特殊扣08630.docx

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特殊扣08630

HT高密封性特殊螺纹套管在气井中的应用

李飞＊李玉民张飞跃肖艳平张建设

（中原石油勘探局管具工程处）（中原油田分公司物资供应处）（中原油田分公司井况防治中心）

摘要由于普通API螺纹套管难以承受高于70MPa高压气体，开发加工了高密封性能的SEAL-LOCKHT特殊螺纹套管。

这种螺纹套管的结构特点是：

①端面和侧面为特殊结构密封，套管的气密封性能好；②采用倒钩螺纹设计，提高了螺纹的抗拉和抗内外压能力，可防止套管倒扣松动；③螺纹结构先进，套管插入方便，入扣不易错扣；④抗过扭矩能力强，螺纹联接可靠。

室内试验表明，该螺纹套管加载432kN，施加气压79．9MPa，气密封良好。

8口井现场应用均取得成功，下套管节约8—12h，节约套管成本10％～15％，解决了高气压井的密封问题。

关键词特殊螺纹套管气密封性能结构特点室内试验天然气井现场应用

引言

中原油田属复杂的断块油气田，由于受高压油气、高压注水、盐层“塑性流动”和地应力等诸多因素的影响，套管螺纹密封失效、滑脱是较常见的套管损坏现象。

普通API圆螺纹套管相互配合后，在外螺纹和内螺纹之间引起压配合。

这种径向接触产生较大的接箍周向应力，在接触点形成压密封。

另外套管圆螺纹牙顶和牙底之间存在0.152mm的间隙。

螺纹密封脂所包含的金属微粒在此间隙之内产生封堵作用，但螺纹脂在高温高压下，随着时间的延长会逐渐分解失效。

气井对于密封的要求较油水井更为重要，高于70MPa高压气体普通API螺纹难以承受，一旦套管螺纹密封失效，将导致井筒无法正常生产。

因此，对于高压气井必须考虑螺纹形式。

中原油田与天津华新特殊扣石油套管有限公司合作，开发加工了高密封性能的SEAL-LOCKI-IT特殊螺纹套管，解决了中原油田高压油气井套管密封失效问题和盐岩层、盐膏层、泥岩层、断层作用对套管螺纹密封的影响问题。

主要技术指标及性能评价

1．HT特殊螺纹设计依据

根据目前中原油田地质情况和开发现状，气井产层压力系数达到I．8以上，套管螺纹气密封要求高，综合多种影响因素，设计采用HT特殊螺纹，其性能见表I。

表1HT特殊螺纹与圆螺纹的性能对比

套管直径

㎜

钢级

壁厚

㎜

扣型

上扣

抗粘扣

性能

抗拉强度

kN

屈服扭矩

N．m

抗内压强度

MPa

抗挤强度

MPa

139.7

P110

10.54

长圆扣

易错扣

较差

2854

8500

93.6

100.2

139.7

P110

10.54

HT

易上扣

不错扣

较好

3498

32111

101.8

100.2

2．HT特殊螺纹结构特点

金属对金属密封结构是靠光滑的金属表面弹性过盈配合实现密封，是螺纹接头密封技术的重大突破。

按密封面的形状可分为锥面对锥面，锥面对球面，球面对球面；按密封位置可分为端面密封结构、径向密封结构与径向密封结构相结合的复合多重密封结构。

HT高（密封性特殊套管螺纹属于复合多重密封结构，见图1。

）

（1）密封性能好，采用端面和侧面特殊结构密封，提高了套管气密封性能。

（2）采用倒钩螺纹设计，提高了螺纹的抗拉和抗内外压能力，可防止套管倒扣松动。

（3）先进的螺纹结构，套管插入方便，人扣不容易错扣，提高了生产时效和下套管作业速度。

（4）扭矩范围广，抗过扭矩能力强，保证了螺纹联接的可靠性。

特别指出，在遇到复杂情况时，如下套管遇阻的情况下，高的台肩扭矩完全具备了旋转套管处理复杂情况的能力，保证了下套管的施工安全。

3．主要技术指标力学试验

2002年1月由天津钢管有限责任公司钢管研究所对~139．7P110／9．17HT试验样管进行了抗挤毁、抗拉及高压密封试验，具体情况如下。

（1）抗挤毁强度：

96．5MPa管体挤毁，接箍及螺纹未变化。

（2）螺纹抗滑脱：

3612kN（368.3tf）从管体拉断，螺纹未出现问题。

（3）螺纹密封性：

样管加载荷432kN（44tf）、施加气压79．9MPa、弯曲15°／30m联合力共同作用下，试验样管Φ139．7P110／9．17HT特殊螺纹气密封性能试验结果：

