深部科學鉆探鉆桿接頭優(yōu)化措施

尹 浩，梁 健，孫建華，李鑫淼，李 寬，吳紀修，劉秀美

（中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊065000）

0 引言

地球深部探測作為地球科學理論研究的重要手段，對提高我國勘探開發(fā)深部資源能力和深部地質研究水平及地位是不可或缺的，其中深部科學鉆探又是唯一真正地、準確地獲取深地實物資料的工程方法，被譽為“深入地殼的望遠鏡”。隨著人們對地球認知需求的增加，深部科學鉆探的鉆深需求從幾千米突破到上萬米，并從陸地擴展到海洋。在這種趨勢下，常規(guī)的鉆探技術體系，尤其是鉆桿柱，已不能很好地滿足大鉆深、無隔水管等工況的需求。在鉆探施工過程中，鉆桿柱作為聯(lián)通地表到井底的介質，起到泥漿輸送、扭矩傳遞、鉆壓施加的重要作用，受力復雜，尤其是鉆桿接頭［1-3］。

常規(guī)油氣鉆探的目的是鉆至目的層并建立油氣通道，而深部科學鉆探是以科學研究為目的，對巖心采取率、鉆探深度等技術指標有著嚴格要求，實施難度遠遠大于前者。并且，深部科學鉆探用鉆桿柱的內通徑要求更大、強度要求更高。高溫、高壓、高應力、大鉆深等極限工況和大水眼尺寸要求，導致石油鉆桿接頭應力集中問題凸顯，接頭母扣脹扣、臺肩密封失效、螺紋錯扣及根部斷裂等事故頻發(fā)，常規(guī)API 石油鉆桿接頭不能很好地滿足嚴苛工況條件的要求［4-6］。

常規(guī)繩索取心鉆探的目的是在地質勘探中實現(xiàn)連續(xù)不提鉆取心，一般用于實現(xiàn)3000 m 以淺地層實物資料獲取。由于小口徑滿眼鉆進工藝限制，繩索取心鉆桿接頭與桿體基本內外平，接頭內外加厚量受到限制，導致接頭成為鉆桿柱抗拉和抗扭的薄弱點，也不能很好地滿足深部科學鉆探對鉆桿剩余強度要求高和應付孔內復雜情況能力強的需求［7］。

針對上述情況，國內外相關鉆桿生產(chǎn)廠家從提高鉆桿柱的安全性、可操作性與可鉆深度出發(fā)，研發(fā)了密封性能和抗扭、抗彎等力學性能更好的高性能石油鉆桿接頭，但還有改進空間。本文針對深部科學鉆探技術需求，開展國內外高性能石油鉆桿接頭調研，分析鉆桿接頭失效原因，在此基礎上探討更合適的鉆桿接頭結構并提出相關方案，為后續(xù)安全、優(yōu)質、高效、經(jīng)濟地實施深部科學鉆探提供一定的理論指導與技術支持。

1 高性能石油鉆桿接頭產(chǎn)品類型及結構特點

在API 相關石油鉆桿規(guī)范的基礎上，為了滿足不同口徑及鉆深需求，形成多種類型高性能石油鉆桿接頭產(chǎn)品，相關產(chǎn)品類型信息見表1。

表1 國內外高性能石油鉆桿接頭類型Table 1 Types of oil drill pipe joints at home and abroad

上述高性能石油鉆桿接頭結構特點總結如下：

（1）區(qū)別于API 單臺肩鉆桿接頭（見圖1），均采用雙臺肩結構（見圖2），這是由于雙臺肩結構具有眾多優(yōu)點：

圖1 API 鉆桿接頭結構示意Fig.1 Structure diagram of API drill pipe joint

圖2 雙臺肩鉆桿接頭結構示意Fig.2 Structure diagram of double-shoulder drill pipe joint

①可增加接頭的抗扭強度：由于副臺肩端面的擠壓接觸，使螺紋側面承受的扭矩比例減小，且扭矩沿螺紋軸向分布更均勻，適用于需要更高鉆桿性能的鉆井環(huán)境。

②雙臺肩結構由于提高了接頭抗扭能力，允許更多的磨損余量，顯著地延長了鉆桿的使用壽命。

③在不降低其抗扭能力的前提下，與API 常規(guī)接頭相比，雙臺肩接頭可以配置較小的外徑，同時還可以增大內徑。這一特點可以顯著地改善其水力性能，顯著降低鉆具內沿程循環(huán)壓耗和環(huán)空循環(huán)壓耗。

