石油常用專用管螺紋和管材的類型及規(guī)格
一、前言
在石油工業(yè)發(fā)展過程中，API系列規(guī)范的石油管專用螺紋起著不可或缺的作用。石油管專用螺紋主要分為兩大類：用于井下工具及鉆柱構(gòu)件連接的石油鉆具接頭螺紋及用于油套管連接的油套管接頭螺紋。
隨著油井氣鉆采作業(yè)向更深、更高壓力和更高溫度等更苛刻工況條件的方向發(fā)展，而且石油鉆采工藝技術(shù)不斷的進(jìn)步，常規(guī)石油管螺紋很難滿足油田的開發(fā)需求。本文就石油常用專用管螺紋和管材的主要類型、規(guī)格及發(fā)展現(xiàn)狀作相應(yīng)的介紹。
二、鉆具接頭螺紋
鉆具接頭螺紋用于如鉆鋌、鉆桿、鉆具穩(wěn)定器及轉(zhuǎn)換接頭等鉆井工具及鉆柱構(gòu)件的連接。目前生產(chǎn)和檢驗(yàn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)主要是API SPEC 7。（螺紋外觀見圖3）
API SPEC 7稱鉆具接頭螺紋為“旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩連接”，是石油鉆探行業(yè)連接鉆柱構(gòu)件最主要的機(jī)械機(jī)構(gòu)。這種帶錐螺紋具有通過軸向位移來補(bǔ)償連結(jié)部分直徑誤差的特點(diǎn)，因此互換性程度高、結(jié)合緊密和裝拆容易。其技術(shù)特點(diǎn)為英制錐管螺紋、有臺(tái)肩連接、三角形螺紋，在管材連接中應(yīng)用極為廣泛。其主要螺紋型式如表1所示。
表1：鉆具接頭螺紋類型
序號(hào)    螺紋型式    英文寫法    螺紋牙型    規(guī)格與種類
1    數(shù)字型（NC）    Number style connection theads    V-0.038R    NC23-NC77共計(jì)13種
2    內(nèi)平型（IF）    Internal-flush style connection threads    V-0.065    23/8in-51/2in共計(jì)6種
3    貫眼型（FH）    Full-hole style connection threads    V-0.065V-0.050V-0.040    31/2in-65/8in共計(jì)5種
4    正規(guī)型（REG）    Regular style connection threads    V-0.050V-0.040    23/8in-85/8in共計(jì)8種
1. 內(nèi)平型螺紋
該型鉆具接頭螺紋連接外加厚或內(nèi)外加厚鉆桿，形成鉆桿接頭內(nèi)徑、管體加厚內(nèi)徑與管體內(nèi)徑相等或近似的通徑。所有規(guī)格螺紋均采用V-0.065平頂平底三角形牙型，這種牙型為平牙底，牙頂較寬度為0.065英寸（1.651mm）。除51/2IF外，其它規(guī)格螺紋的因結(jié)構(gòu)尺寸與相應(yīng)的數(shù)字型螺紋完全相同，故具有互換性。該型螺紋因其牙型結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致應(yīng)力集中，API已將其淘汰，其中包括41/2IF和4IF，它們就是曾經(jīng)在我油田被大量使用的410、411和4A10、4A11，取而代之的是NC50和NC46數(shù)字型螺紋。
   
圖1 V-0.038R、V-0.050和V-0.040牙型    圖2 V-0.065和V-0.055牙型
2. 貫眼型螺紋
