石油鉆具螺紋防粘扣技術(shù)及應(yīng)用

王少蘭，費(fèi)敬銀，駱立立，林西華

(西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，陜西西安 710129)

引 言

石油鉆具可重復(fù)使用次數(shù)的多少，直接影響到采油企業(yè)的生產(chǎn)成本［1］。但是，在實(shí)際鉆采過程中，油管粘扣失效時(shí)有發(fā)生，粘扣失效，輕者會損壞螺紋表面，降低鉆具使用壽命，甚至有的管材上卸扣一兩次就因嚴(yán)重粘扣不得不報(bào)廢;重者在螺紋連接處發(fā)生泄漏、脫扣甚至掉井事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)調(diào)查，約64%的失效事故源于螺紋粘扣失效(國內(nèi)此數(shù)字則高達(dá)86%)［2］。因此，分析研究鉆具粘扣原因，尋找預(yù)防粘扣的措施，防止或減少鉆具粘扣失效事故，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文總結(jié)了近年來油管螺紋抗粘扣方面的研究進(jìn)展，并簡單介紹未來防粘扣技術(shù)的研究方向。

1 粘扣現(xiàn)象及其機(jī)理

根據(jù)ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)的最新定義，粘扣是發(fā)生在相互接觸的金屬表面之間的冷焊，是螺紋表面的連續(xù)性、完整性和尺寸精度遭到破壞的一種失效現(xiàn)象［3］，其基本特征是在螺紋的表面出現(xiàn)不同程度的劃傷、拉毛，甚至出現(xiàn)刮坑、結(jié)瘤等缺陷［4］。影響螺紋粘扣性能的因素非常多，如螺紋齒形特征、配合公差、上卸扣力矩大小及螺紋脂的性質(zhì)等都影響粘扣特性，但要從根本上解決粘扣問題，必須了解粘扣現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理。為此，國內(nèi)外工程技術(shù)人員對出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了深入研究［5］。研究結(jié)果表明，粘扣實(shí)際上是四種常見磨損形式中的兩種磨損方式即粘著磨損和磨料磨損共同作用的結(jié)果［6］。

依據(jù)摩擦學(xué)理論［7］，螺紋發(fā)生粘著磨損的機(jī)理可解釋為:油套管在上卸扣過程中，螺紋旋轉(zhuǎn)面在摩擦力作用下，由于表面粗糙度和形狀誤差等原因，接觸點(diǎn)處壓力過高，若該壓力超過材料的屈服強(qiáng)度，會導(dǎo)致受壓部位產(chǎn)生塑性變形。在塑性變形中如果沒有鍍層存在，或者鍍層在切向運(yùn)動時(shí)發(fā)生了破裂損壞，在溫度作用下接觸點(diǎn)兩側(cè)會發(fā)生局部再結(jié)晶、擴(kuò)散、熔化等，互相接觸的表面之間極易發(fā)生粘合，產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象。若金屬間作用力較大，會進(jìn)一步發(fā)生相對滑動或旋轉(zhuǎn)，引起冷焊部位的撕裂。若在上卸扣過程中，摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散去，或潤滑劑的高溫耐壓性能不好，粘著現(xiàn)象更為嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)“熱焊”現(xiàn)象。如果摩擦副是由同種材質(zhì)或晶格結(jié)構(gòu)相似的異種材料構(gòu)成，粘著現(xiàn)象更容易發(fā)生。

通過上述分析可知，鉆具螺紋發(fā)生粘扣的過程，是由局部高接觸應(yīng)力作用下金屬表面相對滑動造成的，實(shí)際上是先發(fā)生粘著磨損，粘著磨損產(chǎn)生的顆粒與摩擦副產(chǎn)生刮削作用引起磨料磨損，在各因素綜合作用下導(dǎo)致螺紋失效。

粘扣現(xiàn)象頻繁發(fā)生，危害嚴(yán)重，提高油套管螺紋的抗粘扣性能具有重要意義，如何提高鉆具螺紋的抗粘扣性能受到有關(guān)人士的重視。目前人們采用不同的方法來提高油套管螺紋的抗粘扣性能，如優(yōu)化螺紋參數(shù)、開發(fā)新型抗粘扣螺紋脂、新的螺紋表面處理方法等，極大提高了鉆具螺紋的抗粘扣性能。

2 常用的防粘扣方法

2.1 優(yōu)化螺紋參數(shù)

