专利名称：提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法
技术领域：
本发明涉及石油和天然气エ业中提高API圆螺纹油管和套管实物性能的技术领域，特别涉及同时提高API圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的综合控制方法。
背景技术：
油管和套管是石油和天然气勘探、开发中十分重要且使用量大的器材，在开发总成本中平均占到25%左右。油管和套管通过带有一定锥度的螺纹逐根连接成管柱，下入井里形成油气通道。API (American Petroleum Institute,美国石油协会)标准规定的圆螺纹简称API圆螺纹，由于具有加工简单、维修方便、密封性能好且价格便宜的优点，被作为油管和套管接头螺纹广泛使用。 为保证良好的互換性，API圆螺纹尺寸參数公差较大。由于API圆螺纹上扣后接头两端接触压カ较高，螺纹容易发生粘扣现象，而粘扣容易造成螺纹面损坏，从而导致螺纹接头密封不严，甚至连接强度达不到标准要求；由于API圆螺纹尺寸參数公差较大，处于标准公差范围内的上限外螺纹和下限内螺纹进行上扣配合时，接头两端螺纹会出现粘扣现象，而处于标准公差范围内的下限外螺纹和上限内螺纹进行上扣配合吋，则容易发生外螺纹接头从内螺纹接头滑脱的现象。如果井下螺纹接头发生泄漏或脱扣，将导致经济损失甚至重大安全事故，这使API圆螺纹的使用受到限制，特别是近几年随着深井和水平井的不断增多，要求API圆螺纹油管和套管具有良好的抗粘扣性能同时具有高的连接强度。因此，在实际应用中，需要采取措施来提高API圆螺纹油管和套管的抗粘扣性能和连接强度以满足实际应用的需要。目前常用的方法是根据实际需要，通过对某一參数进行定性调整，如螺纹材料等，来提高螺纹接头的抗粘扣性能或连接强度。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题现有的提高API圆螺纹油管和套管的抗粘扣性能和连接强度的控制方法，实际应用时往往出现注重改善抗粘扣性能结果降低了接头的连接強度，或在提高接头的连接強度的同时消弱了接头的抗粘扣性能。专利号为99240437. I的中国实用新型专利公开了ー种增大螺纹始端牙型角的方法来提高螺纹的抗粘扣性能，但增大螺纹牙型角会导致螺纹齿减薄，并且始端螺纹啮合后的螺纹缝隙加大，螺纹的抗粘扣性能得到改善但螺纹的连接强度和密封性能受到很大的影响。
发明内容
本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，通过对油管、套管和接箍材料屈服強度及内外螺纹參数等综合控制，既提高了 API圆螺纹油管和套管抗粘扣性能，同时螺纹连接强度得到很大的提尚。为了实现上述目的本发明采取的技术方案是提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，所述控制方法包括控制油套管和接箍材料的屈服強度及控制内、外螺纹參数，其中所述控制油套管和接箍材料的屈服強度具体为控制所述油套管材料的屈服強度最低值比美国石油协会API Spec 5CT标准规定的最低值高8-12%，控制所述接箍材料的屈服強度最低值比所述油套管材料的屈服強度最低值高1-3% ；所述内、外螺纹具体为接箍内螺纹和油套管外螺纹，所述控制内、外螺纹參数具体为控制所述内、外螺纹的锥度所述内、外螺纹每米长度上直径增量为60-65mm/m，控制所述内、外螺纹的螺距偏差所述内、外螺纹每英寸长度上的所述螺距偏差为-O. 05-+0. 05mm,控制所述内、外螺纹的牙型高度偏差所述内、外螺纹的所述牙型高度偏差为-O. 025-+0. 05mm。 进ー步地，所述控制方法还包括控制所述套管的几何尺寸。进ー步地，所述控制方法还包括控制所述接箍内螺纹表面处理质量。进ー步地，所述控制方法还包括控制所述油套管的黑顶螺纹。具体地，所述控制油套管的几何尺寸具体为控制所述油套管的外径偏差为所述油套管的公称直径的0_+1% ；控制所述油套管的壁厚最小值大于等于所述油套管的公称壁厚的92. 5% ；控制所述油套管的外径椭圆度小于等于1% ；控制所述油套管的壁厚不均度小于等于13%。具体地，所述控制所述接箍内螺纹表面处理质量具体为控制所述接箍内螺纹表面磷化层光滑、均匀、致密，无脱落现象，所述磷化层和所述接箍内螺纹基体连接紧密，控制所述磷化层的厚度为O. 018-0. 028mm。