④雙臺肩接頭設計提供了真正的平滑水眼。公母扣連接處沒有間隙或內徑變化，從而帶來較少紊流的平滑流體流動。另外，還避免了固井水泥和鉆屑沉積的可能，增加了在鉆柱內起下各種電纜儀器的能力（減少撞擊可能性）。

⑤雙臺肩設計使得在扣的兩端都能分擔載荷，應力分布更均衡；與API 連接相比，降低了連接處的應力集中，提高了抗疲勞性，從而延長了其使用壽命。

⑥由于雙臺肩雙端面擠壓，與API 接頭連接相比，剛性更強，抗彎性能更突出。

（2）子口長度的增加可以減少螺紋的彎曲變形，增加接頭的抗彎強度。

（3）螺紋錐度的適當減小，使應力分布更均勻，接頭抗扭強度提高［8-14］。

基于以上優(yōu)點，在開展綜合大洋鉆探計劃（IO?DP）、大洋鉆探計劃（ODP）及陸域超深井鉆探工程中，高性能石油鉆桿接頭得到了大量應用。其中，配備JSHET57 接頭的鉆桿應用于荔灣6-1-1 井，水深1500 m，鉆井深度2371 m；配備HYDS55 鉆桿接頭的鉆桿應用于中石化亞洲第一深井“川深1 井”，井深8420 m；配備BHDS 鉆桿接頭的高強度、高韌性鉆桿應用于西南油氣田頁巖氣水平井足201-H1井，完鉆井深6038 m、水平段長度1503 m，創(chuàng)造了國內最深頁巖氣水平井勘探新紀錄［15］。

2 接頭失效類型分析

使用過程中的接頭主要失效原因是操作不規(guī)范、檢修質量不過關、鉆井工況影響、鉆桿的保存和腐蝕介質的影響等外在因素導致的腐蝕疲勞與結構磨損缺失，進而導致強度失效或密封失效。相關失效類型與失效原因分析如下。

2.1 接頭外表面偏磨

由于鉆桿在孔內公轉，導致接頭與孔壁或套管內壁頻繁摩擦，耐磨帶失效后產(chǎn)生接頭外表面偏磨，影響結構強度，降低了自身強度，如圖3 所示。

圖3 鉆桿接頭偏磨Fig.3 Eccentric wear of drill pipe joint

2.2 應力集中螺紋段磨損

鉆桿在起下鉆或接單根的過程中，由于頻繁對扣及上卸扣導致接頭螺紋牙側面的磨損，并多發(fā)生在大端根部承受軸向載荷集中的螺紋段（見圖4），從而加快了應力集中段的螺紋失效，如不及時修復將嚴重影響鉆桿接頭強度，從而影響鉆井安全。

圖4 螺紋牙頂磨損變尖Fig.4 Wearing and thinning of the thread teeth top

2.3 臺肩面密封失效

在上卸扣及起下鉆過程中，接頭主、副臺肩不可避免與鉆臺其他器具發(fā)生碰觸導致一定程度的表面缺失或結構變形，成為臺肩面密封失效的根源，如圖5 所示。

圖5 臺肩面損傷Fig.5 Surface damage of the joint shoulder

3 接頭改進方案探討

針對上述接頭外表面偏磨、應力集中螺紋段磨損及臺肩面密封失效問題和鉆探施工過程中存在的一些鉆桿結構問題，通過優(yōu)化鉆桿接頭結構，開展了提高接頭機械強度和安全使用性能的措施探討，進而為優(yōu)化設計適應更惡劣工況的深部科學鉆探用鉆桿接頭提供研究思路。

