胡 勇，宋桐亮，刘 阳

（渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

随着钻采工艺技术的不断进步，以及油气井钻采作业中越来越多地出现特殊井况，使苛刻需求也逐渐增多，在井深加大、腐蚀恶化、压力变高、温度超标等问题下，常用的API（American Petroleum Institute，美国石油学会）石油专用管接头难以满足油田的需求。如圆螺纹在连接性能上强度不足，而偏梯形螺纹几乎没有密封性可言，这些都严重限制了API螺纹的应用范围，因此需要开发出性能更优越的油井管螺纹接头。特殊螺纹是相对于API螺纹接头而言的，也称非API螺纹接头或PJ（Premium Joint，优质螺纹接头）。特殊螺纹的出现，是由于API螺纹接头在特殊井况应用方面存在着不足，特别是密封和强度方面的性能缺陷，难以满足油田开发的更深层次需求。随着特殊螺纹接头在高密封性、高连接度、抗腐蚀、防粘螺纹等方面取得进展和优势，日益广泛的在油井中得到应用，特别是在定向井、深井、超深井、水平井、高气压井、重腐蚀井、稠油热采井等特殊井况，应用更为普及。据统计，国内外的特殊螺纹接头应有数百种，但基本形式大体相同，主要由连接螺纹、抗扭矩台肩、密封面3部分组成，这样的结构有利于提高管柱的连接强度和密封性能。

1 特殊螺纹的类型与结构特点

（1）经济实用型。TM（特种细牙普通）螺纹是日本住友金属工业公司开发的特殊螺纹早期产品，属于双金属密封，即1∶7锥度的锥面对锥面金属密封，接头拧紧后，螺纹的密封锥面形成第二道密封，扭矩台肩也兼有密封作用，结构简单易于加工，是综合性能好的入门级产品。

（2）低成本型。在API偏梯形螺纹的基础上作了较大的改进的SM-EF螺纹，也是日本住友金属工业公司的产品，由于牙形上的特殊设计，应用中更易于对螺纹、上卸螺纹速度更快、性能更可靠，由于设计中没有考虑密封性能，其价格甚至比API偏梯形螺纹接头还低，非常适用于大直径套管，是一个特例。

（3）高密封型。采用球面对锥面线接触金属密封的NK3SB螺纹，由日本钢管公司研制开发，专门用于满足大斜度井和水平井的需求，在API偏梯形螺纹的基础上着重增强了密封性能，并可承受较大的轴向压缩和弯曲载荷。

（4）超高密封型。NSCC螺纹是新日本制铁公司开发的高级特殊螺纹，设计了3级金属密封，即锥面对锥面密封，双90°扭矩台肩接触密封，适用于气井和热采井。

（5）带反角扭矩台肩型。法国瓦鲁瑞克公司设计开发的VAM螺纹，在特殊螺纹领域具有特殊的地位，由于该型螺纹在金属密封外，管端还特别设计了反角扭矩台肩，使管端在旋紧过程中，不会因受周向收缩力作用面出现缩径现象，确保了螺纹及密封面的接触应力，保障了螺纹连接强度和密封性能，因此拥有了较高的市场占有率。从近年来的流行趋势看，该结构可能会成为高性能螺纹接头的标准配置。

（6）变螺距型。FOX螺纹由日本钢铁工程控股公司和汉庭油田服务公司共同开发，特点是螺纹连接的公端全部为标准螺距，但螺纹连接的母端（即接箍螺纹）的螺纹中部为标准螺距，靠外侧（直径较大）的螺距大于标准螺距，靠内侧（直径较小）的螺距小于标准螺距，螺纹旋合后，各部位螺纹的受力是不均匀的，但在管柱下井后，各部位的螺纹受力状况会趋向均匀分布。需要注意的是，这样的特殊设计经常要与反角扭矩台肩同时使用，才能达到预期的目的。

