張保軍 高曉娟 翟大江 王靜靜

摘要：石油管是鉆采作業(yè)中必不可少的重要材料，其連接質(zhì)量的好壞直接影響到鉆井作業(yè)的成敗和油氣井的壽命。但是油套管的質(zhì)量并非十分完美，其中粘扣又是油套管連接部位在使用中最常見的損傷失效形式。本文以石油開采中常用的連接管螺紋為研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)管螺紋抗粘扣性能、管螺紋參數(shù)的優(yōu)化及控制、螺紋脂和螺紋鍍層特性的研究、特殊螺紋接頭的開發(fā)和油套管上卸扣操作等方面。對(duì)其進(jìn)行分析，并指出存在的問題 ，探討進(jìn)一步提高套管螺紋質(zhì)量與控制方法。

關(guān)鍵詞： ?油套管 螺紋連接 ?連接強(qiáng)度 質(zhì)量控制

1石油管螺紋粘扣機(jī)理分析

1.1粘扣現(xiàn)象

根據(jù)ISO13679標(biāo)準(zhǔn)的最新定義，粘扣是一種發(fā)生在相互接觸金屬表面間的冷焊。如果金屬之間發(fā)生進(jìn)一步的相對(duì)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，將會(huì)引起冷焊部位的撕裂。油套管螺紋在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粘扣現(xiàn)象從金屬學(xué)劃分屬粘著磨損。油套管螺紋粘扣主要實(shí)在高接觸壓力、溫度和高速加載的作用下，金屬表面發(fā)生彈性變形、塑性變形、擠壓剝落、梨溝和嵌入金屬的損傷過(guò)程。粘扣特別嚴(yán)重者（外螺紋），局部還將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，甚至形成馬氏體，加速螺紋粘扣。

1.2粘扣機(jī)理

粘扣過(guò)程中的金屬變形機(jī)理可以從接觸應(yīng)力、上扣扭矩以及過(guò)盈量幾何約束3方面進(jìn)行分析。油套管在上卸扣過(guò)程中，相互作用的公母扣的螺紋表面并不是理想的平滑，接觸應(yīng)力直接增大界面摩阻力，具有一定的粗糙度和形狀誤差，在摩擦力的作用下必然是從點(diǎn)接觸開始，造成局部接觸點(diǎn)上的壓力非常高，從而在接觸點(diǎn)產(chǎn)生塑性變形，增大粘扣傾向。

2石油管螺紋連接性能的現(xiàn)狀

2.1螺紋的抗粘扣性能

2.1.1螺紋參數(shù)優(yōu)化及檢測(cè)。螺紋參數(shù)分為幾何和物理兩種。當(dāng)外螺紋中徑偏小，內(nèi)螺紋中徑偏大或者外螺紋錐度偏于下限，內(nèi)螺紋錐度偏于上限都容易造成粘扣現(xiàn)象的發(fā)生。螺紋幾何尺寸因素對(duì)粘扣性能的影響依次是中徑、接箍不圓度和錐度，其他參數(shù)影響較小。

2.1.2螺紋密封脂、鍍層及材質(zhì)。使用螺紋密封脂可以提高油套管螺紋的抗粘扣性能，螺紋密封脂在螺紋上扣時(shí)，可以減小上扣扭矩，繼而減小粘扣傾向。螺紋脂進(jìn)入螺紋面及螺紋間隙，其中的固體添料被螺紋面碾碎，發(fā)生一定的塑性變形，粘封在螺紋表面，并形成固體顆粒的聚結(jié)，在螺紋嚙和面形成密封層，能夠堵塞住螺紋存在的間隙而起到密封作用。

2.1.3現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。從油田發(fā)生的石油管事故來(lái)看，有相當(dāng)一部分是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)操作不規(guī)范引起的。現(xiàn)場(chǎng)上扣扭矩的增大，粘扣數(shù)量及粘扣程度將直線增長(zhǎng)。

2.2石油管螺紋的密封形式

目前有三種基本密封形式。無(wú)論是那一種連接密封，都必須使螺紋之間或金屬對(duì)金屬之間的耐壓能力大于石油管所承受的內(nèi)壓和外壓。都必須通過(guò)一定的上扣扭矩來(lái)保證，才能實(shí)現(xiàn)密封。

2.2.1錐形螺紋主要依靠螺紋金屬對(duì)金屬壓合，并以密封脂粒子充填間隙來(lái)進(jìn)行密封（API標(biāo)準(zhǔn)螺紋）

2.2.2金屬對(duì)金屬的封口式密封（特殊螺紋和氣密扣）

2.2.3彈性密封。

2.3幾種不易粘扣石油管螺紋

2.3.1圓螺紋不粘扣接箍提出了增大接箍螺紋起始牙的節(jié)徑，并采用一小段大錐度的“引入螺紋”作為過(guò)渡接箍，使接箍的起始牙邊緣不會(huì)刮著已擰入的螺紋，可有效地消除粘扣現(xiàn)象。

2.3.2高連接強(qiáng)度圓螺紋（HS-RTC）。HS-RTC螺紋因?yàn)楹谄ぢ菁y參加連接，除了增加螺紋連接長(zhǎng)度，減小連接處管體壁厚削弱影響外，還增加了螺紋節(jié)徑，減小了螺紋連接長(zhǎng)度上的管體周向應(yīng)力，提高石油管螺紋連接強(qiáng)度外，從根本上消除了粘扣現(xiàn)象。