具体地，所述控制所述油套管的黑顶螺纹具体为控制所述黑顶螺纹起始扣沿圆周一致，所述黑顶螺纹各方位起始扣位置相差在2扣以内。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过对油套管和接箍材料屈服強度及内外螺纹參数等综合控制，既提高了 API圆螺纹油套管的抗粘扣性能，同时其连接強度也得到很大的提高，从而增强了 API圆螺纹油套管接头在井下的密封可靠性和強度可靠性，保证了 API圆螺纹油套管的安全使用。采用此方法对油田所用圆螺纹油套管进行质量检测和控制，套管事故下降明显，以每年減少20 ロ井发生套管质量问题为例，毎年可避免的直接经济损失就超过至少3000万元。该方法的推广将给油田带来显著的经济效益和社会效益。
图I是本发明实施例中提供的两根油/套管和一个接箍螺纹连接后的接头示意图。其中I、油/套管，2、接箍。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进ー步地详细描述。实施例I本发明实施例提供了ー种同时提高API圆螺纹油/套管抗粘扣性能和连接强度的综合控制方法，參见图1，所述控制方法包括控制油/套管I和接箍2材料的屈服強度及控制内、外螺纹參数，所述内、外螺纹具体为接箍2内螺纹和油/套管I外螺纹。本发明实施例是针对API圆螺纹油套管的控制方法，其他没有提到的參数均按照API标准要求进行控制。滑脱本质上是内、外螺纹连接部位发生了屈服变形，归根到底是材料发生了失效，所以材料的屈服強度是影响API圆螺纹套管连接強度的最重要的因素之一。増大油/套管和接箍材料的屈服強度，可明显增大螺纹接头抵抗变形的能力，从而増大了螺纹接头的连接強度。
螺纹參数与粘扣的关系较大，例如螺纹的锥度和螺距波动太大会导致内外螺纹的轴向干渉増大，进而容易导致粘扣。因此通过控制螺纹參数，可以有效的预防粘扣现象的发生。综上所述，本发明实施例通过对油/套管和接箍材料屈服強度及内外螺纹參数进行综合控制，既能提高API圆螺纹油/套管抗粘扣性能，又能提高其连接强度，从而增强API圆螺纹接头在井下的密封可靠性和強度可靠性，保证API圆螺纹油/套管的安全使用。所述控制方法还包括控制油/套管I的几何尺寸。API圆螺纹油/套管容易发生滑脱失效，滑脱载荷与管体外螺纹部分的强度密切相关，因而控制油/套管的几何尺寸可以改善管体外螺纹部分的強度，从而有效控制了 API圆螺纹油/套管滑脱失效现象，进ー步提高了 API圆螺纹油/套管的连接强度。所述控制方法还包括控制接箍2内螺纹表面处理质量。螺纹粘扣是由于内、外螺纹表面粘着磨损引起的，对螺纹表面进行处理，改变摩擦副之间的互溶性，提高润滑作用，从而提高了螺纹的抗磨损性能，进ー步提高了抗粘扣性倉^:。所述控制方法还包括控制油/套管I的黑顶螺纹。通过控制黑顶螺纹可以使螺纹部位在360°圆周上的应カ分布均匀，从而进ー步提高了 API圆螺纹油/套管的连接强度。实施例2为了保证API圆螺纹油/套管抗粘扣性能和连接强度均衡地提高，本实施例在实施例I的基础上对各參数进行了定量控制。本发明实施例中所述控制油/套管I和接箍2材料的屈服強度具体为控制油/套管I材料的屈服強度最低值比API Spec 5CT标准规定的最低值高8-12%，控制接箍2材料的屈服強度最低值比油/套管I材料的屈服強度最低值高1_3%。本发明实施例中所述控制内、外螺纹參数具体为控制所述内、外螺纹的锥度所述内、外螺纹每米长度上直径增量为60-65mm/m ；控制所述内、外螺纹的螺距偏差所述内、外螺纹每英寸长度上的所述螺距偏差为-O. 05-+0. 05mm ；螺纹參数中锥度和螺距与粘扣的关系较大，锥度和螺距波动太大会导致内外螺纹的轴向干渉増大，进而容易导致粘扣，通过控制螺纹的锥度和螺距有利于防止粘扣现象的发生，提高了 API圆螺纹油/套管的抗粘扣性能。控制所述内、外螺纹的牙型高度偏差所述内、外螺纹的所述牙型高度偏差为-O. 025-+0. 05mm。牙型高度是影响螺纹连接強度的ー个重要因素，将牙型高度偏差控制在正偏差范围内，一方面增加了螺纹承载面的面积，提高了承载面的摩擦力，减小了滑移的可能性，提高了螺纹的连接强度，另ー方面，牙型高度増加使螺纹滑脱时需要克服的径向变形量也相应增大，螺纹的连接强度也得到了提高。所述控制油/套管I的几何尺寸具体为控制油/套管I的外径油/套管I的外径偏差为0-+1% D,D为油/套管I的公 称直径；控制油/套管I的壁厚油/套管I的壁厚最小值彡92. 