79．9MPa气密封良好，达到现场使用要求。

4．套管下井设计应用原则

（1）适应井况高压油气井、高压注水井及探井。

（2）设计根据盐岩层等复杂井段的实际深度，一般按盐岩层等复杂井段顶界和底界各向外扩展50m为原则，确定P110×10．54mill高强度套管的顶底界深度，其余井段使用P110×9．17InlTl套管。

（3）套管串结构~139．7mmI-IT特殊螺纹套管与井口套管头、井底带浮箍浮鞋圆螺纹套管的下井连接均采用变螺纹套管过渡连接。

作业要点和技术要求

1．准备工作

坐放套管的鼠洞下套管前必须清理干净，也可用1根177．8lnlTl（7英寸）套管将公端用盲板焊死，作为下套管专用鼠洞，以保持套管螺纹干净，提高下套管作业速度。

2．套管的井场检验

严格按要求清洗内外螺纹，用柴油清洗后再用干净棉纱或毛巾擦净，密封面碰伤的螺纹不准人井。

严格检查接箍和管体表面是否有凹陷、刻痕，若刻痕深度超过名义壁厚25％，则不准人井。

管体弯曲严重的套管不能下井。

3．套管螺纹防碰伤措施

套管在装卸、摆放过程中要装好螺纹护丝，特别在检查通径时，内径规在有接箍方向小心送人，避免通径规对内螺纹密封台肩的损坏，影响密封效果，建议使用尼龙制品通径规。

用吊升系统向钻台吊送套管，上提送套管前在接箍内螺纹上涂匀套管密封脂并带好套管帽，外螺纹戴上护丝。

下套管时小心下放游车，用手扶住套管，引导外螺纹端进入并坐于套管接箍内。

在对扣过程中要防止螺纹顿撞及赃物落入接箍螺纹上，有条件时使用对扣导向器，重点保护密封面和密封台肩。

4．套管螺纹连接技术要求

（1）上扣扭矩控制及参数~139．7lnlTl×9．17lnlTl钢级Pl10SEAL-LOCKHT套管上扣扭矩控制要求：

最小8400N·m，最大10600N·m，最佳9500N·m，台肩扭矩范围2000—7300N·rn。

Φ139．7㎜×10．54mm钢级P11OSEAL—·LOCKHT套管上扣扭矩控制要求：

最小9100N·m，最大l1300N·m，最佳10200N·m，台肩扭矩范围2100～8000N·m。

同时注意套管钳臂与尾绳不垂直时，需相应对扭矩值进行适当调整。

（2）螺纹拧接速度引扣速度10r／min左右，上扣速度30r／min左右，紧扣速度15r／min左右，严禁用高速引扣和紧扣。

（3）套管的有效长度测量测量方法是丈量外螺纹端端面到内螺纹端（接箍）端面的长度，减去接箍长度之半。

对Φ139．7㎜汉廷SEAL-LOCKHT套管而言，从理论上讲接箍长度之半为108㎜，实际现场接箍长度之半可以按110㎜考虑丈量套管长度。

（4）螺纹连接质量的判定上扣扭矩曲线符合汉廷扣扭矩图形，台肩扭矩明显，峰值突出，紧扣扭矩值介于最大和最小值之间，即螺纹连接质量合格。

否则应卸开重新检查螺纹情况，发现问题不准下井。

（5）特殊情况的处理错扣后要及时卸开，检查外、内螺纹是否损坏，若发现损坏应及时剔除，并作上标记。

在井口不正的情况下，套管对扣尽可能采取扶正措施，上扣时钳臂与尾绳要调整成直角，人井管柱较轻时应打上内钳。

上扣时一般情况下接箍应均匀变热，正常温度在2O℃左右，发现局部过热应卸开检查是否粘扣。

现场应用

2002年4月，Φ139．7m／'nHT特殊螺纹套管在中原油田白庙气田白44井正式投入现场应用，井深4220m，钻井液密度1．7O，施工顺利，未发现套管密封质量问题。