該型鉆桿接頭螺紋連接內(nèi)外加厚鉆桿，形成鉆桿接頭內(nèi)徑和加厚端內(nèi)徑相等，而均小于鉆桿管體內(nèi)徑的通徑。該型螺紋的規(guī)格雖然為數(shù)不多，但卻使用了V-0.065、V-0.050（牙底為圓弧，牙頂寬度為0.050英寸，1.27mm）和V-0.040（牙底為圓弧，牙頂寬度為0.040英寸，1.02mm）三種牙型，曾經(jīng)被廣泛用于水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌和鉆頭。現(xiàn)在除51/2FH和65/8FH兩種使用V-0.050牙型、1:6錐度的大規(guī)格螺紋外，其余均在API淘汰螺紋之列。其中唯一使用V-0.065牙型的4FH與內(nèi)平型螺紋一樣被數(shù)字型螺紋NC40所取代。
3. 正規(guī)型螺紋
該型鉆桿接頭螺紋曾用于連接內(nèi)加厚鉆桿，形成鉆桿接頭內(nèi)徑小于加厚內(nèi)徑，而鉆桿加厚端內(nèi)徑又小于管體內(nèi)徑的通徑。API設(shè)計(jì)正規(guī)型螺紋的主要目的是將其應(yīng)用于鉆頭連接，由于鉆頭位于鉆柱末端，在這里螺紋牙底的應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在與否無關(guān)緊要，因而API把它們所有規(guī)格全數(shù)保留下來。該型使用V-0.050和V-0.040牙型，在API SPEC 7第四十版中新增添了使用V-0.055（平牙底，牙頂寬度為0.055英寸，1.397mm）牙型的1REG和11/2REG兩種規(guī)格螺紋。
4. 數(shù)字型螺紋
這是以螺紋基面中徑的英寸和十分之一英寸的數(shù)字值表示的螺紋。所有規(guī)格螺紋采用V-0.038R平頂圓底三角形牙型，這種牙型的特點(diǎn)是圓形牙底半徑為0.038英寸（0.965mm），其牙型見圖1。數(shù)字型螺紋是API推薦優(yōu)先使用的螺紋，該型螺紋還有1:6和1:4兩種型式，應(yīng)用于方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、鉆具穩(wěn)定器等鉆井工具，在大慶油田NC50螺紋還用在鉆頭上。
螺紋型式V-0.038R指的是螺紋牙底圓弧半徑0.038in（0.965mm）的V型螺紋，即數(shù)字型螺紋。V-0.040、V-0.050、V-0.065、V-0.055中各自的數(shù)字代表V型螺紋牙頂寬度的英寸數(shù)。這四種螺紋的牙底形狀完全不同，V-0.040的螺紋牙底圓弧半徑為0.020in（0.51mm），V-0.050的螺紋牙底圓弧半徑為0.025in（0.635mm），V-0.065和V-0.055的螺紋牙底是平面。這些螺紋型式見圖1、圖2。

圖3 鉆具接頭螺紋
5. 鉆具螺紋檢測(cè)與識(shí)別
螺紋在生產(chǎn)過程中按API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用螺紋工作規(guī)檢驗(yàn)螺紋緊密距，按一定的檢驗(yàn)周期使用鉆具螺紋單項(xiàng)檢測(cè)儀對(duì)螺距和錐度進(jìn)行檢測(cè)。
使用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)已磨損的螺紋可以使用牙型規(guī)檢查螺紋牙的磨損情況，其剩余牙頂寬度不低于原牙頂寬度的1/2，剩余牙頂高不低于原牙頂高的2/3，磨損牙數(shù)不超過3.5牙時(shí)，螺紋仍可繼續(xù)使用，否則應(yīng)進(jìn)行修扣處理。