5% t，t为油/套管I的公称壁厚；圆螺纹油/套管容易发生滑脱失效，滑脱载荷与管体外螺纹部分(尤其是啮合螺纹最后ー扣附近)的强度密切相关，増大管体外径和壁厚也就増大了外螺纹部分的壁厚，从而提高了圆螺纹油/套管的连接强度。控制油/套管I的外径椭圆度油/套管I的外径椭圆度彡1% ；外径椭圆度太大，会导致上扣后的内外螺纹接触不均匀，从而造成螺纹受カ不均，降低了螺纹接头的承载能力，合理控制油/套管的外径椭圆度可以提高螺纹接头的承载能力。控制油/套管I的壁厚不均度油/套管I的壁厚不均度彡13%。其中壁厚不均度ξ =(卜+:、1)う2，tmax和tmin分别是测量油/套管I某ー横截面上的多个壁厚值中的最大值和最小值。均匀的壁厚能使油/套管在加工过程中更好的对中，加工的螺纹更加均匀，如果壁厚不均度较大，则同一截面螺纹齿底处有的方位壁厚大，有的方位壁厚小，壁厚最小的地方应カ大，会优先发生失效，降低了螺纹接头的连接強度，本实施例通过控制壁厚不均度，可以有效提高螺纹接头的连接强度。本发明实施例中所述控制接箍2内螺纹表面处理质量具体为控制接箍2内螺纹表面磷化层目测时光滑、均匀、致密，无脱落现象，采用金相观察所述磷化层和接箍2内螺纹基体连接紧密，控制所述磷化层的厚度为O. 018-0. 028mm。螺纹粘扣是由于内、外螺纹表面粘着磨损引起的，对螺纹表面进行处理，改变摩擦副之间的互溶性，提高润滑作用，从而提高了螺纹的抗磨损性能。表面磷化层厚度很薄吋，磷化层粘附能力差，在较高的扭矩作用下内、外螺纹基体接触并容易发生粘扣，増加磷化层厚度，则磷化层在基体上的附着力增强，内、外螺纹基体不易接触，抗过扭能力增强，可明显提高圆螺纹的抗粘扣性能。但太厚的磷化层厚度对螺纹參数的改变较大，会影响螺纹的啮合程度，降低螺纹接头的连接強度，本发明实施例在多次试验的基础上选取了合理的磷化层厚度，既实现了螺纹接头抗粘扣性能的目的又不影响螺纹接头的连接強度。本发明实施例中所述控制所述油/套管的黑顶螺纹具体为控制所述黑顶螺纹起始扣沿圆周一致，所述黑顶螺纹各方位起始扣位置相差2扣以内。理想情况下，黑顶外螺纹开始出现的位置(扣数)沿圆周方向最多相差ー扣，但由于管子壁厚不均、外径不圆、管子偏心或加工时未对中等原因容易导致黑顶螺纹开始出现的位置有较大的差异。黑顶外螺纹起始扣随方位的不同差异越大，说明外螺纹沿圆周越不均匀，进而会导致螺纹部位在360°圆周上的应カ分布不均匀，降低了螺纹接头的整体连接强度，因而控制黑顶螺纹各方位的起始扣位置相差在2扣以内，能增强螺纹接头的整体连接强度。按本发明实施例提供的控制方法制造的API圆螺纹油/套管具有良好的抗粘扣性能，即使螺纹接头在螺纹參数极限公差配合下使用最大扭矩上/卸扣3次也未见粘扣，另外螺纹接头的连接強度超出API标准要求值的30%以上。符合此综合控制方法的API圆螺纹油/套管质量稳定可靠，抗粘扣性能优良，接头连接強度高，保证了 API圆螺纹油/套管在 井下使用的经济性和安全可靠性。实施例3对APIΦ 139. 7X7. 72mm N80圆螺纹套管I和接箍2的控制按以下几个方面进行(I)控制套管I和接箍2材料屈服強度套管材料屈服強度最低值在API Spec 5CT标准规定的最低值基础上高出10%控制，即套管I材料屈服强度控制在607-758MPa范围内；接箍2材料屈服強度最低值在API Spec 5CT标准规定的最低值基础上高出12%控制，即接箍材料屈服强度控制在618-758MPa 范围内。(2)控制套管I几何尺寸①外径外径偏差控制在0-+1% D范围内，即套管外径控制在Φ 139. 7-141. IOmm范围内。②壁厚壁厚最小值按彡92. 5% t控制，即壁厚最小值要求彡7. 14mm。③外径椭圆度外径椭圆度控制在< 1%。④壁厚不均度壁厚不均度控制在< 13%。(3)内、外螺纹參数控制①锥度套管外螺纹和接箍内螺纹每米长度上直径增量控制在60-65mm/m范围内。②螺距偏差内、外螺纹每英寸长度上的螺距偏差控制在-O. 05-+0. 05mm范围内。③牙型高度偏差内、外螺纹牙型高度偏差控制在-O. 025-+0. 05mm范围内。(4)接箍2内螺纹表面处理质量控制接箍2内螺纹表面磷化层光滑、均匀、致密，无脱落现象，采用金相观察磷化层和基体连接紧密，磷化层厚度控制在O. 018-0. 028mm范围内。(5)套管I黑顶螺纹控制套管I黑顶螺纹起始扣沿圆周一致，黑顶螺纹各方位起始扣位置控制在相差2扣内。(6)其它按API标准要求进行控制。