛对密封部密封配合量的影响，随着温度的升高而增大，它使配合量减少。
为此特殊螺纹接头以其优良的使用性能－较高的气密封性，接近管体的连接强度（除整体连接）及良好的耐粘结性受到油田的普遍重视，在许多油田得到应用，如VAM、NSCC、NK3SB、FOX、SEC扣等，这些接头基本满足了一些特殊井况（如深井、超深井、高压气井、热采井、水平井等）的石油天然气的勘探和开发的需要，推动了石油工业的发展。
世界各国、各公司油套管特殊螺纹的设计尽管各类繁多，形状各异，但其基本形式大体相同，主要都是为了提高管柱的连接强度和密封性能。一般来讲，多数特殊螺纹的油套管接头都是由三个部分构成：连接螺纹、抗扭矩台肩和密封面。大多数特殊螺纹都采用API偏梯形螺纹牙型，旨在保证螺纹旋合部分的互换性，这也从另一个侧面反映出这种API BC螺纹在连接强度方面得到普遍认可，但其连接密封性能方面的表现差强人意。值得注意的是在众多特殊油套管螺纹中，有相当数量在螺纹结构中采用了反向抗扭矩台肩设计，这有利于螺纹旋合后台肩锁住管端，可以有效避免因管端受到周向收缩力面缩径，降低密封面的接触应力，同时台肩也起辅助密封作用和抗过扭矩作用。
1. 特殊螺纹设计有三大特点
1）气密封性
大多采用复合多重密封结构，即以径向金属对金属密封为主主辅以一个或多个端面密封。所谓金属对金属密封结构即是由光滑的金属表面弹性配合而实现密封，带这种密封结构的接头不靠螺纹牙侧面相干啮合，也不靠密封脂的封堵间隙作用来密封，因此接头螺纹间隙较大。这种密封结构是螺纹接头密封的重大突破。总结特殊螺纹的密封形式主要有以下几种：
l 球面对锥面密封（如NK3SB）
l 球面对圆柱面密封（如FOX）
l 锥面对锥面密封（如NSCC）
l 圆柱面对圆柱面密封
l 台肩对台肩密封
2）连接强度及抗滑脱性
大多采用偏梯螺纹或在偏梯形螺纹的基础上作某些参数修改（如侧面角、牙高、螺距等）。
3）扭矩台肩效应
大多在螺纹结构中采用了反向抗扭矩台肩设计，有控制扭矩的扭矩端面，这种扭矩端面又是接头的辅助密封结构。
4）螺纹表面处理
特殊螺纹接头广泛采用金属对金属密封是一种过盈相干配合，在拧接或卸扣密封表面易损伤而影响密封性。为此特殊螺纹接头表面抗粘结损伤处理通常采用磷化、镀铜、喷砂或镀铜与喷砂相结合。
2. 几种常用的特殊螺纹
1）NK3SB特殊螺纹
NK3SB特殊螺纹由日本NKK公司开发，采用0°承载角、45°导向角1:16锥度，每英寸5牙牙型，接箍表面镀铜或镀锌，球面对锥面线接触、90°台肩密封，这种特殊螺纹设计比较先进，可承受圈套的轴向压缩和弯曲载荷。
2）NSCC特殊螺纹
日本新日铁公司开发，采用API偏梯形螺纹牙型，接箍表面镀铜或镀锌，锥面对锥面、面接触、90°双内扭矩台肩三重金属密封，适用于气井和热采井。
3）VAM特殊螺纹
VAM特殊螺纹由法国瓦鲁瑞克公司开发，逐渐形成VAM ACE、VAMS、VAMHW系列，可适应不同服役条件的要求，其特点是易于加工，简单实用，性能可靠，在各类特殊螺纹中其应用最为广泛。与德国曼内斯曼公司联合开发的VAM TOP特殊螺纹性能优良，连接强度高，密封效果好，目前属于高品质特殊螺纹。
VAM特殊螺纹沿用API偏梯形螺纹牙型，因而继承API偏梯形螺纹较高连接强度的优点，为了克服其密封性能欠佳的不足，改进了螺纹结构密封形式，以锥面对锥面、反角15°台肩双重金属接触形式提高连接的密封性能，但螺纹各牙之间载荷分布不均的问题它没有解决。