鉆具螺紋參數(shù)對油套管螺紋的抗粘扣性能有很大的影響，合理優(yōu)化螺紋參數(shù)可在一定程度上減輕粘扣。螺紋參數(shù)主要包括螺紋錐度和螺距、齒形角、緊密距等［8］。研究發(fā)現(xiàn)［9］，當(dāng)內(nèi)外螺紋錐度和螺距有偏差或齒形角角度不同時(shí)，在上卸扣過程中易造成螺紋受力不均勻，局部應(yīng)力較大的部位最先發(fā)生粘扣，進(jìn)而引發(fā)大面積范圍內(nèi)的嚴(yán)重粘扣。常利用優(yōu)化螺紋參數(shù)來避免該種因素引發(fā)的粘扣現(xiàn)象。

螺紋表面粗糙度也影響其抗粘扣性能。若起始扣螺紋有毛刺，會使材料的摩擦系數(shù)變大，摩擦力隨之增大，粘扣較易發(fā)生。反之，螺紋表面粗糙度越小，摩擦系數(shù)和摩擦力就越小，粘扣越不易發(fā)生［10］。A.Ertas［6］采用簡單試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛吮砻娲植诙葘τ途苷晨坌阅艿挠绊?。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，即使很小的壓力也會使表面粗糙度較高的模型發(fā)生粘扣。

隨著油氣田鉆探環(huán)境的日益惡劣，為滿足油田對高溫、高壓和超深井的勘探開發(fā)需要，已研制出上扣容易且不易錯(cuò)扣的特殊扣型螺紋，在一定程度上提高了鉆具的抗粘扣性能。但是，從各種粘扣失效分析中發(fā)現(xiàn)，即使螺紋參數(shù)符合美國石油協(xié)會(API)標(biāo)準(zhǔn)、表面粗糙度低或使用特殊扣型螺紋，粘扣失效仍在發(fā)生，故該法并不能很好地解決粘扣問題。

2.2 螺紋脂的合理使用

內(nèi)外螺紋摩擦干涉，螺紋表面溫度急劇升高，發(fā)生粘結(jié)并進(jìn)而出現(xiàn)粘扣。為了減少內(nèi)外螺紋摩擦，上扣時(shí)常采用螺紋脂。螺紋脂是在上扣前涂抹到油管連接螺紋上的一種物質(zhì)，在上扣時(shí)起潤滑作用，在服役時(shí)可以抵抗內(nèi)外壓力起到輔助密封作用［11］。螺紋脂在螺紋上緊過程中能減少螺紋表面的摩擦力，提高螺紋的抗粘扣性能。

中國石油天然氣集團(tuán)發(fā)明了一種防粘扣鉆具螺紋脂，具有良好的化學(xué)、物理穩(wěn)定性，粘附性好，可與金屬表面形成一層具有潤滑性的膜，該層膜具有良好的滑移性，可有效吸收由螺紋傳遞來的各種載荷和能量，盡可能有效的防止同材質(zhì)金屬螺紋表面的接觸，有效防止鉆具螺紋發(fā)生粘扣，減少其發(fā)生粘著磨損的傾向。與普通鉆具螺紋脂相比，在現(xiàn)場重復(fù)多次使用中，螺紋鉆桿磨損程度明顯減小，出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象明顯降低［12］。

雖然螺紋脂可起到一定的潤滑作用，對減輕粘扣傾向有幫助，但螺紋脂長期在井下較高的溫度下服役，油脂會液化分離、析出并揮發(fā)，使得螺紋脂體積收縮，在螺紋配合面產(chǎn)生間隙，形成泄漏通道，出現(xiàn)泄漏，螺紋脂失去了原有的潤滑作用［13］。此外螺紋脂中含有大量的重金屬鉛、鋅等，在螺紋上扣過程中及上扣后，螺紋脂可能隨油脂流出，對周圍的環(huán)境和水資源造成污染［14］。