从压裂投产情况看，未发现套管密封失效等套管损坏问题。

现场应用证明，应用HT特殊螺纹套管解决高压气井螺纹密封失效是非常成功的。

据统计，截至2003年1月底，已在中原油田下井使用8口井，全部为定向井。

在这些定向井中，有4121井为大斜度定向井，井斜一般在3O°以上，最大井斜达到45°。

在中原油田的采油四厂、采油六厂白庙气田、天然气总厂文23气田，推广应用了HT特殊螺纹套管，应用效果较好。

经过压裂应用后，未发现套管质量问题，目前均正常生产。

结论

（1）推广应用HT特殊螺纹套管，满足了高压气田开发使用要求，解决了套管密封的难题。

（2）HT特殊螺纹套管下套管作业速度快，引．扣方便，不错扣，不粘扣，易上扣，缩短了下套管时间，比普通下套管作业时问节约8—12h，提高了生产时效，降低了钻井成本。

（3）HT特殊螺纹套管在大斜度定向井中的应用，很好地解决了高压气井的螺纹密封问题。

经过压裂作业考验，不影响密封效果。

（4）扭矩范围广，抗过扭矩能力强，保证了螺纹联接的可靠性，特别在遇到复杂情况时，如下套管遇阻的情况下，可以旋转套管处理复杂情况，保证了下套管的施工安全。

（5）推广应用HT特殊螺纹套管，可节约套管成本10％一15％。

天津钢管集团有限公司加大对特殊螺纹套管的研发力度

庄刚

为了满足油田勘探开发的需要。

近年来天津钢管集团有限公司加大了特殊螺纹套管开发和生产的力度，2006年截至lO月份特殊螺纹套管的产量达到2．8万t，预计全年可生产特殊螺纹套管4．0万t。

从战略发展的角度出发。

天津钢管集团有限公司早在2O世纪末就着手特殊螺纹套管的开发研究工作。

为了做好该产品的开发，在公司技术中心组建了螺纹研究室，从生产一线抽调了一批技术骨干充实到该研究室，并从国外购买了专门用于螺纹开发和研究的车丝机床及实验设备。

目前公司已根据油田需求开发出TP—CQ、TP—FJ、TP-NF、TP-G2等多个扣型的特殊螺纹套管．这些品种的开发不仅满足了油田不同地质条件和井况的需要，而且也打破了国外企业在这一产品上的技术垄断。

油井管特殊螺纹接头的发展

谢香山

（上海宝钢集团公司规划发展部，上海210900）

摘要：

齄着油井睬度增加、环境不断恶化按API标准生产的螺纹接头又难以满足油井的需要，新开发的特殊螺纹接头应用范围不断扩大。

介绍了国外开发的几种典型特殊螺纹接头及其设计特点。

特殊螺纹接头的市场前景广阔，目前我国尚无批量生产的能力，应加大特殊螺纹接头的开发力度，既可满足国内需求，又可参与国际市场竞争。

DevelopingDomesticProductionofOilWel

Tubing—usedPremiumJoint

XKEXfang—shah

（ShanghaiBatmteelGroupCorp．PlanningandDevelopmentDept．，Shanghai210900，China）

Absl3-act：

Duetoincreasingollwelldepthsasrequn'ed，andhereeworseningworkingcondldons．standardAPlthreadedjointscRnhardlymeettheneedforoilfieldswhereasnewly—developedpremiumthreaded—jointsst*e；beingusedmoreand12101-0widely．DescribedhereareseveraltypicalPJsdevelopedor聃，coveringtheird脚ignelmmcledstics．ConsideringthegreatmarketpotentialofPJ，andthedomesticindustry’sfailuretoplod11eesuchproductcommercially．itisamusttospeedupPJdevelopment，aimingatbothlocalandwoddmarkets．