（7）双台阶型。是由2段同心不同直径，但又连续的螺纹组成的螺纹连接，同时有两个兼顾密封的扭矩台肩，有直角形的，也有采用反角的，在油套管上均有应用。

（8）特殊螺纹截面型。锯齿形螺纹VAM ACE就是这种形式，它是VAM特殊螺纹的衍生型，此外还有楔形螺纹等，特点是，螺纹截面即不是三角形也不是矩形，与API螺纹形成鲜明对比，这种类型的螺纹多用于在抗弯曲、抗滑脱性能上有特殊要求的水平井、大斜度井。

（9）表面处理型。在接箍上采用镀铜或镀锌工艺是比较常见的，这是一种解决粘螺纹问题的有效措施，但有相关研究表明，提高螺纹表面光洁度也可达到同样效果。

2 特殊螺纹研制及生产中区别于API螺纹的特点

（1）性能评价方法不同。目前掌握的常规的检测方法虽然可以完成对油、套管用钢的化学成分、力学性能、冶金质量及制成品的几何尺寸、螺纹参数的检测，但这些只是油、套管质量控制的基本和必要手段，无法实现对油、套管接头密封性、粘螺纹趋势以及结构完整性等实物整体性能指标的检测，不能实现对油、套管质量的全面反映与控制要求，需要按照石油专用管的整体性能评价方法进行检测。目前进行油、套管全尺寸试验评价时，最通行的标准为ISO 13679—2007《套管和油管头评价程序推荐作法》。

（2）上螺纹扭矩对产品性能的影响及控制方式不同。上螺纹扭矩的构成及各部分比例是影响特殊螺纹完整性的重要因素，而影响上螺纹扭矩的因素包括：螺纹参数、螺纹结构、材料性能、尺寸公差、表面光洁度、表面涂层、螺纹脂等，以上因素会对螺纹扭矩和台肩扭矩造成不同程度的影响，从相关的分析结果看，其影响程度需要依赖现场的扭矩检测来验证，因此扭矩检测将是特殊螺纹产品质量评判的重要手段，要给予重视。

特殊螺纹种类繁多，由于结构上均存有差异，上螺纹扭矩曲线也会不同，但多数为图1所示的3段式结构，可简单描述为：

O-A段为螺纹扭矩，理论上限为P1，参考判断螺纹参数性能及加工质量，主要判断是否有粘螺纹问题。

A-B段为密封面扭矩，理论上限为P2，参考判断密封接触面公差配合及干涉情况，主要判断密封接触面公差是否合适及是否受到损伤。

B-C段为台肩扭矩，理论上限为P3，参考判断台肩预紧力是否合适，主要判断密封是否可靠，特别要注意的是台肩扭矩与总扭矩的比值，更是判断密封可靠性的重要参数，如比值过小，接头在井下拉伸载荷作用下的密封性能将无法保障。

每种特殊螺纹在生产和使用过程中，均应对上螺纹过程进行检测和控制，螺纹扭矩的异常和比例失调，都意味着质量问题的出现。

上螺纹扭矩的控制标准，需要在研制过程中 ， 依 据 ISO13679—2007《套管和油管头评价程序推荐作法》标准进行相关试验的结果来确定。

图1 上螺纹扭矩变化曲线图

3 其他不同点

（1）特殊螺纹接头属于精加工产品，且材料又多为特种钢材，机加工工艺性能并不好，所以损伤后的修复十分困难，因此在生产运输过程中应妥善保管，部分特殊螺纹对螺纹脂的选用也有特殊要求。

（2）特殊螺纹接头产品的附加值较API螺纹高，同时产品的研制生产成本也较高，对生产人员素质以及螺纹加工设备的性能要求也较API螺纹要高。最主要的是一次加工合格率较低，目前国际上特殊螺纹的成品率在不考虑结构复杂程度的基础上，最高的也只是接近80%。

（3）特殊螺纹产品是针对特定井况使用的，其适用性受井况复杂程度限制，因此在研制开发时应注意高低搭配，以适应不同需求。所以说，实施系列产品的开发是十分必要的。