一、研究的背景与问题

螺纹接头在油气管柱中起“连接桥梁”作用，是整个油气管柱的最薄弱环节，也是核心技术。近年来，在国家提出“向地球深部进军”的号召下，中石油和中石化都在开展“深地工程”油气勘探，越来越多的井身设计深度超过8000米，目前中石油和中石化正在开发井深超过10000米的“万米深井”，这类超深井地层压力超180MPa，温度超200℃，不同压力系统超过8套，油套管柱在油气井中承受苛刻的拉伸、压缩、内压、外压、弯曲、振动、高温等各种载荷工况的复合作用，主要体现在超深环境导致螺纹接头易发生脱扣、断裂；超高温易导致螺纹接头密封结构失效；高低温工况交替下导致螺纹接头在压缩性能、密封性能受到巨大挑战；动态超高压易导致螺纹接头密封结构的逐渐变形，导致全井生命周期中发生泄漏失效等。这对管柱中的螺纹接头的密封完整性和结构完整性提出了极大的挑战，是国内外油田首次面临的苛刻开发环境，现有的常规特殊螺纹接头在密封稳健性、压缩性能、油田现场操作性能等方面均无法满足使用要求，需要性能更优异的特殊扣。国外著名特殊扣厂家已经开始进行高性能特殊螺纹接头的开发。国内现有特殊螺纹接头在复杂工况下密封性能稳健性较差，实际服役中存在泄漏风险，油田现场操作性能差，不能满足塔里木油田、西南油气田、中海油深水井等一些苛刻超深井的使用要求。开发高性能的特殊螺纹接头是解决深地工程极端苛刻井况所需油气用管的关键技术。

二、解决问题的思路与技术方案

1、总体思路

 图1 项目总体思路

深地工程用特殊螺纹接头的研发目标是产品拉伸效率、压缩效率、内压效率、外压效率均达到管体性能的100%,且具有优异的密封稳健性、良好的油田现场操作性能，同时检验方便、准确以保证质量，并考虑实际生产提高加工效率。图1为项目的总体思路，基于螺纹结构设计、密封评价准则、加工及检测方法等基础研究的突破，通过螺纹密封面结构形式及布局、螺纹接头参数与螺纹接头性能间的关系、高效的加工工艺研究、可靠检测技术等关键技术的创新，开发出高性能特殊螺纹接头系列产品。

2、技术方案

针对深地工程苛刻井况对螺纹接头的要求，项目从以下几个方面开展工作：

螺纹接头结构设计。基于悬臂梁原理，把密封面设计在远离管端，相比于传统密封结构，密封面刚度增加，密封性能大大提高。基于弹性储能机制和管端缩径效应，优化鼻端长度以及公扣及母扣采用不同的密封角度和台肩角度，使得密封接触两侧的接触压力以及台肩面接触压力分布均匀，从而大幅提高了密封性能和压缩性能。

密封评价准则。项目突破传统设计理念，允许局部塑性变形，实现密封性能与抗粘扣性能得到最优平衡；采用密封系数来定量描述密封性能，解决了密封性能无法定量比较这一问题。通过该方法设计出的螺纹接头密封结构具有密封稳健性高、抗粘扣性能好等优点。

高效的加工工艺及可靠的检测方法。基于螺纹车削动力学模型、螺纹车削颤振等螺纹接头切削成形理论，制订螺纹接头的切削加工工艺，实现加工效率最优化。针对产品检测，设计专用螺纹量规及其相应专用标准块等接触式检测体系和非接触式激光扫描检测技术。

产品实物性能评价。产品通过了国内石油管材质量监督检验中心和国外著名的美国应力工程服务公司（STRESS ENGINEERING SERVICES INC.）的API 5C5：2017 CAL 四级评价。

图2为项目实施的总体技术路线。

 图2 项目实施的总体技术路线

项目通过对螺纹承载面角度、导向面角度、螺距、鼻端长度、密封面位置、密封面角度等等一系列参数展开基础理论研究，最终形成了深地工程用特殊螺纹接头结构及参数的确定。

（1）承载面角度

对不同螺纹承载面角度分析管体应力状态、抗拉伸性能和密封性能。图3显示不对应同螺纹承载面角度，上扣状态下管体内壁Von Mises等效应力随离管端不同距离的关系曲线，可以看出承载面负角度越大，管体内壁等效应力水平越高，应力水平高容易导致应力腐蚀，在设计上应遵循低应力设计原则。

