芻議當(dāng)前石油鉆具螺紋防粘扣技術(shù)及應(yīng)用

韓翔

摘 要：石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象是石油作業(yè)過程中最常見的損傷失效形式，針對因螺紋卸不開扣的部分鉆桿，嚴(yán)重時只能采取氣割將其強(qiáng)制分離的方法，制約了石油的生產(chǎn)，導(dǎo)致石油企業(yè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。文章通過對鉆具螺紋粘扣機(jī)理、現(xiàn)象和各種類型防粘扣方法優(yōu)缺點(diǎn)的分析，探討出行之有效的石油鉆具螺紋防粘扣技術(shù)。

關(guān)鍵詞：石油鉆具；螺紋防粘扣技術(shù)；實(shí)際應(yīng)用

中圖分類號：TE921.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）26-0015-02

石油工程企業(yè)生產(chǎn)成本直接受到石油鉆具可重復(fù)使用的次數(shù)多少影響。而鉆桿粘扣失效的情況在石油的實(shí)際鉆采過程常有發(fā)生，石油鉆具螺紋粘扣不僅會造成螺紋表面損壞，降低石油鉆具的使用壽命，還有可能在卸扣幾次后導(dǎo)致石油鉆具螺紋嚴(yán)重粘扣而報(bào)廢，更甚者，螺紋連接處不但會出現(xiàn)泄露脫扣問題，還會發(fā)生落井事故，這給石油工程企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失無疑是巨大的。

據(jù)資料顯示，我國有高達(dá)86%的石油鉆具失效事故皆是因?yàn)槁菁y粘扣失效引起。由此，深入探析石油鉆具螺紋粘扣原因，分析關(guān)于防止粘扣問題的措施，并降低石油鉆具粘扣失效事故概率，對于石油工程企業(yè)而言有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文主要針對當(dāng)前石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象，總結(jié)出行之有效的防粘扣技術(shù)，為同行提供扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并為促進(jìn)防粘扣技術(shù)的完善提供具參考價(jià)值的意見。

1 石油鉆具螺紋粘扣概述與粘扣現(xiàn)象的基本情況

按照最新的ISO13679標(biāo)準(zhǔn)的定義所謂的石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象，主要是指兩個相互發(fā)生接觸的金屬表面的冷焊現(xiàn)象。若金屬面再次進(jìn)行相對活動旋轉(zhuǎn)，還會引起粘扣處即發(fā)生冷焊的部分撕裂。從金屬學(xué)角度來劃分，石油鉆具螺紋在旋合過程中產(chǎn)生粘扣現(xiàn)象屬于粘著磨損。通俗來說，在壓力、溫度、速度過高的加載作用下，鉆具金屬面彈塑性的變形也就是發(fā)生損傷，被潛入或擠壓剝落金屬劃出犁溝的整個過程就是石油鉆具螺紋粘扣。粘扣現(xiàn)象甚者不但會引起局部組織變形的情況，還容易出現(xiàn)加上螺紋粘扣的馬氏體。

石油鉆具螺紋粘扣是很多井隊(duì)都容易出現(xiàn)的問題，而針對粘桿螺紋卸不開扣的現(xiàn)象，井隊(duì)常利用氣割割開方法，但這對鉆井生產(chǎn)的影響極大，會導(dǎo)致石油工程企業(yè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)石油鉆具發(fā)生螺紋刺扣和粘扣問題時，管具公司有關(guān)人員必須對井場內(nèi)新修復(fù)且還未投入使用的粘桿螺紋采用螺紋量規(guī)等進(jìn)行重新的檢驗(yàn)，務(wù)必保證錐度等達(dá)到質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)。并且管具公司要對庫存石油鉆具螺紋的長度、錐度等主要指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。石油鉆具螺紋粘扣是石油鉆具使用過程中最常見的損傷失效形式。石油鉆具螺紋粘扣不但會損壞鉆具，還會導(dǎo)致鉆具的滑落促使整個油井報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，研究石油鉆具螺紋粘扣防止技術(shù)將有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 石油鉆具螺紋粘扣的機(jī)理和原因

2.1 石油鉆具螺紋粘扣機(jī)理

從摩擦學(xué)理論角度來看，石油鉆具螺紋粘扣機(jī)理則是：上卸扣鉆具的過程中，在摩擦力作用下螺紋旋轉(zhuǎn)面因?yàn)槠浔砻嫘螤钫`差、粗糙度等因素，以及摩擦接觸點(diǎn)材料的壓力過高并超出其屈服強(qiáng)度，而造成受壓部分的塑性變形，同時由于塑性變形的鍍層缺失，或是鍍層在切向運(yùn)動時出現(xiàn)破裂時，在溫度急劇上漲的情況下接觸點(diǎn)兩側(cè)會出現(xiàn)局部的融化結(jié)晶甚至再擴(kuò)散等，就極易導(dǎo)致互相接觸的兩個表面間出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象即粘合。若此時接觸面再次發(fā)現(xiàn)相對旋轉(zhuǎn)活動時，還將發(fā)生冷焊部分撕裂的情況。此外，如果上卸扣過程中沒能及時散去摩擦產(chǎn)生的熱量，或是采用高溫耐壓性能較低的潤滑劑，將導(dǎo)致更加嚴(yán)重的粘著現(xiàn)象即熱焊現(xiàn)象。還有，由材質(zhì)相同或晶格結(jié)構(gòu)較為相似的異種材料構(gòu)成的摩擦副，也會造成石油鉆具螺紋粘扣問題。

