鉆桿接頭螺紋卸扣扭矩影響因素研究

魯喜寧，丁潔瓊，曹晶晶

（上海海隆石油管材研究所，上海 200949）

近年來石油開采難度逐漸增加，深井、超深井、大位移水平井和多分支井越來越多，對鉆桿材料強度、抗扭性能、上扣速度等不斷提出更高要求［1］。API 石油鉆桿通過帶錐度的粗牙單臺肩螺紋接頭連接，接頭抗扭強度普遍低于管體，螺紋連接處通常是鉆柱最薄弱的部分。為滿足鉆桿鉆探深井、水平井或大斜度定向井的需求，石油裝備行業(yè)普遍采用非API 規(guī)范的雙臺肩高抗扭鉆桿接頭［2-4］。

提高鉆桿接頭抗扭強度，除選用更高級別材料外，還可以通過優(yōu)化螺紋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，如通過增加接頭副臺肩，優(yōu)化螺紋螺距、錐度和齒形。螺紋接頭如圖1 所示。美國NOV Grant Prideco 公司先后研發(fā)出3 代特殊接頭螺紋。第一代特殊接頭螺紋HI-TORQUER（HTTM），通過增加副臺肩結(jié)構(gòu)，使其抗扭強度較API 同規(guī)格提高40%以上（GPDS 接頭與此類似）；第二代特殊接頭螺紋eXtremeRTorque（XTR）突破API 標(biāo)準(zhǔn)原牙型設(shè)計束縛，采用更小的錐度、更大的螺距和更大的牙底圓弧半徑，抗扭強度較API 同規(guī)格提高70%以上。該類XTR螺紋鉆桿接頭同時還降低鉆井循環(huán)壓耗，提高水力性能，允許更大外徑磨損量，近年來在鉆井工業(yè)中應(yīng)用廣泛；但是，其在提高抗扭強度的同時，造成上扣時旋轉(zhuǎn)圈數(shù)增加，從API 數(shù)字型接頭螺紋旋轉(zhuǎn)5 圈增加到約13 圈，使得上扣效率變低、螺紋磨損加劇，嚴(yán)重影響鉆井效率和接頭螺紋使用壽命。

圖1 螺紋接頭示意

為解決上述問題，NOV Grant Prideco 公司研發(fā)了第三代特殊螺紋Turbo TorqueTM（TTTM），將接頭材料強度從120 ksi（827 MPa）提高到130 ksi（896 MPa），并將牙型改為雙頭雙圓弧牙底，成功降低上扣旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。第3 代特殊螺紋上扣旋轉(zhuǎn)4.2 ~6.5 圈，與API 數(shù)字型螺紋相近，是XTTM系列一半甚至更低，抗扭強度較XTTM系列提高約20%。

然而在大位移水平井正常鉆進(jìn)過程中，TTTM系列接頭出現(xiàn)井底卸扣事故。一般認(rèn)為鉆桿接頭抗扭性能越高，則卸扣扭矩越大，發(fā)生井底卸扣的概率越小。TTTM接頭是行業(yè)中抗扭強度最高的接頭系列，也是石油鉆采行業(yè)中第一個采用雙線螺紋的鉆桿接頭螺紋產(chǎn)品，因此認(rèn)為可能是TTTM系列接頭螺紋卸扣扭矩低造成卸扣。過去許多學(xué)者在如何提高石油鉆桿接頭抗扭強度方面進(jìn)行了很多研究和分析，但在接頭卸扣扭矩方面的研究較為少見。為確定TTTM系列接頭螺紋是否存在卸扣扭矩低的問題，現(xiàn)根據(jù)石油鉆桿接頭螺紋上、卸扣過程的理論模型及理論計算公式，總結(jié)鉆桿接頭螺紋卸扣扭矩的影響因素，提出提高卸扣扭矩的建議，以期為今后接頭的設(shè)計和改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 鉆桿接頭受力分析