O前言

对螺纹接头有两个基本要求，即具有足够的连接强度和良好的密封性能。

接头的性能与其选用的形式、螺纹的形状及加工质量密切相关。

国内大多数油井的套管和油管都曾发生过因螺纹接头质量问题而引起的不同程度的事故。

大庆、辽河油田多次发生油管和套管脱扣掉井及粘扣事故。

国内一些油井管生产厂生产的油套管存在密封性差的问题。

APISpec5CT规定，套管可采用短圆螺纹、长圆螺纹、偏梯形螺纹、直连型螺纹等形式，油管可采用外加厚螺纹、平式及整体式接头形式。

按API标准生产的接头，在油井深度不断增加、环境不断恶化的今天，早先开发的接头密封性及连接强度已不能满足油井的需要。

为此，国外一些先进的油井管生产厂已纷纷开发成功一些特殊的螺纹接头，而我国对特殊螺纹接头的研究开发尚处于起步阶段。

上海宝钢集团公司从1994年开始研究特殊螺纹接头，目前已开发出BGI丝扣，但尚不能大规模生产。

因此，我国很有必要加大对特殊螺纹接头的研究开发力度，以满足油田开发的需要。

1特殊螺纹接头特征及其应用

特殊螺纹接头是相对于API螺纹接头而言的。

API螺纹接头在全球范围内应用非常广泛，但其性能并不能满足所有油井的需要，特别是在密封性和强度方面存在一定问题。

圆螺纹接头的连接处只能承受相当于管体断裂强度的60％一80％的拉伸载荷；偏梯形螺纹接头的密封性只相当于管体的30％左右。

目前所研究开发的特殊螺纹接头在高连接强度、高密封性、防螺纹粘扣、抗应力腐蚀等方面已取得很大进展。

特殊螺纹接头能保持全面的管体压力，其连接强度比管体强度高1％一5％。

尽管特殊螺纹接头的成本及维护费用较高，但在油井中的应用却越来越广泛，特别在深井、超深井、高气压井、稠油热采井、定向井、水平井、重腐蚀井等领域应用更广泛。

美国、英国、挪威、加拿大、俄罗斯及中东、南美、东南亚等产油国家和地区已大量使用特殊螺纹接头的油井管。

在我国，许多油井也已开始使用特殊螺纹接头的油套管。

我国在油田开发的早期，主要为2O00m左右深的浅油井，使用按API标准生产的螺纹接头加密封脂，其连接强度和密封性能基本满足要求。

进人20世纪80年代后，我国石油钻井的深度进一步增加（如四川等地的油田出现超过5000m深的油井），油井环境更恶劣（如出现含腐蚀性气体的油井及高压油井），API螺纹接头已难以满足需要。

9O年代初，我国辽河、塔里术、长庆、四川等地的油田已开始使用特殊螺纹接头的油套管，但所需的特殊螺纹接头还依靠进口，而国产的特殊螺纹接头还处于开发研究阶段，尚未正式、批量生产。

目前，世界特殊螺纹接头油套管的生产使用量已占油套管总量的30％左右

2特殊螺纹接头的发展现状

特殊螺纹接头出现在2O世纪30年代初，是由海得里尔（Hydril）开发的。

至今全世界已开发有数百种用于恶劣环境油井的高压密封的特殊螺纹接头。

特殊螺纹接头可分为整体式接头（Specialinte．graljoints）和接箍式接头（Threaded—and—coupledjoints）。

表1列出了国外主要油井管生产厂的典型的特殊螺纹接头。

表1典型特殊螺纹接头

生产厂

接头类型

住友金属（日本）

VAM．NEWVAM．VAMACE．VAMHW．VAMACEXS，VAMFJI，VAMSL，SMEF，VAMSk1．1

新日铁（日本）

NSCC．Nscr．NS—IT，BDS．TDS．NSllIBT

NKK（日本）

NK3SB．NK2sC．NKEL，NKFJ1．NKFJ2，NKSL，NEWNK3SB

川崎（日本）

FOX

ManneSman（德国）

BDS。

TDS．HPC，MUST．MIDOMEGA，BIGOMEGA，MAT

Vallourec（法国）

VAM．NEWVAM，VAMACE，VAMHVAMACEXS，VAM叩，VAMsL

Siderca（阿根廷）

SEC．ANTARES系列．PJD．FL一4S．ST—L．亿一Ⅱ，NJO，kHC．sealkBOSSTKC4040

TAMSA（墨西哥）

SEC，ANTARES系列，PJD，FL一4SST—L．TC一Ⅱ．NJO，sealkHC．seallockBOSSTKC4040

Dalmine（意大利）

SEC．ANTARES系列．PJD

AB（美国）

SEAL—LOCK．A一95。

PH系列，TC一Ⅱ

Hydrl（美国）

SupremeLX，MAC．MAC—II．PH系列．T~）t563，Type521，Tyr*51I，Type533，Ty0~503，ry0~501，ry0~561