使用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)螺紋進(jìn)行識(shí)別最有效的方法是使用接頭尺，這種尺是一種有專門標(biāo)記了外螺紋根部直徑和內(nèi)螺紋擴(kuò)錐孔直徑的游標(biāo)卡尺，使用簡(jiǎn)便、直觀、準(zhǔn)確。此外，還可以直接使用長(zhǎng)腳游標(biāo)卡尺結(jié)合鋼直尺測(cè)量外螺紋根部外徑、長(zhǎng)度、內(nèi)螺紋擴(kuò)錐孔徑對(duì)照螺紋規(guī)范查詢。
螺紋豎直放置，從正面看螺旋線上升方向可判別螺紋旋向，向右上升為右旋，向左上升為左旋。
鉆具螺紋的三位數(shù)表示法是冶金工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)SYB12604-63中規(guī)定接頭的代號(hào)，第一位數(shù)字表示接頭的通稱尺寸，第二位數(shù)字表示接頭的類型，第三位數(shù)字表示接頭的內(nèi)外螺紋，具體表示方法用下表說明：
第一位數(shù)字    第二位數(shù)字    第三位數(shù)字
通稱尺寸    接頭類型    內(nèi)外螺紋
3    4    5    6    1    2    3    0    1
31/2    41/2    51/16    65/8    內(nèi)平    貫眼    正規(guī)    內(nèi)螺紋    外螺紋
淘汰螺紋與數(shù)字型螺紋的互換對(duì)照表：
數(shù)字型螺紋    淘汰螺紋    SYB12604規(guī)定的代號(hào)
NC26    23/8IF    2A10、2A11
NC31    27/8IF    210、211
NC38    31/2IF    310、311
NC40    4FH   
NC46    4IF    4A10、4A11
NC50    41/2IF    410、411
6. 鉆具接頭螺紋主要失效形式
經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐，鉆桿接頭螺紋主要失效形式如下幾種。
1）粘扣和脹扣：發(fā)生在有較高的軸向壓力情況下，外螺紋強(qiáng)制進(jìn)入內(nèi)螺紋，引起內(nèi)螺紋脹開或粘扣而造成聯(lián)接失效；上緊扭矩過高或井下產(chǎn)生過高扭矩時(shí)，也會(huì)因脹扣或粘扣而失效。
2）螺牙剪切失效：螺牙剪切失效也往往發(fā)生在最末完全扣處，螺紋錐度越大、螺紋越短越易出現(xiàn)剪切失效。
3）斷裂：因?yàn)樵谧钅┩耆厶帒?yīng)力最大，斷裂往往發(fā)生在螺紋最末完全扣。
4）滑扣：當(dāng)螺紋錐度較大時(shí)，上緊圈數(shù)未達(dá)到適當(dāng)圈數(shù)而扭矩就已達(dá)到推薦值，此時(shí)承受軸向拉力作用，易發(fā)生脫扣；當(dāng)螺紋間隙充填物不合理時(shí)也有這種可能性。
5）倒扣：較小的上緊扭矩可能導(dǎo)致螺紋不能承擔(dān)施加的軸向載荷和井下扭矩，從而造成倒扣失效，可能造成部分鉆柱掉入井內(nèi)，甚至還會(huì)造成井眼報(bào)廢。
6）刺扣和密封失效：鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)造成鉆柱旋轉(zhuǎn)速度時(shí)快時(shí)慢，當(dāng)鉆柱突然加速旋轉(zhuǎn)時(shí)，扭矩可能突然增加，因鉆柱與井壁、外螺紋與內(nèi)螺紋間的交互作用使得在接頭處產(chǎn)生很高的熱量，從而螺紋脂從螺紋間隙流出，可能造成密封失效，同時(shí)高壓流體沿著螺紋間隙從管內(nèi)流出，引起刺扣；軸向拉力也會(huì)降低密封能力；上緊扭矩過小，過低的螺紋過盈量也導(dǎo)致較低的密封能力；鉆柱的橫向振動(dòng)使鉆柱承受交變的彎曲應(yīng)力同樣會(huì)造成密封失效；加工誤差，不合理的公差配合也是一個(gè)重要的原因。