3.1 便于拆裝的快速上卸扣鉆桿接頭［16］

鉆桿上扣過程中，上部鉆桿或立柱整體轉動，存在提升短節(jié)倒扣風險和勞動強度大、機械消耗高的缺點。此外，由于石油鉆桿現(xiàn)有的摩擦焊制作工藝，導致鉆桿接頭螺紋與桿體的同軸度存在一定誤差（大約0.5～1.0 mm），這個誤差會使鉆桿在井下使用過程中，由于離心力作用而產(chǎn)生橫向振動，加劇鉆桿表面與井壁或套管的摩擦，降低鉆桿使用壽命。同時，由于接頭與桿體摩擦焊接，當接頭外表面或螺紋等易損部分發(fā)生損壞后，只能整根鉆桿返廠維護。為了克服上述弊端，提出一種新型接頭結構方案，如圖6所示。

本方案包括桿體、公接頭、母接頭，公接頭由公接頭本體、公接頭螺紋段和公接頭連接段構成，公接頭連接段穿過公接頭螺紋段的內孔與公接頭本體螺紋連接，公接頭連接段設有公接頭螺紋段限位臺，公接頭螺紋段與公接頭連接段孔軸間隙配合；母接頭由母接頭本體、母接頭螺紋段和母接頭連接段構成，母接頭連接段與母接頭本體孔軸螺紋連接，母接頭連接段設有母接頭螺紋段軸向限位臺，母接頭螺紋段位于母接頭螺紋段軸向限位臺與母接頭本體之間，母接頭連接段軸向限定母接頭螺紋段；公接頭螺紋段與母接頭螺紋段軸孔螺紋連接。通過以上方案，可實現(xiàn)施工現(xiàn)場對鉆桿接頭等易損部件替換維護、快速上扣鉆桿，實現(xiàn)惡劣工況下提高工作效率，縮短施工周期，同時有利于降低同軸度誤差，適用于更高轉速鉆井。

圖6 便于拆裝的快速上卸扣鉆桿接頭結構示意Fig.6 Structural diagram of the quick make-up and break-up drill pipe joint for easy disassembly and assembly

3.2 三臺肩高抗彎耐密封鉆桿接頭［17］

針對提高鉆桿接頭高壓與大彎矩工況下的密封性和抗扭、抗彎性，突破傳統(tǒng)鉆桿接頭的設計思路，另辟蹊徑，提出了一種具有3 個臺肩密封面的鉆桿接頭（見圖7）。為了解決螺紋段應力“兩頭大、中間小”的不均勻分布問題，通過主臺肩一分為二結構設計均衡螺紋應力集中，同時提高認扣效率，另外，通過臺肩接觸面螺旋線溝、齒嚙合設計，達到提高鉆桿受力性能、連接效率和密封性能的目的，為鉆桿更好地在深地、深海鉆探領域應用奠定了基礎。

圖7 三臺肩高抗彎耐密封鉆桿接頭結構示意Fig.7 Structural diagram of the three-shoulder drill pipe joint with high bending and pressure resistance

上述三階臺肩密封面設計，結合軸向密封面，可以明顯提高接頭的密封性，從而提高極限工況下鉆桿耐高壓密封的能力，并緩解常規(guī)結構的螺紋應力集中問題；通過主臺肩密封面螺旋齒嚙合連接的設計，提供徑向預緊力，實現(xiàn)螺紋應力相對均勻分布，提高鉆桿抵抗大彎曲變形及扭轉變形能力；此外，通過鉆桿桿體與接頭直聯(lián)的結構，減少了鉆桿柱受力薄弱點。本方案可以普遍用于金屬鉆桿，特別是對于彈性模量相對較小的鈦合金鉆桿，可大大降低螺紋漲扣、錯扣、密封失效及根部斷裂等不良現(xiàn)象的發(fā)生概率。