2．1住友金属的VAM接头

住友金属从1969年开始着手开发油井管用特殊螺纹接头，曾开发有sA，sB，SS，3SB等接头。

1976年，住友金属从法国Vallourec公司引进了VAM螺纹接头制造技术，在此基础上，于1992年开发了SMJoint接头，该接头吸收了VAM接头的优点。

1985年，石油勘探公司要求其提供各种动态载荷下能保证足够的气密性能的接头，为此住友金属在SMJoint接头的基础上，开发了性能更好的VAMACE接头。

此接头具有金属密封部及根据用户要求放置的特氟隆密封环的弹性密封部。

此后，住友金属又在VAMACE基础上开发出适用于不同油井环境和使用条件的VAM接头，如表2所示。

表2住友金属VAM接头的开发

接头名称

年份

用途

VAMACE

1982（1985）

一般用（碳案钢、高合金钢）

VAMHW

1982

厚壁用接头

VAM5L

1987

细型接头

VAMACEXS

1987

整体式接头（过载荷用）

VAMFJL

1982

接箍式接头（内衬用）

NAMVAM

1980

一般用（碳案钢、高合金钢）

SMEF

VAMSLIJ

VAM系列特殊螺纹接头的主要特征有：

①螺纹侧负角丝扣。

一般的螺纹接头（包括API螺纹）的牙型承载面的角度为正角，而VAM接头采用负角，因此外螺纹与内螺纹的丝扣在轴向上为钩状啮合；②外螺纹前端的转矩台肩部采用倒角。

一般的特殊螺纹通常为直角台肩，采用倒角台肩能获得“VAM”效果，即当接头拧紧时，台肩部开始接触和产生面压，密封部的接触面压也开始增加，特别是在接头拧紧、转矩过大、台肩变形的情况下，能继续确保接头的气密性能；③锥形面密封。

圆锥面状金属密封具有在密封面接触压低时也能保证有气密性的性能，许多特殊接头采用这种密封形式。

低的接触面压可大大降低密封面粘结的可能性。

自VAM特殊螺纹接头开发成功以来，锥形密封和倒角台肩的组合一直被继承下来，并证实在各种油井环境下使用是有效的。

住友金属最近新开发了几种接头：

（1）TM特殊螺纹接头。

该种接头具有密封性能好、连接强度高、抗内压能力强等优点，已在我国油田获得较为广泛的应用。

TM特殊螺纹接头主要由连接螺纹、金属一金属密封结构、扭矩台肩等部分组成。

TM特殊螺纹接头采用锥度为l：

16的锥管偏梯形螺纹形式，螺纹形状与APIBTC螺纹完全相同，但一些参数如齿高、锥度、螺距、紧密距等的加工公差有所调整，其目的是减少螺纹干涉量，改善接头的应力分布，降低峰值应力。

