鉆鋌螺紋應(yīng)力分散槽結(jié)構(gòu)改進(jìn)

馬福保，連 華，陳社謙，賈建青，趙 瑜

（1.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，太原030009；2.中石油華北油田公司 采油四廠，河北 廊坊065000）①

鉆鋌在井眼中承受的載荷非常復(fù)雜，特別是鉆鋌接頭，同時(shí)承受內(nèi)壓、外壓、軸向載荷、彎曲載荷和轉(zhuǎn)矩的作用，鉆鋌在鉆進(jìn)過(guò)程中還承受著動(dòng)載的作用，在復(fù)雜載荷作用下，鉆鋌發(fā)生斷裂失效的現(xiàn)象普遍存在［1］。通過(guò)大量的鉆鋌失效調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其失效部位大部分集中在螺紋連接處。根據(jù)大港油田近30a鉆鋌螺紋失效統(tǒng)計(jì)，內(nèi)螺紋斷裂占34%，外螺紋斷裂占66%；四川川東地區(qū)1996～1997年發(fā)生的303起鉆具失效事故中，鉆鋌失效達(dá)137次，占45.2%，在失效類(lèi)型中，連接螺紋失效達(dá)222次，占73.3%，其中發(fā)生在公扣處的失效達(dá)131次，占59.0%；大慶油田鉆鋌螺紋損壞占鉆鋌失效總數(shù)的88.4%，因此鉆鋌損壞基本上都發(fā)生在鉆鋌螺紋連接處［2］。研究表明，在鉆鋌的內(nèi)、外螺紋消失處加工應(yīng)力分散槽，減輕應(yīng)力集中，是減少鉆具失效的途徑之一。雖然帶應(yīng)力分散槽的鉆具在螺紋部位發(fā)生斷裂事故有所減少，但仍然存在。塔里木油田CXL5井在鉆井過(guò)程中，1個(gè)月內(nèi)發(fā)生了5起鉆具斷裂事故造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失［3］。某油田2002～2004年鉆具失效統(tǒng)計(jì)結(jié)果：鉆具失效次數(shù)最多的是鉆鋌，占鉆具失效總數(shù)的63.1%；對(duì)油、氣井2002～2004年不同類(lèi)型鉆鋌失效次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果：油、氣井鉆鋌內(nèi)螺紋接頭斷裂失效次數(shù)最多，占44.6%；其次為鉆鋌外螺紋斷裂失效，占28.4%。為了解決鉆鋌斷裂問(wèn)題，該油田新購(gòu)鉆鋌和修復(fù)鉆鋌全部要求加工應(yīng)力分散槽。應(yīng)力分散槽的結(jié)構(gòu)形狀有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)形狀，也有自己設(shè)計(jì)的應(yīng)力減輕槽形狀［4］。因此，采用何種結(jié)構(gòu)的螺紋應(yīng)力分散槽引起了人們的關(guān)注，進(jìn)一步探討鉆鋌螺紋應(yīng)力分散槽的結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)減少鉆具失效意義重大。

1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鉆鋌螺紋應(yīng)力分散槽的要求

API Spec7《旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備規(guī)范》（1985年，第35版）較早地在標(biāo)準(zhǔn)中明確給出了螺紋應(yīng)力分散槽。參考API Spec7，我國(guó)于1987年4月首次發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY5144—1986《鉆鋌》［5］，其中關(guān)于螺紋應(yīng)力分散槽的規(guī)定如圖1～2所示。GB9253.1—1988《石油用螺紋和量規(guī)》中的應(yīng)力分散槽等效采用了API Spec7第35版。

圖1 內(nèi)螺紋應(yīng)力分散槽

圖2 外螺紋應(yīng)力分散槽

SY／T5144—1997《鉆鋌》［6］是 SY5144—1986第1次修訂版。該標(biāo)準(zhǔn)參考了API Spec7《旋轉(zhuǎn)鉆井鉆柱構(gòu)件規(guī)范》（1994年4月，第38版）的有關(guān)技術(shù)內(nèi)容，本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)內(nèi)螺紋應(yīng)力槽分散槽進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，如圖3所示，并將圖1所示的內(nèi)螺紋應(yīng)力分散槽作為一種替代的內(nèi)螺紋連接部位應(yīng)力分散槽，外螺紋應(yīng)力分散槽保持不變，如圖2所示。

圖3 內(nèi)螺紋內(nèi)孔應(yīng)力分散槽

SY／T5144—2007《鉆 鋌》［7］是 SY／T5144—1997的升級(jí)版。該標(biāo)準(zhǔn)參考了API Spec7《旋轉(zhuǎn)鉆井鉆柱構(gòu)件規(guī)范》（2001年11月，第40版）的有關(guān)技術(shù)內(nèi)容，保留了SY／T5144—1997中的應(yīng)力分散槽，并完善了內(nèi)螺紋應(yīng)力分散槽的結(jié)構(gòu)表達(dá)，如圖4所示。避免了SY／T5144—1997中內(nèi)螺紋應(yīng)力槽結(jié)構(gòu)的理解歧義。