1.1 接頭受力分析

API 單臺肩石油鉆桿接頭螺紋由主臺肩和螺紋兩部分組成（圖1）。上扣時，外螺紋、內(nèi)螺紋接頭在施加上緊扭矩T單的作用下發(fā)生相對移動，首先螺紋面相互接觸產(chǎn)生摩擦扭矩T單t；當(dāng)扭矩繼續(xù)增大，外螺紋、內(nèi)螺紋接頭主臺肩面接觸并且發(fā)生相對移動，產(chǎn)生摩擦扭矩T主；當(dāng)扭矩施加到推薦上扣扭矩，上緊扭矩T單與T主、T單t的方向相反，有T單=T單t+T主。

非API 標(biāo)準(zhǔn)的雙臺肩鉆桿接頭螺紋由主臺肩、副臺肩和螺紋三部分組成［5］，上扣過程扭矩分析如圖2 所示。上扣過程與單臺肩螺紋類似，內(nèi)外螺紋接頭在上緊扭矩T上的作用下發(fā)生相對移動，首先螺紋面相互接觸產(chǎn)生與驅(qū)動力方向相反的摩擦扭矩T雙t；扭矩繼續(xù)增大，內(nèi)外螺紋接頭主臺肩面接觸并發(fā)生相對移動，產(chǎn)生與驅(qū)動力方向相反的摩擦扭矩T主；扭矩繼續(xù)增大，副臺肩面接觸并發(fā)生相對移動，產(chǎn)生與驅(qū)動力方向相反的摩擦扭矩T副，當(dāng)扭矩施加到推薦上扣扭矩，推薦上扣扭矩T上與T主、T副、T雙t方向相反，有T上=T雙t+T主+T副。

圖2 非API 標(biāo)準(zhǔn)雙臺肩鉆桿接頭的上扣過程扭矩分析

非API 標(biāo)準(zhǔn)雙臺肩鉆桿接頭螺紋，卸扣時施加扭矩同樣等于T主、T副和T雙t三者之合，卸扣過程扭矩分析如圖3 所示。所不同的是，上扣時T主、T副和T雙t方向相同，三者之和等于T上；而卸扣時T主、T副與T雙t方向相反，T主和T副方向與卸扣施加扭矩T卸方向相反，T雙t與T卸方向相同，則有T卸=T主+T副-T雙t。

圖3 非API 標(biāo)準(zhǔn)雙臺肩鉆桿接頭的卸扣過程扭矩分析

1.2 螺紋副摩擦扭矩計算

接頭上扣過程中，當(dāng)組成螺紋副的兩個構(gòu)件作相對運動，如果兩者的螺紋間受到載荷，在螺紋接觸面間將產(chǎn)生摩擦力，摩擦力方向與相對運動方向相反［6-7］，此時水平推力F=Fatan（φ+ρ′），摩擦扭矩Tt為：