從金屬角度分析石油鉆具螺紋粘扣問題，一般屬于粘著磨損現(xiàn)象。若石油鉆具螺紋粘扣出現(xiàn)鐵屑、沙粒等硬質(zhì)顆粒則為磨粒和粘著磨損。因?yàn)槁菁y內(nèi)外旋合摩擦?xí)r，會引起金屬表面溫度的急速上升，進(jìn)而破壞螺紋表面的完整性、連續(xù)性。而粘著磨損被稱之為咬合磨損，是指兩種材料表面某接觸點(diǎn)局部壓力超過材料屈服強(qiáng)度時，發(fā)生粘合并拽開時表面出現(xiàn)損傷的現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為機(jī)件表面結(jié)疤大小的不同。磨粒磨損指的是摩擦表面受到硬質(zhì)顆粒的作用，造成摩擦面出現(xiàn)犁溝等的磨損現(xiàn)象。

2.2 石油鉆具螺紋粘扣的原因

防腐材料不合適是石油鉆具發(fā)生螺紋粘扣問題原因之一。柴油泡瀝青雖然是很好的防腐劑，但用在石油鉆具螺紋上卻容易引起螺紋粘扣現(xiàn)象，因?yàn)檫@種防腐劑在干燥后，將變成高硬度固體依附在螺紋表面，且還會出現(xiàn)瀝青積聚情況，并且在這種防腐劑干燥的過程中會粘結(jié)一些鐵屑等雜物，若不能很好的清洗則會導(dǎo)致鉆具因雜物而發(fā)生粘扣現(xiàn)象。由于這種防腐方法會加大螺紋現(xiàn)場清洗的難度，在清洗螺紋時必須長時間用柴油軟化瀝青才能真正的清洗干凈，但若清洗不及時或未能清洗干凈，就會引起螺紋粘扣問題。同時，在修復(fù)鉆具的過程中常會產(chǎn)生鐵屑等固體，且在歸位、運(yùn)輸、吊裝鉆具等工程中，螺紋部位容易粘附這些固體，也是引發(fā)螺紋粘扣的關(guān)鍵因素。最后，經(jīng)過調(diào)查顯示，鼠洞太臟造成的螺紋脂涂抹不均勻也是石油鉆具螺紋粘扣發(fā)生的原因之一。由于鉆桿長時間浸泡在鼠洞的鉆井液中，若涂抹螺紋脂時螺紋清理不夠干凈，將導(dǎo)致螺紋粘扣現(xiàn)象。最后，新修復(fù)螺紋不易粘附螺間隙相對較小，而這也是引發(fā)螺紋粘扣問題的原因之一。

3 石油鉆具螺紋防粘扣技術(shù)及應(yīng)用

3.1 螺紋參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化

針對石油鉆具螺紋粘扣情況的發(fā)生來看，石油鉆具螺紋的參數(shù)極為關(guān)鍵，在一定程上來說合理優(yōu)化參數(shù)能降低粘扣發(fā)生率。其中螺紋錐度、緊密度、螺距、齒形角等皆為螺紋的主要參數(shù)。據(jù)有關(guān)資料顯示，內(nèi)外螺紋當(dāng)出現(xiàn)螺距、齒形角角度、錐度等的偏差時，其過程在螺紋由于受力不均衡，造成局部壓力較大出先發(fā)生粘扣現(xiàn)象，并逐步引起更大范圍的螺紋粘扣情況。為更好地緩解這種情況，內(nèi)外螺紋梳刀的幾何參數(shù)必須加以嚴(yán)格控制，實(shí)現(xiàn)螺紋參數(shù)的最優(yōu)化，促進(jìn)刀具互換性的增強(qiáng)，并正確對正的進(jìn)行夾刀安裝。實(shí)際上，利用螺紋參數(shù)優(yōu)化的方法避免因此而引起的粘扣現(xiàn)象是最常用的方法。

影響鉆具螺紋抗粘扣性能還有螺紋表面粗糙度的原因。由于，材料的摩擦系數(shù)會因?yàn)槠鹗伎勐菁y毛刺變大，因此會加大材料摩擦力引起螺紋粘扣。不過反之，材料摩擦系數(shù)和摩擦力會隨著螺紋表面粗糙度的越小減小，也就不易引起螺紋粘扣。根據(jù)A.Ertas對表面粗糙度影響油井管粘扣性能影響的模型試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，不管壓力小到什么程度表面較為粗糙的模型極易產(chǎn)生粘扣。石油鉆具作業(yè)往往伴隨著惡劣的環(huán)境，要滿足溫度、速度及壓力都很高的超深井油田勘探開發(fā)的需求，相對而言，我國當(dāng)前研制出容易上扣的特殊且基本不出現(xiàn)錯扣的螺紋，顯著地提高了石油鉆具的使用壽命。