2.3.3高氣密偏梯形螺紋（HT-BTC）。HT-BTC技術(shù)是將API偏梯形螺紋套管的管端加工成圓弧形的軸向過(guò)盈金屬密封面，縮短接箍長(zhǎng)度，使接箍連接的兩根石油管的端面在緊扣后相互接觸壓緊，形成封閉的金屬密封環(huán)來(lái)提高密封性能。

3影響石油管柱螺紋連接質(zhì)量的因素

3.1扭矩對(duì)螺紋連接質(zhì)量的影響

扭矩對(duì)螺紋連接強(qiáng)度的影響。對(duì)于A P I石油管，如果上扣扭矩過(guò)大，就會(huì)在螺紋的接箍和公扣之間產(chǎn)生較大的圓周應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力破壞或應(yīng)變裂紋，從而降低整個(gè)管柱的強(qiáng)度，甚至在管螺紋處斷裂。如果上扣扭矩太小，就會(huì)直接降低螺紋軸向載荷的能力，產(chǎn)生滑扣現(xiàn)象。

3.2轉(zhuǎn)速對(duì)螺紋連接質(zhì)量的影響

在下入石油管作業(yè)中，單根管柱的重力壓在石油管螺紋上，螺紋旋合時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，其熱量的多少與旋轉(zhuǎn)速度、摩擦系數(shù)和壓在螺紋面上的壓力有關(guān)。如果螺紋旋合時(shí)，轉(zhuǎn)速過(guò)快，那么，過(guò)高的轉(zhuǎn)速和壓力將破壞潤(rùn)滑環(huán)境，使石油管螺紋磨損而產(chǎn)生破壞。

3.3其它影響因素

3.3.1螺紋脂的影響。螺紋的密封性主要是靠密封脂來(lái)填充公、母螺紋之間的間隙而獲得的。質(zhì)量較好的螺紋脂摩擦系數(shù)較小，可以減小上扣扭矩，繼而可以減小粘扣傾向。螺紋脂在低溫下涂抹對(duì)粘扣沒有明顯作用。

3.3.2涂層的影響。表面處理的關(guān)鍵是在防止螺紋生銹的前提下，使化學(xué)生成的金屬膜表面具有潤(rùn)滑性。所以，金屬膜的厚度與強(qiáng)度、結(jié)晶晶粒的形態(tài)、鈍化處理的類別等，都直接影響螺紋的抗粘扣性能。

3.3.3錯(cuò)扣情況下旋合螺紋，扭矩大且螺紋損傷嚴(yán)重。

3.3.4現(xiàn)場(chǎng)下入石油管作業(yè)中對(duì)螺紋連接質(zhì)量的影響因素還包括螺紋加工精度、公差、螺紋鍍層的保護(hù)以及螺紋清潔等。

4.現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)套管螺紋質(zhì)量控制方法

4.1工具和儀器的保證

為提高下入石油管作業(yè)質(zhì)量，要有良好的設(shè)備和高精度的儀器來(lái)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

4.2現(xiàn)場(chǎng)控制螺紋連接質(zhì)量的具體措施

4.2.1作業(yè)施工前石油管的檢查和處理。按標(biāo)準(zhǔn)檢查下井管柱外觀和內(nèi)徑，檢查接箍（工廠端機(jī)緊后），公扣外露螺紋的扣數(shù)，不能超過(guò)2/5扣。

4.2.2上扣前對(duì)螺紋的檢查和處理。螺紋表面的輕度刻痕可不予處理，但縱向傷痕對(duì)螺紋的上扣扭矩及密封性能影響較大。特殊螺紋的密封表面不能有任何損傷，并使用對(duì)扣導(dǎo)向器上扣。

4.3下入石油管作業(yè)工具準(zhǔn)備

對(duì)于深井，不能使用吊卡，應(yīng)使用卡盤，否則過(guò)大的軸向應(yīng)力會(huì)使接箍變形，影響螺紋的連接質(zhì)量。

4.4螺紋密封脂的選擇與使用

螺紋密封脂要選擇正規(guī)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品。在使用中，要確保螺紋密封脂涂勻、涂夠，這樣才能有效潤(rùn)滑螺紋，防止粘扣。

4.5扭矩控制

使用TNY系列扭矩儀，對(duì)于API標(biāo)準(zhǔn)螺紋，扭矩控制在推薦的大小值之間。對(duì)于特殊螺紋石油管按廠家推薦值實(shí)施。

5結(jié)論

油套管螺紋粘扣是困擾油田生產(chǎn)重要問題之一，提高鉆井和作業(yè)行業(yè)成立專門下套管服務(wù)隊(duì)伍，使下入石油管作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和科學(xué)化。并制定合理的油套管下井操作規(guī)范 ，建立操作人員培訓(xùn)制度 ，研發(fā)性能優(yōu)良的油套管上卸扣工具。將影響螺紋連接質(zhì)量的因素（扭矩、圈數(shù)、轉(zhuǎn)速、螺紋密封脂、加工精度）嚴(yán)格控制和把關(guān)?？梢詼p少油田施工作業(yè)事故的發(fā)生和不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

參考文獻(xiàn)：

（1）侯毅.提高石油套管螺紋連接性能的三項(xiàng)技術(shù)和專利介紹[J].鋼管，2006，8

（2）趙金洲，張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊(cè)[M].中國(guó)石化出版社，2011，3

（3）蔡子波，張藝.石油管螺紋檢測(cè)技術(shù)[J].中國(guó)造船，2007，11