另外，TM接头的内外螺纹均经过磷化处理，有利于提高接头的耐粘能力和整体连接质量。

TM接头的主密封采用锥度为l：

7的锥面一锥面密封，接头拧紧后，内外螺纹的密封锥面在弹性范围内相互过盈，产生一定的接触压力，形成密封。

TM接头的扭矩台肩为直角内台肩。

（2）2SMEF特殊螺纹接头。

该种接头采用承载面角3。

、导向面角45。

的偏梯形螺纹，其螺距大[3牙／25．4mm

（1）]，锥度大（1／8．5），如图l所示。

SMEF特殊螺纹接头具有易于对扣、上卸扣速度快、性能可靠的特点，价格比API偏梯形螺纹接头低3％，适用于大直径套管，已在我国的南海西部和东部及大庆油田使用。

（3）VAMSLIJ特殊螺纹接头。

该种接头采用内外密封和具有中间扭矩台肩的双级螺纹连接，内外密封采用l／3锥度。

螺纹牙型承载面角为一l0。

，导向面角为25。

，螺距为（4～6）牙／25．4ram（1”），锥度为1／51／8。

VAMSLIJ特殊螺纹接头为无接箍式整体连接形式。

这种连接形式抗内压能力与管体相同，对过扭矩有较高抗力，外径小，可用于尾管小间隙固井。

图1SMEF特殊螺纹接头

2．2NKK的特殊螺纹接头

NKK生产油井管的历史已有4O余年，在特殊螺纹丝扣方面有自己的系列产品，下面介绍NKK生产的几种接头：

（1）NK3SB特殊螺纹接头。

接头的螺纹丝扣负载面为直角型（图2），这种扣型可防止在轴向负载条件下产生使啮合螺纹错开的应力，具有高的连接强度。

直角丝扣与以往的扣型相比，可将接箍的周向应力控制到最小程度。

为防止牯扣，对碳素钢和低台金钢的丝扣进行镀锌，对高合金钢的丝扣进行特殊的电镀处理。

图2NK3SB牙型

NK3SB有两个金属一金属密封，即滑动式的正切点密封和内台肩密封（见图3）。

此外锥形螺纹配以适当的螺纹脂，也可起到辅助密封的作用。

球面的金属一金属密封为主密封，具有自行密封性能，即密封面的接触应力随内压升高而增大因此，即使内外压力可能挤扁或破坏管体，也不会影响NK3SB接头的密封性能。

管柱在同时承受巨大的拉伸、压缩及弯曲载荷下，也能确保密封性能。

NK3SB接头在设计上公扣密封部位的正切点外径稍大于母扣密封部位的内径，具有密封过盈量。

公、母扣密封部位均用精密机械加工。

（2）NKEL特殊螺纹接头。

此种接头的螺纹牙

型类似于流线型油套管的丝扣，螺纹负载面角和装配侧面角，套管均为6。

，油管均为15。

。

NKEL接头可承受巨大的轴向载荷，并可防止脱扣失效。

NKEL有3个金属一金属密封，即正切点主密封、内台肩密封、外台肩密封（图4）

2．3NSCC特殊螺纹接头

NSCC特殊螺纹接头如图5所示。

NSCC接头是新日铁的产品，在我国油田应用较为广泛。

这种接头主要由连接螺纹（改进的API偏梯形螺纹）、金属一金属密封（锥度为1：

10的锥面一锥面密封）、双内扭矩台肩等部分组成，其外螺纹表面未作处理，而内螺纹作镀锌或镀铜处理。

3特殊螺纹接头的结构设计特点

特殊螺纹接头的结构设计具有一定特点。

接头的密封结构不是单纯依靠螺纹配合和螺纹密封脂，而主要是采用主密封结构，如金属密封或弹性密封结构。

主密封结构的类型可分为：

锥面一锥面，如TM，NSCC，SEC等；球面一锥面，如NK3SB等；球面一曲面，如FOX等。

一般来说，特殊螺纹接头增加了内或外扭矩台肩，设计扭矩台肩的主要目的是控制上扣扭矩，克服API螺纹接头上扣位置及扭矩范围宽对其使用性能造成的不良影响，提高接头的耐粘扣性及抗过扭矩能力。

另外，扭矩台肩还可以控制螺纹和密封干涉量，保证主密封的过盈干涉量能得到很好的控制。

扭矩台肩本身具有辅助密封作用，同时还可使接头的抗压缩能力提高。

台肩形状一般为直角台肩，如TM，NK3SB，NSCC；圆弧台肩，如FOX；斜面台肩，如SEC。

丝扣一般采用偏梯形扣，只在形状方面作适当的调整，如承载面角调整范围-25°～3°，导向面角调整范围10°～45°，可提高接头抗复合载荷能力。

也有不变螺距的接头，如TM型；变螺距的接头，如FOX型等。

中国石油天然气集团公司石油管材研究所对Ф73．03mmx5．51㎜TBG油管的全尺寸进行了试验，结果表明，材料的性能、接箍镀层形式和上扣扭矩的大小对油管抗粘扣性能影响较大，而相比之下螺纹参数的影响较小。

大多数特殊螺纹通过选材、表面处理来解决粘扣问题。

多数表面处理为电镀金属层、喷涂或涂敷表面保护层。

电镀处理采用Fe，Ni，Zn，co，cu，Mn，Cr的金属氧化物进行阳极电解，接着在HCI中阴极电解，形成金属活

化层，然后在活化层上电镀上述的一种金属