2.3 表面處理

2.3.1 滲 氮

滲氮過程是滲入元素通過加熱，分解為活性氮原子被鋼鐵表面吸收，并進(jìn)一步向內(nèi)層擴(kuò)散而形成一定厚度的氮化層。氮化層硬度較高、抗疲勞性好和耐蝕性好，主要用于溫度較高的弱腐蝕介質(zhì)工作條件下的零件表面耐磨處理，有較好的抗粘著磨損及腐蝕磨損能力。氮化工藝有氣體氮化、離子氮化和軟氮化，其中軟氮化常用于接箍表面的性能改善。軟氮化在較短時(shí)間內(nèi)在鋼表面形成N—C共滲硬化層，有良好的抗粘著和抗擦傷性。軟氮化處理后，表層組織由化合物層與擴(kuò)散層組成?；衔飳右澡F的氮化物為主，厚度在幾微米到幾十微米，對改善材料耐磨性，特別是抗粘著性能起主要作用。擴(kuò)散層的組織是向內(nèi)擴(kuò)散的氮原子與基材中其他元素生成的各種氮化物組成，如(Cr、Mn)3N、CrN 等［15］。

肖建洪［16］將J55油管段內(nèi)外壁除銹，放入真空氮化爐氮化處理8h后取出，將試樣進(jìn)行上卸扣試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣經(jīng)9次上卸扣，無粘扣現(xiàn)象發(fā)生，且磨損現(xiàn)象減少。

2.3.2 鍍 鋅

鍍鋅是應(yīng)用較廣泛的金屬防腐方法之一，由于鋅金屬比鐵金屬活潑，可有效保護(hù)鋼鐵，降低其腐蝕速率;另一方面，鋅金屬的腐蝕產(chǎn)物，可使自身腐蝕速率減慢，并且用鍍鋅層保護(hù)鋼材成本較低，故鍍鋅在金屬防腐領(lǐng)域使用較為廣泛。常見的鍍鋅工藝有氰化物鍍鋅、氯化鉀鍍鋅、硫酸鹽鍍鋅等。其中氰化鍍鋅效果最好，鍍液分散性能和覆蓋能力良好，在鍍層δ達(dá)30μm以上時(shí)，與基體結(jié)合力良好，鍍液中含有的氰化鈉具有良好的除油作用，即使施鍍前除油工藝不徹底，鍍層與基體的結(jié)合力也不會有較大影響，克服了鋼鐵上鍍金屬結(jié)合力差的問題［17］。

將鍍鋅技術(shù)用于螺紋的防粘扣改性是受滲鋅技術(shù)的啟發(fā)而探索出的新工藝。但是，鍍鋅層脆性較大，熔點(diǎn)較低(419.5℃)，上卸扣過程中產(chǎn)生的高溫亦會熔化鋅鍍層，在上卸扣過程中鍍鋅層有時(shí)會出現(xiàn)剝落，而且鋅鍍層致密度及延展性均不及銅鍍層，并且氰化鍍鋅鍍液有劇毒，會污染環(huán)境，要采取相應(yīng)的后處理措施。因此，采用鍍鋅法來改善螺紋的抗粘扣性能并不十分理想［18］。

2.3.3 磷 化

磷化處理適用于鋼鐵部件以及鍍鉻和鍍鋅的鐵部件。磷化是化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成磷化膜(磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜)的過程，磷化膜表面結(jié)晶均勻、致密、牢固、完整，顏色為灰色或灰黑色［18］。磷化處理可在一定程度上降低鉆具粘扣失效，主要在于磷化處理后，在鉆具表面形成磷化膜，其表面存在空隙，可儲存一定量的潤滑油，改善了旋合螺紋的潤滑效果［19］。磷化膜的存在，避免鉆具螺紋表面間、鉆具與周圍介質(zhì)的直接接觸，改善了表面的接觸狀況和受力情況，有效保護(hù)鉆具［20］。管材研究所的熊慶人等［21］研究發(fā)現(xiàn)，螺紋表面厚度適宜、分布均勻、連續(xù)、致密與基體結(jié)合緊密、牢固的磷化膜有助于提高套管的抗粘著性能，采用鋅錳系磷化液能夠得到抗粘著性能較好的磷化膜層。

螺紋磷化使用較多的主要有磷化膏和磷化液兩種工藝，磷化膏處理所需時(shí)間較長，工作效率低，生產(chǎn)成本較高。磷化液處理工藝簡便，成本低廉，生產(chǎn)效率高，因此，磷化液處理技術(shù)經(jīng)常用于鉆具螺紋表面防護(hù)［22-23］。陳湖濱等［24］采用鋅鈣系磷化液進(jìn)行鉆具螺紋磷化處理，磷化后對鉆具螺紋進(jìn)行現(xiàn)場使用試驗(yàn)。結(jié)果表明磷化處理后鉆具防銹、減磨和抗粘扣效果良好。對磷化后的鉆具進(jìn)行跟蹤檢測結(jié)果表明，磷化后鉆具螺紋的使用損壞率顯著下降，延長了鉆具使用壽命，取得了顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