式中 d2—— 螺紋中徑，mm；

Fa—— 軸向載荷，N；

φ —— 螺旋升角，（°）；

ρ′ —— 當(dāng)量摩擦角，（°）；

S —— 螺紋導(dǎo)程，mm，

n —— 螺紋線數(shù)；

P —— 螺距，mm；

f —— 摩擦因數(shù)，取0.08；

θ —— 三角形螺紋牙型半角，（°）。

在接頭卸扣過程，螺紋擰松時，此時水平推力F=Fatan（φ-ρ′），卸扣扭矩Tb為：

1.3 臺肩面摩擦扭矩計算

石油鉆桿接頭螺紋按照推薦上扣扭矩擰緊后，主、副臺肩接觸面間緊密接觸，接觸面間產(chǎn)生摩擦力，摩擦扭矩計算公式參照未跑合推力軸承摩擦扭矩計算［7］：

式中 Fa主—— 主臺肩接觸面正壓力，N；

Fa副—— 副臺肩接觸面正壓力，N；

RS、RN—— 主、副臺肩接觸面平均半徑，mm；

QC，OD —— 主臺肩接觸面內(nèi)外徑，mm；

ID，Dn—— 副臺肩接觸面內(nèi)外徑，mm。

1.4 接頭螺紋上扣扭矩計算

（1） 單臺肩接頭螺紋上扣扭矩計算。

將公式（1）、（5）代入T單公式，由tan φ·tan ρ′≈0，得到API 單臺肩上扣扭矩計算公式：

鉆桿接頭螺紋為錐形螺紋，用螺紋平均中徑RT代替直螺紋中徑d2，代入φ 和ρ′的正切值、RS及軸向載荷Ym（60%材料屈服強度），并將量的單位從國際單位制轉(zhuǎn)換為英制（因為推導(dǎo)都是按照國際單位制尺寸推導(dǎo)的，但是油井管行業(yè)使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是國外標(biāo)準(zhǔn)，而國外標(biāo)準(zhǔn)里的量都是采用英制單位），公式（7）可變形為：

公式（8）與API RP 7G—1998（R2015）推薦的單臺肩上扣扭矩公式一致［8］。

（2） 雙臺肩接頭螺紋上扣扭矩計算。

將公式（1）、（5）~（6）代入T上公式，可得到雙臺肩鉆桿接頭螺紋上扣扭矩公式。需要注意的是，雙臺肩鉆桿接頭螺紋上扣扭矩計算中，螺紋部分的扭矩是將主臺肩面單獨存在時的扭矩貢獻(xiàn)與副臺肩單獨存在時的扭矩貢獻(xiàn)兩者相加得到的，因此：

同樣，用螺紋平均中徑RT代替直螺紋中徑d2，代入φ 和ρ′的正切值、RS和RN及軸向載荷Ym，并將量的單位從國際單位制轉(zhuǎn)換為英制，公式（9）可變形為：

公式（10）與Nov Grant Prideco 公司及李克向等研究的雙臺肩鉆桿接頭扭矩計算公式一致［9］。

1.5 雙臺肩接頭螺紋卸扣扭矩計算

為保證螺紋正常工作時，在軸向載荷的作用下不會自動卸扣，螺紋設(shè)計為自鎖，自鎖條件為φ≤ρ′，此時公式（4）為負(fù)值，螺紋副間摩擦力方向與卸扣扭矩方向相同，卸扣扭矩等于主、 副臺肩接觸面摩擦扭矩減去主、副螺紋摩擦扭矩，將公式（4）~（6）代入T卸，可得到雙臺肩鉆桿接頭螺紋卸扣扭矩公式：

同樣，用螺紋平均中徑RT代替直螺紋中徑d2，代入φ 和ρ′的正切值、RS和RN及軸向載荷Ym，并將國際單位制轉(zhuǎn)換為英制，公式（11）可變形為：

需要注意的是，公式（8）、（10）、（12）中量的單位均為英制單位，T單和T上及T卸分別為單臺肩鉆桿接頭上扣、雙臺肩鉆桿接頭上扣和雙臺肩鉆桿接頭卸扣扭矩，ft·lb；Ym一般取60%材料屈服強度，psi；RT為螺紋平均中徑，in；A 是接頭中最小危險截面的面積，in2；AN為外螺紋接頭副臺肩面積，in2；S 是螺紋導(dǎo)程，in。

2 卸扣扭矩影響因素分析及改進(jìn)建議

通過公式（10）對石油鉆桿接頭螺紋上扣扭矩分析可知，影響接頭螺紋上扣扭矩的計算參數(shù)有接頭材料強度、接頭危險截面面積、螺紋導(dǎo)程、摩擦因數(shù)、螺紋平均半徑、主臺肩接觸面平均半徑、副臺肩面積等；然而對各參數(shù)按主臺肩、副臺肩和螺紋三大部分，又可將以上多項計算參數(shù)歸類整理成6項，即主臺肩摩擦扭矩a、副臺肩摩擦扭矩b、主臺肩部分螺紋接觸面間摩擦扭矩c、副臺肩部分螺紋接觸面間摩擦扭矩d、主臺肩部分螺紋升角產(chǎn)生的扭矩e 和副臺肩部分螺紋升角產(chǎn)生的扭矩f。在上扣過程中，該6 項摩擦扭矩方向與上扣扭矩方向相反，達(dá)到扭矩平衡。