图3 上扣状态下管体内壁等效应力

图4显示对应不同承载面角度，上扣+拉伸下相互啮合的消失螺纹径向相对位移曲线。螺纹接头在拉伸载荷下螺纹牙在径向相对位移过大会导致滑脱失效。从图4可以看出，承载面负的角度越大，螺纹的相对位移越小，脱扣的可能性也越小，螺纹接头连接强度越高。

图4 拉伸下不同承载面角度螺纹相对位移  

图5显示对应不同承载面角度，在上扣+100%拉伸时密封面接触应力随密封接触长度变化曲线。可以看出负的承载面角度越大，密封接触长度和密封接触压力越大，密封性能越好，其中承载面角度为-3°、-4°、-6°时密封面接触应力分布差别很小。

图5 上扣+100%拉伸密封面接触应力随接触长度变化曲线

采用较大负角的承载面，拧接时易产生磨损，且磨损之处往往在应力集中的螺纹承载面根部，所以需增大承载面根部圆弧半径，使应力分散，提高了其耐磨性，另外接箍螺纹表面处理时，在承载面朝上的一端，齿底会有异物积存，从而影响磷化质量。而且，负角越大不容易加工，易产生齿底台肩。综合考虑以上几个方面，综合比较分析齿形采用承载面角度优选为-3°～-4°，其能同时兼有良好的螺纹连接强度、较低的Von Mises应力水平和较优的密封性能。

（2）导向面角度

螺纹导向面角度影响螺纹接头的实际操作性能和螺纹接头抗压缩性能。油套管在油田下井时，公螺纹钢管拧入接箍内，这时，若螺纹啮合不当，需上提公螺纹钢管，重新对扣，降低了作业效率，增加了错扣的可能性。因此，增大导向面角有利于油田下井作业。但过大的导向面角会降低接头的抗压缩性能。利用有限元分析螺纹导向面角度为10°，15°，20°，25°，30°，35° 时的抗压缩性能。

图6为不同导向面角度的台肩受力随压缩载荷的变化曲线。可以看出当压缩载荷小于0.3σs时，导向面角度变化对台肩受力影响不大。当压缩载荷大于0.3σs后，压缩载荷越大，其台肩的受力增加越明显，不同导向面角度的台肩受力差异也越明显，其中导向面角度超过30°后，台肩受力幅度明显线性增加。

图6 压缩载荷下的台肩受力

图7为不同导向面角度在100%压缩载荷下的台肩受力。可以看出随着导向面角度的增加，台肩受力增大，当导向面角度超过25°时，曲线斜率明显变大。

图7 压缩载荷下不同导向面角度的台肩受力

因此导向面角度优选为10°～20°，在下井操作时提高对扣性能。另外优化导向面间隙，在高压缩载荷时更多牙数的螺纹导向面接触以承受部分压缩载荷，减轻了密封面和台肩的载荷，大幅度抑制密封面和台肩的塑性变形，提高了接头的抗压缩性能。

（3）螺距

螺距是螺纹接头设计中重要的参数，为此研究螺距分别为3.5TPI、4TPI、4.5TPI、5TPI情况下，螺距改变与密封性能、抗压缩性能、抗拉伸性能以及抗扭性能的相关规律。

图8为上扣扭矩随不同螺距的变化曲线，可以看出螺距对扭矩的影响很小，仅在台肩扭矩上稍有差别。

图8 上扣扭矩随台肩过盈量变化曲线

图9为不同螺距的上扣状态下管体内壁Von Mises等效应力随离管端不同距离的关系曲线，分析表明螺距越小管体内壁受力峰值有变大趋势，但差别不大。

图9 上扣时管体内壁等效应力

图10为不同螺距的台肩受力随压缩载荷的变化曲线。可以看出螺距4.5TPI和5TPI在0.8σs时开始出现非线性，表明此时台肩开始出现屈服，而3.5TPI和4TPI的最大压缩效率基本可以达到管体的100%，同时表明螺距越大时在较大压缩载荷下螺纹可分担的载荷越大，在一定程度上减轻台肩受力水平。

图10 不同压缩载荷下的台肩受力

图11为100%拉伸下的不同螺距的密封接触压力分布，可以看出螺距越大密封性能有变差的趋势，螺距为3.5TPI时密封接触压力分布下降最快，4TPI、4.5 TPI和5 TPI相差不大。

  图11 拉伸下不同螺距的密封接触压力分布

螺距的减少使螺纹连续变形加大，增加了螺纹的拉伸强度。经过一系列不同规格分析发现不同规格其优选的螺距也不相同。对小规格套管，采用小螺距，以确保其连接强度。对大规格套管，增大螺距，以提高上扣速度。