对按本发明实施例提供的控制方法生产的套管和接箍试样进行实物试验，使用最大扭矩上/卸扣3次未见粘扣，螺纹接头的连接强度达到2053kN，远远高于其他API圆螺纹接头。同时，符合本发明实施例提供的控制方法的1000吨规格为Φ139. 7X7. 72mm N80的长圆螺纹套管I和接箍2在超过3000m深的井下使用，达到预期目标，效果良好。采用此方法对油田所用圆螺纹油套管进行质量检测和控制，套管事故下降明显，以每年減少20 ロ井发生套管质量问题为例，毎年可避免的直接经济损失就超过至少3000万元。该方法的推广将给油田带来显著的经济效益和社会效益。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
权利要求
1.提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括控制油套管和接箍材料的屈服強度及控制内、外螺纹參数，其中 所述控制油套管和接箍材料的屈服強度具体为控制所述油套管材料的屈服強度最低值比美国石油协会API Spec 5CT标准规定的最低值高8-12%，控制所述接箍材料的屈服強度最低值比所述油套管材料的屈服強度最低值高1-3% ； 所述内、外螺纹具体为接箍内螺纹和油套管外螺纹，所述控制内、外螺纹參数具体为 控制所述内、外螺纹的锥度所述内、外螺纹每米长度上直径增量为60-65mm/m， 控制所述内、外螺纹的螺距偏差所述内、外螺纹每英寸长度上的所述螺距偏差为-O. 05-+0. 05mm, 控制所述内、外螺纹的牙型高度偏差所述内、外螺纹的所述牙型高度偏差为-O. 025-+0. 05mm。
2.根据权利要求I所述的提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括控制所述套管的几何尺寸。
3.根据权利要求I或2所述的提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括控制所述接箍内螺纹表面处理质量。
4.根据权利要求I或2所述的提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括控制所述油套管的黑顶螺纹。
5.根据权利要求2所述的提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，其特征在于，所述控制油套管的几何尺寸具体为 控制所述油套管的外径偏差为所述油套管的公称直径的0-+1% ； 控制所述油套管的壁厚最小值大于等于所述油套管的公称壁厚的92. 5% ； 控制所述油套管的外径椭圆度小于等于1% ; 控制所述油套管的壁厚不均度小于等于13%。
6.根据权利要求3所述的提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，其特征在干，所述控制所述接箍内螺纹表面处理质量具体为 控制所述接箍内螺纹表面磷化层光滑、均匀、致密，无脱落现象，所述磷化层和所述接箍内螺纹基体连接紧密，控制所述磷化层的厚度为O. 018-0. 028mm。
7.根据权利要求4所述的提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，其特征在于，所述控制所述油套管的黑顶螺纹具体为控制所述黑顶螺纹起始扣沿圆周ー致，所述黑顶螺纹各方位起始扣位置相差在2扣以内。
全文摘要
本发明公开了一种提高圆螺纹油管和套管抗粘扣性能和连接强度的控制方法，属于石油和天然气工业中提高API圆螺纹油管和套管实物性能的技术领域。所述方法包括综合控制油管、套管和接箍材料的屈服强度、控制内外螺纹参数及控制接箍表面处理质量，所述内外螺纹具体为接箍内螺纹和套管外螺纹。本发明通过对油管、套管和接箍材料屈服强度及内外螺纹参数等综合控制，既提高了API圆螺纹的抗粘扣性能，同时其连接强度也得到了很大提高，从而增强了API圆螺纹油管和套管接头在井下的密封可靠性和强度可靠性，保证了API圆螺纹油管和套管的安全使用。
文档编号E21B17/02GK102678064SQ201110353448
公开日2012年9月19日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者冯春, 刘文红, 宋生印, 潘志勇, 王建东 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所