石油鉆桿接頭螺紋卸扣扭矩計算公式（12）同樣也是由以上6 項組成。在卸扣過程中，主臺肩面摩擦扭矩a 和副臺肩面摩擦扭矩b，主（副）臺肩部分螺紋接觸面間摩擦扭矩c 和d 與卸扣扭矩方向相反；而主（副）臺肩部分螺紋升角產(chǎn)生的扭矩e 和f與卸扣扭矩方向相同；因此，螺紋的卸扣扭矩比上扣扭矩小。

法國Vallourec 公司最新研發(fā)的VAMRX ForceTM接頭螺紋的上扣扭矩與卸扣扭矩比在0.7~1.1，該系列接頭螺紋在提高上扣扭矩的同時不會降低卸扣扭矩，最大可能地降低正常鉆進(jìn)中井底卸扣風(fēng)險。假設(shè)某種接頭型號固定，則所有參數(shù)均為設(shè)計值，R 為：

分析公式（13），卸扣扭矩與上扣扭矩都是由主（副）臺肩面摩擦扭矩a 和b、主（副）臺肩部分螺紋接觸面間摩擦扭矩c 和d、主（副）臺肩部分螺紋升角產(chǎn)生的扭矩e 和f 共同組成，各部分扭矩大小相等；兩者差別在于主（副）臺肩部分螺旋升角產(chǎn)生的扭矩e 和f 方向與外部施加扭矩方向不同。

為便于分析，假設(shè)a+b+c+d+e+f=1，則此時a、b、c、d、e、f 代表各部分扭矩占總扭矩的百分比。對于設(shè)計定型的某個規(guī)格來說，R 是一個定值，可用公式（14）表示：

對API 常用規(guī)格鉆桿接頭螺紋及市場主流特殊螺紋，按照以上推理過程進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到常用鉆桿接頭各部分扭矩占比，具體見表1。

由表1 可以看出，相同類型的接頭，大規(guī)格螺紋的扭矩比R 較小規(guī)格螺紋大，無論是API 標(biāo)準(zhǔn)螺紋還是特殊螺紋皆呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。其原因是：接頭螺紋螺距相同時，大規(guī)格接頭螺紋中徑大，螺旋升角小，升角部分扭矩占比較小；雙臺肩接頭螺紋扭矩比R 較單臺肩接頭螺紋小，由于雙臺肩結(jié)構(gòu)，增加了副臺肩螺旋升角扭矩，使雙臺肩接頭螺旋升角扭矩比例增加，故其扭矩比R 變低；單線接頭螺紋扭矩比R 較雙線接頭螺紋大，雙線螺紋導(dǎo)程較單線螺紋導(dǎo)程成倍增加，螺旋升角變大，升角部分扭矩也迅速增大，因此卸扣扭矩變小較多，導(dǎo)致扭矩比R 較小。

表1 常用鉆桿接頭各部分扭矩占比

提高石油鉆桿接頭螺紋卸扣扭矩也是螺紋防松技術(shù)所研究的內(nèi)容，國內(nèi)外學(xué)者對螺紋松扣機理進(jìn)行了大量分析研究及測試，并設(shè)計實施了多種應(yīng)對方案［10-12］。大部分可實施的螺紋防松方案，都不適用于頻繁拆卸的螺紋連接場合；因此，結(jié)合石油鉆桿接頭螺紋對安全性和疲勞壽命要求高的特點，從接頭螺紋理論上扣和卸扣扭矩模型及計算公式入手，提高螺紋扭矩比R，減小鉆桿接頭井底卸扣風(fēng)險，可從以下6 方面入手。