7. 高疲勞強(qiáng)度鉆具螺紋接頭的應(yīng)用
隨著深井鉆井的逐年增多，鉆具斷裂事故也在增加。其中90%是底部鉆具螺紋接頭的疲勞斷裂，而這其中80%屬于外螺紋接頭的疲勞斷裂。主要原因是由于外載和預(yù)載荷在鉆具頭外螺紋接頭各圈螺紋牙上的分配為不均勻，螺紋最后嚙合區(qū)（LET）的螺紋牙承受了大部分載荷，其中第一牙承擔(dān)的載荷約占總載荷的30%，因此鉆具外螺紋接頭很容易在此處發(fā)生疲勞斷裂。所以降低LET區(qū)螺紋牙載荷成為延長(zhǎng)鉆具外螺紋接頭疲勞壽命的重要途徑。據(jù)此，石油管材研究所開發(fā)研究一種高疲勞強(qiáng)度鉆具外螺紋接頭——LETR外螺紋接頭。這種接頭螺紋最后嚙合區(qū)（LET）的第一螺紋牙承擔(dān)的載荷降低了約為25%，載荷在各圈螺紋牙上分配比普通接頭均勻。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是降低了螺紋最后嚙合區(qū)（LET）的螺紋牙型高度，在提高疲勞強(qiáng)度同時(shí)，保持與API鉆具螺紋接頭相同的抗扭強(qiáng)度、上卸扣性能和密封性能，與API鉆具接頭螺紋互換。加工原理就是切削去API外螺紋最后嚙合區(qū)（LET）的螺紋牙型高度的一部分。此螺紋在新疆油田應(yīng)用于底部鉆具上，效果良好，大大提高了鉆具的疲勞壽命。目前針對(duì)大慶油田深井鉆采作業(yè)的開展，我們將試用LETR鉆具螺紋。
三、油套管螺紋
油套管是石油鉆采工程中要求高、用量大的深度機(jī)械加工產(chǎn)品。使用螺紋將單根油套管連接成為長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米能承受數(shù)百大氣壓的長(zhǎng)管柱——管狀高壓容器。1924年API制定了第一個(gè)油井管標(biāo)準(zhǔn)，油套管接頭螺紋是每英寸10牙和每英寸8牙的V型螺紋，但后來被API8牙圓螺紋及偏梯型螺紋取代，并沿用至今。API SPEC 5B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定常用套管螺紋為圓螺紋（簡(jiǎn)寫CSG）和偏梯形螺紋（簡(jiǎn)寫B(tài)CSG）。我國(guó)油氣田通常普遍采用這兩種螺紋接頭。隨著我國(guó)油氣的勘探開發(fā)，尤其是深井、超深井、高壓氣井、定向井、含硫化氫等井的增多都對(duì)油套管接頭的使用性能提出更高要求，API圓螺紋及偏梯型螺紋的氣密性、連接強(qiáng)度、耐腐蝕性已不適應(yīng)要求，為此各國(guó)紛紛展開特殊螺紋接頭的開發(fā)和應(yīng)用。以下對(duì)API圓螺紋、偏梯型螺紋以及部分特殊螺紋進(jìn)行一一闡述。
1. API圓螺紋
圓螺紋有套管短圓螺紋（英文簡(jiǎn)寫CSG，外觀如圖5所示）與套管長(zhǎng)圓螺紋套管（LCSG）之分。油管圓螺紋英文簡(jiǎn)寫為TBG，細(xì)分為不加厚油管螺紋（TBG）、外加厚油管螺紋（UP TBG）。
圓螺紋為無臺(tái)肩錐管螺紋、需要有接箍連接，牙型為三角形、圓頂圓底，牙形角為60°，螺紋錐度為1:16，牙形角平分線與軸線垂直，當(dāng)螺紋旋緊后，靠?jī)?nèi)外螺紋的牙側(cè)面密封，其牙型見圖4。

   
圖4 API圓螺紋牙型    圖5 API圓螺紋外螺紋
圓螺紋牙頂和牙底圓弧形有如下優(yōu)越性：
l    改善螺紋在旋緊時(shí)由于擦傷而引起的阻力
l    上緊螺紋時(shí)，牙頂間隙為外來的顆粒和污物提供了一個(gè)有控制的間隙