GB／T22512.2—2008《石油天然氣工業(yè) 旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備 第2部分：旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩式螺紋連接的加工與測(cè)量》［8］中關(guān)于應(yīng)力分散槽的要求與SY／T5144—2007《鉆鋌》一致。

圖4 內(nèi)螺紋內(nèi)孔應(yīng)力分散槽

即將出版的SY／T5144—2013《鉆鋌》是SY／T5144—2007的最新升級(jí)版。保留了螺紋應(yīng)力分散槽結(jié)構(gòu)，并與GB／T22512.2—2008相統(tǒng)一。

2 原有結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

主要討論鉆鋌內(nèi)螺紋應(yīng)力分散槽的結(jié)構(gòu)。內(nèi)、外螺紋連接后如圖5所示。

圖5 NC50內(nèi)、外螺紋連接結(jié)構(gòu)

以177.8mm鉆鋌接頭（內(nèi)徑71.4mm）螺紋NC50－70為例，分析內(nèi)、外螺紋帶應(yīng)力分散槽時(shí)嚙合的具體情況。NC50－70螺紋的尺寸如下：

內(nèi)螺紋臺(tái)肩面至最后一牙刻痕長(zhǎng)度Lx＝101.6 mm，內(nèi)螺紋件圓柱段直徑Dcb＝117.48mm，內(nèi)螺紋大端小徑D2＝128.07mm，大端擴(kuò)孔長(zhǎng)度為15.9 mm，螺距P＝6.35mm?？捎?jì)算出：內(nèi)螺紋完整扣（內(nèi)螺紋端面至完整扣處A點(diǎn)，內(nèi)螺紋小徑輪廓線與內(nèi)螺紋件圓柱段直徑Dcb的交點(diǎn)）長(zhǎng)度L＝63.54 mm，倒角寬度B＝7mm，從而得出：實(shí)際完整扣長(zhǎng)L1＝L－15.9－B＝40.64mm。螺距 P＝6.35 mm，完整扣牙數(shù)6.4。對(duì)內(nèi)螺紋而言，在長(zhǎng)度Lx范圍內(nèi)只有6牙處于完全嚙合狀態(tài)，其余處于半嚙合或非嚙合狀態(tài)，半嚙合長(zhǎng)度為31.62mm，而且嚙合的牙型高度由完整牙高逐漸過(guò)渡為零。對(duì)外螺紋而言，外螺紋長(zhǎng)度Lpc＝114.3mm，在長(zhǎng)度Lpc范圍內(nèi)，臺(tái)肩面至內(nèi)、外螺紋的嚙合末點(diǎn)A1（外螺紋大徑輪廓線與內(nèi)螺紋件圓柱段直徑Dcb的交點(diǎn)）長(zhǎng)度95.16 mm，其余19.14mm處于自由懸臂狀態(tài)。

通過(guò)以上分析，內(nèi)、外螺紋帶應(yīng)力分散槽時(shí)，存在的主要問(wèn)題是：嚙合的完整扣長(zhǎng)度縮短，部分處于半嚙合狀態(tài)，而且外螺紋有部分扣處于懸空自由狀態(tài)。這樣可引起鉆鋌螺紋在復(fù)雜載荷的作用下，容易在A1截面發(fā)生斷裂失效，這與近幾年來(lái)鉆鋌內(nèi)螺紋在距其端面80～100mm處發(fā)生斷裂的失效形式基本吻合。圖6為帶應(yīng)力槽的203mm鉆鋌內(nèi)螺紋斷裂情況。

另外，帶有應(yīng)力分散槽的鉆鋌一旦螺紋損壞需要修復(fù)時(shí)，鉆鋌端部需切棄一定長(zhǎng)度后才能重新加工螺紋，不同規(guī)格的鉆鋌要切棄的長(zhǎng)度為70～100 mm，因而，鉆鋌材料浪費(fèi)相當(dāng)大，并且進(jìn)一步縮短了鉆鋌的使用壽命。

圖6 鉆鋌內(nèi)螺紋斷裂實(shí)例

3 螺紋應(yīng)力分散槽對(duì)彎曲強(qiáng)度比的影響

SY／T6288—2007《鉆桿和鉆鋌選用作法》［9］中6.1.2.2規(guī)定，鉆鋌內(nèi)、外螺紋接頭的彎曲強(qiáng)度比按下式計(jì)算：

其中

式中：BSR為鉆鋌彎曲強(qiáng)度比；ZB為內(nèi)螺紋接頭截面模數(shù)，mm3；ZP為外螺紋接頭截面模數(shù)，mm3；DC為內(nèi)、外螺紋接頭外徑，mm；b為外螺紋末端處的內(nèi)螺紋牙根直徑，mm；DR為距外螺紋接頭臺(tái)肩19.05 mm處外螺紋的牙根直徑，mm；d為鉆鋌內(nèi)徑，mm；C為螺紋基面中徑，mm；tpr為錐度，mm／mm；Lpc為外螺紋錐部長(zhǎng)度，mm；a為齒高，mm；H 為原始三角形高度，mm；frn為牙底削平高度，mm。