但通過分析當(dāng)前的各種粘扣失效現(xiàn)象可知，即便螺紋參數(shù)不斷優(yōu)化也符合各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也有采用特殊扣型螺紋和降低表面粗糙度，但任避免不了粘扣失效問題，因此這一方法不能針對性的解決粘扣問題，但適用于一般粘扣問題的解決中。

3.2 合理的表面處理技術(shù)

鍍鋅鍍銅、磷化滲氮等是當(dāng)今國際上常用到的表面處理提高石油鉆具螺紋抗粘扣性能的技術(shù)。不同的處理技術(shù)螺紋抗粘扣性能也存在差異。因?yàn)?，影響螺紋抗粘扣性能因素涉及鍍層的熔點(diǎn)、厚度、硬度或結(jié)晶晶粒形態(tài)等。據(jù)相關(guān)資料顯示，鍍銅方法的高熔點(diǎn)低硬度對抗粘扣性能提高極為重要，若為進(jìn)一步提高抗粘扣性能還可與噴砂處理相結(jié)合。同時，某些發(fā)達(dá)國家還會采用不同表面處理技術(shù)同時處理公、母螺紋，以此來促進(jìn)鉆具螺紋抗粘扣性能的顯著性提高。

本文將主要分析表面處理技術(shù)的鍍銅方法。此前，有學(xué)者在相同條件對各種表面處理技術(shù)即鍍鋅、鍍銅、鍍鎳等影響材料抗粘扣性能方面做過研究。研究結(jié)果顯示，鍍銅層由于其硬度低熔點(diǎn)高可顯著性增強(qiáng)抗粘扣性能。比較起鋼鐵材料晶格參數(shù)，金屬銅具有硬度低、熔點(diǎn)高的特點(diǎn)，所以相對來說鍍銅層具有良好的延展性韌性，與基體結(jié)合力較強(qiáng)，與其他表面處理技術(shù)相較有著更高的螺紋抗粘扣性能。由于在上卸扣過程中石油鉆具螺紋過盈配合將引起兩個相接觸的面出現(xiàn)摩擦熱量，進(jìn)而造成接觸面的溫度急劇上漲，但鍍銅層的高熔點(diǎn)則能很好的保護(hù)鍍層不被摩擦熱量融化，也就不會出現(xiàn)鍍層破壞。同時，潤滑劑也能在硬度低的銅鍍層上充分發(fā)揮作用，不容易引發(fā)因潤滑劑失效出現(xiàn)的金屬基體損傷問題。另外，因?yàn)殂~鍍層具有良好的性能，是最好的繼續(xù)潤滑膜最大度保證了螺紋抗粘扣性能。所以，有效防止鉆具螺紋粘扣的最理想方法就是鍍銅技術(shù)。

現(xiàn)階段，鍍銅工藝包括氰化、酸性硫酸鹽、焦磷酸鹽三種鍍銅技術(shù)。不過，氰化鍍銅使用的氰化物含有劇毒，會引起環(huán)境污染問題，所以，已經(jīng)很少會采用工藝。直接在鋼鐵基體上電鍍的焦磷酸鹽鍍銅工藝，則易出現(xiàn)結(jié)合不良，渡液高成本鍍速慢的問題。而焦磷酸鹽鍍銅工藝結(jié)合力較差，需要先預(yù)渡其他鍍層不能直接在鐵表面鍍銅。針對現(xiàn)有鍍銅技術(shù)的問題，只有加強(qiáng)研究促進(jìn)其更完善，才能有效的改善石油鉆具螺紋粘扣問題，但是不可否認(rèn)的是，在未來鍍銅處理技術(shù)或?qū)⑷〈魏我环N表面處理技術(shù)。

4 結(jié) 語

總而言之，石油鉆具螺紋粘扣問題是當(dāng)前石油企業(yè)急需解決的問題之一，由于石油鉆具螺紋粘扣不僅會造成螺紋表面損壞，降低石油鉆具的使用壽命，還有可能在卸扣幾次后導(dǎo)致石油鉆具螺紋嚴(yán)重粘扣而報(bào)廢，更甚者螺紋連接處不但會出現(xiàn)泄露脫扣問題，還會發(fā)生落井事故，導(dǎo)致整口油井報(bào)廢，給石油工程企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失無疑是巨大的。由此可見，深入探析石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象以及發(fā)生的原因和機(jī)理，分析其有效的防止措施，減少事故發(fā)生概率，將具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。雖然現(xiàn)有防治措施能起到很好的防止功能，但依舊滿足不了快速發(fā)展的石油業(yè)需求，因此，有必要加強(qiáng)新的防粘扣技術(shù)的研制。

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