l    這種圓弧面牙頂對(duì)于因局部刮傷或凹痕損傷不敏感。
圓螺紋因其加工容易、密封性好、有一定的連接強(qiáng)度、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和使用較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，在套管連接中被大量使用。
由于套管外徑小至41/2，大至20寸，同種外徑圓螺紋套管其螺紋接頭形狀有長(zhǎng)、短之分，管體壁厚有厚、薄之分，材料鋼級(jí)有高低之分，機(jī)緊扭矩有大小之分，這就使得套管和接箍的其它螺紋參數(shù)如：手緊緊密距牙數(shù)A等基本尺寸有所區(qū)別，所以，檢驗(yàn)不同規(guī)格的圓螺紋套管及接箍螺紋的緊密距，要用相應(yīng)規(guī)格的螺紋量規(guī)檢驗(yàn)，必要時(shí)還要對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
所有套管圓螺紋及接箍螺紋的基本形狀是一樣的，其齒高、螺距、錐度、牙型角等基本尺寸和公差范圍完全相同。且齒頂和齒底圓弧形狀、管端外倒角、消失錐角的要求也相同。
在API SPEC 5B標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)同一種外徑尺寸的套管圓螺紋，其檢驗(yàn)用量規(guī)只有一種，且都是按照相應(yīng)規(guī)格短圓螺紋的尺寸設(shè)計(jì)的，也就是說，量規(guī)的基本尺寸與對(duì)應(yīng)的短圓螺紋的基本尺寸相同，這就意味著要一規(guī)多用，即該量規(guī)既要檢驗(yàn)同種外徑的長(zhǎng)圓螺紋，也要檢驗(yàn)同種外徑的短圓螺紋。
2. 偏梯形螺紋
這種螺紋是為了提高抗軸向拉伸或抗軸向壓縮載荷能力，并提供泄漏抗力而設(shè)計(jì)，英文簡(jiǎn)寫B(tài)CSG，無臺(tái)肩錐管螺紋、需有接箍連接，牙型為偏梯形、平頂平底，其牙型見圖6、圖7。
規(guī)格為41/2-135/8的套管螺紋，直徑上錐度為62.5mm/m，每25.4mm5牙螺紋（螺距為5.08mm）；導(dǎo)向牙側(cè)面與螺紋軸線的垂線間的夾角為10°；承載側(cè)面與螺紋軸線的垂線間的夾角為3°；牙頂和牙底為錐形，與螺紋錐度平行；導(dǎo)向側(cè)面牙頂?shù)膱A角半徑（0.762mm R）比承載側(cè)面牙頂?shù)膱A角半徑（0.203mm R）大，這有助于對(duì)扣和上扣。旋緊時(shí)，螺紋是全牙型配合，螺紋牙頂?shù)窖赖字g的最大間隙為0.051mm。螺紋本身的機(jī)加工偏差造成接頭螺紋部件一端的一個(gè)螺紋側(cè)面上受力，并使配對(duì)接頭螺紋構(gòu)件在另一端的相反螺紋側(cè)面上受力。在任何情況下，使用合適的螺紋脂或或鍍層（或這兩者）是保證螺紋泄漏抗力的又一手段。泄漏抗力只能通過完整螺紋長(zhǎng)度范圍內(nèi)的適當(dāng)組裝（干涉量）來控制。這種接頭螺紋的牙底沿連續(xù)錐體一直延伸到管體外表面上消失，接箍（內(nèi)螺紋端部分）與不完整螺紋開始一直延伸到消失點(diǎn)，偏梯形螺紋外觀圖見圖8。
   
圖6 規(guī)格不大于133/8的偏梯套管螺紋    圖7 規(guī)格不小于16寸的偏梯套管螺紋

圖8 偏梯形螺紋外螺紋
3°承載側(cè)面可使螺紋在高拉伸載荷下具有抗滑脫性能，而10°導(dǎo)向側(cè)面可使螺紋承受高軸向壓縮載荷。用手工方法修復(fù)螺紋應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行，并僅限于完整螺紋長(zhǎng)度上很小一部分。對(duì)外螺紋的不完整螺紋部分進(jìn)行謹(jǐn)慎修復(fù)不會(huì)影響對(duì)泄漏抗力的控制。
