特殊螺纹接头使用过程中,受到各项载荷的共同作用,会发生密封失效和螺纹连接失效等事故,降低油气开采效率。因此,为研究接头设计参数对其密封性能和连接强度的影响规律,对密封面锥度、球面半径、螺纹导向面角、承载面角和螺纹牙宽度不同的特殊螺纹接头进行了有限元分析,据此优化了其设计参数。建立了锥面对锥面和球面对锥面两种形式的密封面接触力学模型,以及脱扣失效和剪切失效临界载荷模型,经分析可知,影响接头密封性能和连接强度的主要参数的范围如下:密封面锥度为1/4至1/20、球面半径为3mm至25mm、承载面角为-9°至3°、导向面角为5°至40°、外螺纹牙宽度为1.45mm至3.215mm。由此,建立了不同参数接头的三维有限元模型,计算了在上扣扭矩、轴向拉力和内压载荷复合作用下,接头整体、螺纹及密封面的等效应力分布状态和密封面处接触压力变化情况。基于分形理论,建立了考虑密封面粗糙度时,锥面对锥面接头的密封面分形接触模型和有限元分形模型,分析了不同分形维数下接头密封性能的变化规律,并对两种不同密封形式的接头进行了上卸扣实验,验证了其有限元模型的准确性。结果表明,在复合载荷作用下,当锥面对锥面接头的密封面锥度为1/12至1/16时,密封面处的最大等效应力小于材料屈服极限,接触压力大,接头密封性能良好;当球面对锥面接头的球面半径为10至20mm时,密封面接触压力大,接触长度长,密封性能良好。当螺纹承载面为-4°、-3°和3°,导向面为10°至20°、螺纹牙宽度为1.4mm至2.6mm时,螺纹部分的等效应力小于材料屈服极限且分布均匀,接头连接强度良好。考虑密封面粗糙度时,在上扣扭矩作用下,随着分形维数的增加,主密封面处的等效应力和接触压力均减小,接触长度增长。本文研究得到了不同设计参数接头的应力分布规律,进一步分析了其密封性能和连接强度,为特殊螺纹接头的设计、生产加工和现场选用提供参考。