但是磷化后暫時(shí)存放的鉆具必須進(jìn)行防腐處理，否則在自然條件下，有灰塵附著，易銹蝕，失去磷化效果;并且磷化膜較脆且結(jié)晶粗大，常常出現(xiàn)膜層剝落。此外，磷化處理對鉆具的材質(zhì)有明顯的選擇性，如碳鋼基材容易磷化，而合金鋼、高鉻鋼、不銹鋼及鎳基合金等不易進(jìn)行磷化處理。所以，僅依靠磷化處理不能滿足近年來新開發(fā)鉆具的粘扣要求［25］。

2.3.4 鍍 銅

鍍銅層具有最好的抗粘扣性能［26］。Matsuki等［27］曾在相同條件下研究了鍍銅、鍍鋅、鍍鎳、鍍鉻和磷化等不同的表面處理技術(shù)對材料抗粘扣性能的影響。結(jié)果表明，具有高熔點(diǎn)低硬度的鍍銅層是有效的抗粘扣表面處理方法。金屬銅具有熔點(diǎn)高、硬度低與鋼鐵材料晶格參數(shù)差異大等特點(diǎn)，鍍銅層具有良好的韌性、延展性及與基體良好的結(jié)合力，故抗粘扣性能優(yōu)于其他表面處理技術(shù)。在上卸扣過程中，油管螺紋的過盈配合會使螺紋接觸表面產(chǎn)生摩擦熱量，使接觸面溫度較高，而鍍銅層熔點(diǎn)很高，摩擦熱量不至于使鍍層熔化，破壞鍍層。銅鍍層的低硬度有利于潤滑劑發(fā)揮作用，不會因潤滑失效而損傷金屬基體［28］。銅鍍層具有良好的韌性、延展性及與金屬基體良好的結(jié)合力，在反復(fù)上卸扣過程中鍍層仍能保持完整，不易破裂和剝落，繼續(xù)起到潤滑膜的作用。故螺紋表面鍍銅是防止鉆桿、油套管螺紋粘扣的理想方法［29］。

文獻(xiàn)［30-31］采用氰化鍍鋅、氰化鍍銅、滲鋅、鋅磷化和錳磷化等方式處理油管接箍，鍍層δ為12μm，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)不同方法抗粘扣效果。結(jié)果表明，接箍鍍銅能明顯提高油管抗粘扣性能，極大延長了油管的使用壽命。張毅等［32］將鍍銅、磷化和未處理三組油管進(jìn)行反復(fù)上卸扣試驗(yàn)。結(jié)果表明，未經(jīng)表面處理的油管內(nèi)外螺紋表面最易粘扣，磷化處理后的接箍在美國石油協(xié)會(API)規(guī)定的最大扭矩下(7.05kN·m)使用，不發(fā)生粘扣;當(dāng)上扣扭矩達(dá)到 API推薦最大值的1.75倍(12.4kN·m)時(shí)，螺紋表面粘扣現(xiàn)象嚴(yán)重。鍍銅處理后的接箍在上扣扭矩達(dá)到API推薦最大值二倍(14.1kN·m)時(shí)，螺紋表面才發(fā)生輕度粘扣，說明其抗過扭矩能力較強(qiáng)。究其原因，內(nèi)、外螺紋組成的摩擦副為相同金屬或互溶性大的材料時(shí)，粘著傾向較大，易發(fā)生粘扣失效;而異性金屬或互溶性小的材料組成的摩擦副粘著傾向小，不易引起粘扣。鍍銅比磷化的抗粘扣性能好，主要原因是銅屬于面心立方金屬，鋼鐵屬于體心立方金屬，硬度差較大，互溶性小，且鍍銅層分布均勻、鍍層較厚，故鍍銅的抗粘扣性能和密封耐壓性明顯好于磷化［33-34］。