規(guī)格不小于16寸的偏梯套管螺紋，直徑上錐度為83.33mm/m，每25.4mm5牙螺紋，平頂和平牙底平行于管子軸線，這有助于對(duì)扣和上扣。所有其它尺寸和螺紋圓角半徑都與規(guī)格不大于133/8的套管相同。
使用合適的螺紋脂和鍍層對(duì)保證泄漏抗力是很重要的。
偏梯形螺紋牙型的優(yōu)點(diǎn)：
1）由于偏梯形螺紋具有3度承載牙側(cè)面和10度引導(dǎo)牙側(cè)面，所以能夠承受足夠大的拉伸或壓縮載荷。特別是3度承載牙側(cè)面使套管螺紋具有足夠的抗拉強(qiáng)度。
2）牙頂牙底平面的斜度與螺紋斜度相同，而且牙頂有圓弧。引導(dǎo)牙側(cè)面在牙頂?shù)膱A弧半徑比承載牙側(cè)面在牙頂?shù)膱A弧半徑大，這樣有利于螺紋的旋合。
但偏梯形螺紋密封性較低，尤其是套管下井后，在軸向拉力和一定的彎曲應(yīng)力作用下，其抗氣密封壓力將進(jìn)一步降低，同時(shí)螺紋接頭發(fā)生了一次泄漏后，其二次氣密封性會(huì)進(jìn)一步下降。從套管接頭結(jié)構(gòu)示意圖及偏梯螺紋嚙合示意圖可知，對(duì)于偏梯形螺紋套管接頭，其密封部分主要有兩部分，其一為扭矩臺(tái)肩AB，另一部分為螺紋承載面S，此外，環(huán)形間隙中的螺紋密封脂在特定條件下也有密封作用。當(dāng)偏梯形螺紋套管接頭受到內(nèi)壓、拉伸及彎曲復(fù)合載荷的作用時(shí)，扭矩臺(tái)肩AB及螺紋承載面S將疊加彎曲正應(yīng)力,其扭矩臺(tái)肩的接觸壓力減小,因而其密封壓力降低。目前為了提高套管接頭的密封壓力，各套管廠均在開發(fā)新的特殊接頭，為了不影響接頭的連接強(qiáng)度，新的特殊接頭一般采用偏梯形螺紋或改進(jìn)的偏梯螺紋，提高了扭矩臺(tái)肩及螺紋承載面承載壓力，設(shè)計(jì)各種各樣的金屬對(duì)金屬的過盈配合結(jié)構(gòu)，大大提高了套管接頭的密封壓力。
同其他所有石油管一樣，套管螺紋連接是最薄弱的環(huán)節(jié)。螺紋連接的質(zhì)量直接影響到套管柱的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性，而螺紋加工精度又是螺紋連接質(zhì)量的重要影響因素之一。5B標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺紋質(zhì)量的控制指標(biāo)多達(dá)十余項(xiàng)，螺紋單項(xiàng)參數(shù)如錐度、螺距、齒高、牙型角等可以借助于螺紋單項(xiàng)參數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果很直觀，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也不易出錯(cuò)。而綜合反映各單項(xiàng)參數(shù)及表面加工質(zhì)量的、也是最重要的一個(gè)參量－緊密距，需用工作量規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)。由于要考慮量規(guī)的結(jié)構(gòu)型式及與校對(duì)規(guī)的傳遞值、螺紋的長(zhǎng)短、套管壁厚、鋼級(jí)等，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的判斷和處理，才能獲得所需緊密距。
   
圖9 套管偏梯形螺紋結(jié)構(gòu)示意圖    圖10 套管偏梯形螺紋嚙合示意