（1） 減小螺紋導(dǎo)程設(shè)計。上扣旋轉(zhuǎn)圈數(shù)受上扣前插入深度H 和螺紋導(dǎo)程S（單線時S 為螺距）的影響。根據(jù)螺紋上緊時旋轉(zhuǎn)圈數(shù)C 的計算公式（C=。其中，h 為螺紋牙頂高，mm；t 為螺紋錐度，mm/m）可知，提高螺紋上扣速度除了加大螺紋導(dǎo)程，還可以通過優(yōu)化螺紋錐度及牙頂高，同樣可以使螺紋達(dá)到較少的上扣圈數(shù)。

（2） 增加輔助扭矩結(jié)構(gòu)［12-14］。如設(shè)計螺紋、徑向錐面對錐面、柱面對柱面過盈配合扭矩結(jié)構(gòu)等，增加其他部分扭矩值占比，達(dá)到減小螺紋導(dǎo)程部分扭矩所占比例的目的，同樣可以增大卸扣扭矩和扭矩比R。

（3） 錐度優(yōu)化。API 鉆桿接頭設(shè)計外螺紋錐度公差為正（即錐度可以更陡），內(nèi)螺紋錐度公差為負(fù)（即錐度可以更平）。當(dāng)螺紋上緊后由于受力變形，外螺紋錐度變得更陡，內(nèi)螺紋錐度變得更平，螺紋牙受力主要集中在大端前三牙［15］，后3/4 段螺紋牙側(cè)接觸壓力非常小。這導(dǎo)致接頭實際卸扣扭矩比理論計算值低；因此，可優(yōu)化螺紋錐度公差，將外螺紋錐度設(shè)計稍平緩，上扣后各螺紋牙均有效接觸，可在一定程度上提高螺紋牙接觸面間的摩擦力，提高卸扣扭矩值和扭矩比R。

（4） 提高螺紋脂摩擦因數(shù)。從公式（13）可以看出，提高螺紋脂摩擦因數(shù)，可提高接觸面間摩擦力，直接提高非導(dǎo)程部分的扭矩值及其占比，間接地減小了導(dǎo)程部分扭矩所占比例，可一定程度上提高螺紋卸扣扭矩和扭矩比R。

（5） 降低鉆井過程中的摩阻。在接頭外壁與井筒常摩擦的位置，設(shè)計減摩降阻裝置，可減小鉆井過程中的摩擦阻力，使摩擦阻力小到不足以使接頭發(fā)生井底卸扣。

（6） 根據(jù)以上分析可知，在API 數(shù)字型鉆桿接頭螺紋中，螺紋導(dǎo)程對最小規(guī)格的NC23 影響最大，通過計算，NC23 鉆桿接頭導(dǎo)程占比為0.16，R 為0.68。該規(guī)格接頭在幾十年使用過程中，正常鉆進(jìn)時未發(fā)生過井底卸扣事故，可將0.68 設(shè)置成鉆桿接頭螺紋最小扭矩比，以保證安全鉆井。

3 結(jié) 論

（1） 扭矩比R 與螺紋導(dǎo)程有直接關(guān)系。因此，同樣尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計的多線螺紋確實比單線螺紋卸扣扭矩低。

（2） 通過減小螺紋導(dǎo)程，增加螺紋過盈配合等輔助扭矩結(jié)構(gòu)，優(yōu)化螺紋錐度，提高螺紋脂摩擦因數(shù)，降低鉆井過程中的摩擦阻力等，對提高螺紋卸扣扭矩和扭矩比R 有利。

（3） 借鑒NC23 鉆桿接頭螺紋，建議優(yōu)化設(shè)計后螺紋導(dǎo)程扭矩占比不高于0.16，即R≥0.68。