查閱GB／T 22512.2—2008可得：C＝128.059 mm；tpr＝1∶6；H＝5.487mm；frn＝0.965mm。將以上數(shù)據(jù)分別代入式（2）～（4），可得：a＝1.778 5 mm；b＝115.212mm；DR＝123.973mm。

由于內(nèi)、外螺紋帶有應(yīng)力分散槽，需對(duì)b和DR做修正，外螺紋末端有19.14mm處于懸臂自由狀態(tài)，可推出：b＝C－tpr（Lpc－15.875－19.14）＋2a＝118.405mm。

外螺紋件的槽直徑DRG＝120.45mm，所以，修正后的DR＝DRG＝120.45mm。查閱SY／T 5144—2007可得：D＝177.8mm；d＝71.4mm。將Dc、d及修正后的b、DR代入式（1）即可得BSR＝2.95。

177.8mm 鉆鋌接頭（內(nèi)徑71.4mm）螺紋NC50－70不帶應(yīng)力分散槽時(shí)，彎曲強(qiáng)度比BSR＝2.73。

根據(jù)API RP7G推薦平衡連接（所謂平衡連接就是指內(nèi)、外螺紋抗疲勞性能大致相當(dāng)）時(shí)，BSR＝2.5。通?？山邮艿腂SR為1.9～3.2，根據(jù)實(shí)際情況而定。由以上計(jì)算看出，螺紋加工應(yīng)力分散槽后，彎曲強(qiáng)度比略有提高，但在推薦范圍內(nèi)。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議

針對(duì)內(nèi)螺紋螺紋應(yīng)力分散槽存在的問(wèn)題，提出內(nèi)螺紋應(yīng)力分散槽的改進(jìn)思路，①加長(zhǎng)內(nèi)螺紋完整扣長(zhǎng)度，使之與外螺紋長(zhǎng)度相同，以增加螺紋有效嚙合牙數(shù)，相應(yīng)地減小內(nèi)螺紋件圓柱段直徑Dcb，使之與內(nèi)螺紋完整扣處（A′點(diǎn)）的小徑相同。②內(nèi)螺紋應(yīng)力分散槽后孔圓柱段長(zhǎng)度由原50.8mm增加到88.9mm。改進(jìn)后的內(nèi)螺紋內(nèi)孔應(yīng)力分散槽結(jié)構(gòu)如圖7所示。以NC50為例，完整扣長(zhǎng)L＝114.3 mm，Dcb＝109mm。

圖7 改進(jìn)后的內(nèi)螺紋內(nèi)孔應(yīng)力分散槽結(jié)構(gòu)

外螺紋應(yīng)力分散槽保持不變。研究結(jié)果表明：帶有應(yīng)力減輕槽的外螺紋具有較小的應(yīng)力集中，特別是API標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力減輕槽的應(yīng)力集中最小，因此抗疲勞性能最佳，建議外螺紋采用這種應(yīng)力減輕槽結(jié)構(gòu)［10］。

5 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的內(nèi)螺紋應(yīng)力分散槽，保證了內(nèi)、外螺紋嚙合的完整性。改善了應(yīng)力在軸向的分布狀況，具有明顯的應(yīng)力減輕效果。當(dāng)鉆鋌螺紋損壞需要修復(fù)時(shí)，切棄的端部長(zhǎng)度縮短，可增加修復(fù)次數(shù)，延長(zhǎng)鉆鋌的使用壽命。

［1］王文云，湯云霞，朱明峰.鉆鋌螺紋失效分析及解決措施［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（12）：45－48.

［2］朱榮東，陳平，夏宏泉，等.鉆鋌螺紋的有限元分析及應(yīng)力分散槽優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，30（2）：138－141.

［3］呂栓錄，楊棟，楊成新，等.CXL5井鉆具斷裂原因分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（10）：66－70.

［4］呂栓錄，倪淵詮，楊成新，等.某油田鉆具失效統(tǒng)計(jì)分析［J］.理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2012，48（6）：415－418.

［5］SY5144—1986，鉆鋌［S］.

［6］SY／T5144—1997，鉆鋌［S］.

［7］SY／T5144—2007，鉆鋌［S］.

［8］GB／T22512.2—2008，旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備 第2部分：旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩式螺紋連接的加工與測(cè)量［S］.

［9］SY／T6288—2007，鉆桿和鉆鋌選用作法［S］.

［10］陳勇，林元華，施太和，等.公螺紋應(yīng)力減輕槽效果分析［J］.石油鉆采工藝，2004，26（6）：18－20.