4）FOX特殊螺纹
FOX特殊螺纹由日本川崎公司于1985年研制成功，同样采用API偏梯形螺纹牙型，其外观图见图16。引入“变螺距”概念具体化，主要目的是使螺纹牙载荷分布趋于均匀。
常规螺纹螺距连接在近密封部位的少数螺纹牙承担的载荷近七成以上，而其它螺纹牙所起作用很小，载荷分布极不均匀，这导致少数高承载牙易变形、磨损，进而连接早期失效。
FOX特殊螺纹的“变螺距”技术是在螺纹加工过程中，增加或降低硬质合金刀具轴向往复移动的速度，因而大大改善了金属对金属密封的储能分布，并且保证了在极端载荷与温度条件下的耐压密封。变螺距技术的一种具体做法是：增加接近接箍端面这段的螺纹螺距，减少接近接箍台肩这段的螺纹螺距，而管子外螺纹螺距不变。
另一种做法是：减少接近接箍台肩这段的螺纹螺距以及外螺纹消失区的螺纹螺距。在正确组装情况下，只有中间部位的管子螺纹和接箍螺纹牙侧面相接触，这里接头两构件的螺纹螺纹螺距是相同的。中间部位以外的任一侧，接头两构件的螺纹牙侧面之间存在一些很小间隙，这些间隙逐渐向两侧扩大。在对接头施加扭矩产生预载荷时，管子外螺纹端承受轴向压力，在螺纹中间部位及管端之间存在的螺纹牙侧面间隙逐渐闭合，直到螺纹牙侧面（包括中间部位的）最后对预载荷起反作用为止。
在施加拉伸载荷时，螺纹中间部位及接箍外端面之间存在的螺纹牙侧面间隙也逐渐闭合，直到螺纹牙侧面（包括中间部位的）最后对拉伸载荷起反作用为止。由于螺纹中间部位传递绝大部分的拉伸载荷，峰值载荷比普通螺纹的载荷要低，从而减少接箍向外胀大和螺纹脱扣的危险。再者，螺纹轴向载荷分布得以改善，减少了局部应力集中现象，从而获得较高的疲劳抗力。
通常特殊螺纹接头采用的密封结构设计包括一个尖锐的转角，以产生密封作用。然而，这种密封设计在尖锐的相交处易受高度应力集中破坏。用于FOX接头的密封倒圆轮廓是由外螺纹端带光滑曲线轮廓与接箍相对应的密封轮廓表面相啮合构成的。这种轮廓基于现代数控加工设备是很容易实现的。
5）双级同步梯形螺纹
双级同步梯螺纹是大庆油田采用套铣法解除井下钻具被卡事故和井下修井取套作业的一种专用套管连接螺纹。
双级同步梯螺纹具有下列特点：
l 有台肩无接箍直螺纹连接
l 连接强度可达管体强度的85%以上
l 不同于API的偏梯形牙型
l 容易对扣，不易乱扣
l 上卸扣方便，迅速
l 可多次上卸扣，寿命长。
l 密封可靠，不会刺坏联接螺纹
3. 特殊螺纹的优点
设计特殊油套管螺纹之初衷往往是针对不同油田、不同区块或不同井况，满足管材苛刻的服役条件，但经过实践的比较、筛选和考验，其中一部分典型螺纹基本能够适合油田的特殊需要，具有一定的通用性，它们必然同时具备以下某些独特优点：
l 结构连接强度高，与管体强度相匹配，甚至有的还要高于管体，适合深井、超深井；
l 密封性能好，适用于高压气井、油井和热采井；
l 抗弯能力强，适用于斜井、大位移井、水平井；
l 可快速上紧，且不容易错扣，适用于沙漠、海洋等恶劣环境下的钻井作业；
l 抗粘扣性能出众，可以反复上卸扣而不易损坏；
l 抗过扭矩能力强；
l 耐腐蚀性能好。
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