（4）密封结构

根据流体力学，流体通过间隙时产生的局部阻力取决于间隙的截面积和泄漏路径的长度，可表示为：

△R ∝△L/S 式中S —— 间隙的截面积，△L—— 泄漏路径的最小长度

因此，设计特殊螺纹接头的金属／金属密封结构时，从提高密封性的角度，应尽量满足2个条件：

① 接触压力尽可能大，以使泄漏路径的面积较小。

② 接触面积尽可能大，以使泄漏路径的长度较长。

鼻端结构可以简化为悬臂梁模型，螺纹部位简化为固支点（如图12所示），图中左端表示螺纹啮合部位，P1和P0表示密封面设计在鼻端部位的不同位置处的受力，a1为受力点P1到固支部位的距离，a0为受力点P0到固支部位的距离，ω（a1）为P1位置的挠度值，ω（a0）为P0位置的挠度值。由理论力学可知其挠度ω与受力P和距离a3成正比，即ω∝P?a3；转角θ与载荷P和距离a2成正比，即ω∝P?a2，密封位置处的挠度越小则密封接触状态越稳定、密封性能越好，即受力点P到固支部位的距离a越小，则密封性能越好。

图12 鼻端简化为悬臂梁模型示意图

三、主要创新性成果

1.结构设计。基于悬臂梁原理，创新密封面结构设计，相比于传统密封结构，密封性能得到极大提高，并且避免了现场使用中的损伤；基于弹性储能机制和管端缩径效应，采取创新鼻端设计方法，使得密封接触两侧的接触压力以及台肩面接触压力分布均匀，大幅提高了密封性能和压缩性能。

2.密封性能评价方法。突破传统设计理念，接合应变设计+应力设计方法，定义了采用密封系数来定量描述密封性能。

3.螺纹接头的加工和检测方法。基于螺纹车削成形机理，制订了加工工艺，相比传统加工工艺一次车丝合格率为92%～94%，本项目加工工艺实现一次车丝合格率达到97%以上；开发了30多套专用螺纹量规及标块等接触式检测体系；设计了激光非接触式检测体系，与接触式检测方法相互验证，确保检测质量可靠。

获授权专利16件，发表论文11篇。近3年累计实现新增销量17.35万吨，新增销售收入17.78亿元，新增利税5.07亿元。产品已在110余口8000米以上超深油气井成功应用，特别是2023年10月，产品在我国首口万米深井---塔里木油田塔科1井（井深11110米）顺利下井，践行了国家提出的“向地球深部进军”的号召，为保障国家能源安全作出了有力贡献。成果评价委员会一致认为“项目成果整体技术达到了国际领先水平”。

四、应用情况与效果

该项目成果从2019年开始在衡阳华菱钢管有限公司得到整体应用。2021-2023年累计实现近3年累计实现新增销量17.35万吨，新增销售收入17.78亿元，新增利税5.07亿元，经济效益显著，表,1是国内重点油田用户的供货情况。

该项目研发的深地工程用特殊螺纹接头从2019年开始大量应用于塔里木油田、新疆油田、西南油气田等油田的110余口井深8000米以上的深地工程油气井中（部分应用情况见表2所示），尤其是2023年10月，产品成功应用于我国首口万米深井（深度11100米）塔里木油田“深地塔科1井”（见图3），实现了重大突破，整体技术达到了国际领先水平，填补了国内技术空白，实现了深地工程油气开采关键技术“咽喉要道”产品国产化，解决了进口产品采购周期长、采购成本高的难题，降低了国内油气资源开采成本，项目产品大量应用于我国重大油气开采工程中，在我国能源结构的优化过程中发挥了不可替代的作用，取得了显著社会效益。

表1 产品在国内重点油田用户的供货业绩

同时，该项目成果可带动国内油田行业采油生产技术进步，提高国产油套管的市场竞争力。该项目还大力促进了地方经济的发展，在衡阳市周边地带形成了特殊螺纹接头油套管加工配套工业园区，带动了量具、刀具等相关配套企业发展，形成了产业链和产业集群，带来了大量就业，维护了社会稳定。

表2 产品应用于部分8000米以上深地工程油气井情况

、 图13 衡钢深地工程用特殊螺纹接头用于我国首口万米深井塔里木油田“深地塔科1井”

信息来源：衡阳华菱钢管有限公司