目前，主要有三大類鍍銅工藝，氰化鍍銅、焦磷酸鹽鍍銅和酸性硫酸鹽鍍銅。氰化鍍銅因使用劇毒氰化物而對環(huán)境造成污染，已逐漸淡出市場。焦磷酸鹽鍍銅在鋼鐵基體上直接電鍍結(jié)合不良，鍍速較慢，鍍液成本高。酸性硫酸鹽鍍銅結(jié)合力差，不能在鐵表面直接鍍銅，需要預(yù)鍍其它鍍層［35］。現(xiàn)有鍍銅技術(shù)的種種問題，需要研制新型螺紋鍍銅工藝，使其環(huán)境友好、在不同機(jī)體表面結(jié)合力良好、沉積速率快，才能合理解決石油鉆采機(jī)具的粘扣問題［36］。

2.3.5 其他表面處理方法

滲鋅技術(shù)在石油煉制行業(yè)有較普遍的應(yīng)用。鋅分子在低于其熔點(diǎn)的高溫下有較大的活性，可通過鋼鐵的晶界滲入鋼中與其反應(yīng)生成鐵-鋅合金，該合金層抗大氣腐蝕能力很強(qiáng)，可在一定程度上提高鋼鐵件的耐蝕性。且滲鋅技術(shù)要求的溫度較低，當(dāng)處理形狀比較復(fù)雜的零部件時(shí)，滲鋅層厚度較均勻;且一般滲鋅層與基體間為冶金結(jié)合，結(jié)合力較強(qiáng)，很難發(fā)生鍍層剝落。目前，滲鋅應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，在石油、化工、電力及機(jī)械等各工業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。表面滲鋅處理雖能有限度地提高抗粘扣性能，但效果并不明顯，原因在于滲鋅層的硬度太高，在上卸扣過程中鋼基體容易受到損傷，并導(dǎo)致螺紋的粘扣;并且鋅分子滲入鋼中生成鐵鋅合金使其體積發(fā)生變化產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致滲鋅層結(jié)合強(qiáng)度降低;并且滲鋅法難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)［37］。

滲硼是使工件表面獲得FeB、Fe2B等硼化物的工藝過程。應(yīng)用上常見的滲硼層δ為70～120μm。滲硼層由單相(Fe2B)或雙相(Fe2B+FeB)組成，雙相結(jié)構(gòu)一般很脆，對耐磨性不利。幾乎所有鋼鐵材料都可以滲硼，但最好的滲硼材料是碳鋼、低合金鋼或鑄鋼，上述材料的滲硼層齒形狀牢固的與基體相連接，硬度高，抗磨料磨損性能和抗粘著磨損性能均不錯(cuò)。主要原因是氧化鐵的硬度比硼化鐵的硬度低，在摩擦狀況下形成的氧化層對硼化層起保護(hù)作用，而不易發(fā)生粘著磨損［15］。

鍍鎳層具有優(yōu)良的化學(xué)性能和力學(xué)性能，在電刷鍍技術(shù)中應(yīng)用最廣泛。鍍鎳層有較高的硬度和較好的塑性，在常溫下能很好地抵抗大氣、堿和某些酸的腐蝕。在金屬表面處理領(lǐng)域，一般不單獨(dú)用鎳層做保護(hù)性鍍層，鎳多用作復(fù)合鍍層的中間層，以提高零部件的耐蝕性和耐磨性。實(shí)踐證明，在螺紋表面鍍鎳可以有限地提高其抗粘扣能力［38］。但是，鎳與鐵屬于同族金屬，其化學(xué)性質(zhì)、晶格參數(shù)與鐵相似，上卸扣時(shí)產(chǎn)生的高溫環(huán)境，很容易促使鎳與鋼鐵基體之間發(fā)生互熔并產(chǎn)生粘著磨損［39］。因此，用鍍鎳方法來改善桿、管螺紋的抗粘扣性能，也不可能有太好的結(jié)果［40］。

3 結(jié)論

石油套管螺紋粘扣失效，輕者會損壞螺紋表面，降低其使用壽命，甚至有的管材上卸扣一兩次就不得不報(bào)廢;重者會在油管螺紋連接處發(fā)生泄漏，甚至導(dǎo)致脫扣，使眾多管材掉入井中，使整口井報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，分析研究石油套管粘扣原因，尋找預(yù)防粘扣的措施，防止或減少石油套管發(fā)生粘扣失效事故，具有十分重要的意義?，F(xiàn)有各種防粘扣技術(shù)，可在一定程度上有效降低粘扣發(fā)生的概率，針對其存在的問題，目前防粘扣技術(shù)的研究方向集中在研制新的防粘扣技術(shù)，使其環(huán)境友好，性能優(yōu)良。

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