本方案包括公接頭和母接頭，公接頭螺紋外側設有外管段，外管段與公接頭螺紋段之間構成環(huán)形溝槽，母接頭設有插入段，插入段匹配插入公接頭的環(huán)形溝槽內，外管段端頭為公接頭主臺肩，環(huán)形溝槽底面為公接頭主副臺肩，公接頭小端為公接頭副臺肩；母接頭的插入段底面為母接頭主臺肩，母接頭大端為母接頭主副臺肩，母接頭螺紋小端底面為母接頭副臺肩；公接頭主臺肩與母接頭主臺肩構成主密封面，公接頭主副臺肩與母接頭主副臺肩構成主副密封面，公接頭副臺肩與母接頭副臺肩構成副密封面。環(huán)形溝槽的軸向長度為L1，插入段的軸向長度為L2，L1＞L2，S1=L1-L2，公接頭主副臺肩至公接頭小端的軸向長度為L3，母接頭副臺肩至母接頭大端的軸向長度為L4，L3＞L4，S2=L3-L4，S1＜S2。通過本方案可以明顯提高接頭的密封性，緩解常規(guī)結構的螺紋應力集中問題，保證螺紋應力相對均勻分布，提高鉆桿抵抗大彎曲變形及扭轉變形能力。

3.3 雙臺肩三段式不等螺距高抗扭高壓密封鉆桿接頭［18］

在上扣扭矩或工作扭矩作用下，鉆桿接頭各圈螺紋受到的軸向拉伸力非常不均勻，大端螺紋受力較大，往往導致此處螺紋根部過早失效。對于彈性模量小的鈦合金鉆桿接頭上述問題更為突出，鈦合金鉆桿接頭在相同載荷下相對鋼制鉆桿接頭彈性變形更大，面對特深鉆井（一般井深＞9000 m）惡劣工況時，更易發(fā)生脫扣、滑扣或漲扣，臺肩更容易變形導致臺肩密封失效。此外，對于小錐度螺紋鉆桿接頭，常規(guī)的旋入結構導致上卸扣旋轉圈數(shù)多，降低了工作效率。有人提出一種變螺距的鉆桿接頭［19］，這種接頭的連接螺紋采用了兩段式，各段的螺距不同，上述結構可以改變卸扣旋轉圈數(shù)多及常規(guī)API 單臺肩接頭螺紋的受力分布不均，但是對于雙臺肩鉆桿接頭，這種結構在降低主臺肩處螺紋應力的同時導致副臺肩處的螺紋應力升高，而無法解決雙臺肩接頭連接部位螺紋應力“兩頭大，中間小”的問題，此外兩段螺紋連接間較長的過渡段未設置螺紋，這會給兩側螺紋部位增加更大的受力。

針對雙臺肩鉆桿接頭結構特點，提出了一種三段式不等螺距結構，如圖8 所示。此接頭方案包括公接頭和母接頭，二者由不等螺距螺紋段連接，接頭設有主臺肩密封面、副臺肩密封面和圓柱密封面。其主要特點如下：

圖8 高抗扭高壓密封鉆桿接頭結構示意Fig.8 Structural diagram of the drill pipe joint with high torsion resistance and high pressure sealing

（1）主臺肩三角齒嚙合面設計，將主臺肩面受到的擠壓力分攤到對應的三角齒面，使主臺肩面能夠承受更大的擠壓力和扭矩，提高了接頭抗?jié)q扣的能力和在彎曲情況下的耐密封能力；

（2）副臺肩凹凸環(huán)形面設計可增加副臺肩抗彎能力，減小應力集中，進一步提高密封效果；

（3）設有過盈配合的圓柱密封面，可保證連接的緊湊性，在接頭受到彎矩工況下，增加了抵抗彎曲的能力，減小了對螺紋的變形影響；

（4）針對接頭螺紋段軸向應力“兩頭大，中間小”的分布特點及鈦合金鉆桿接頭彈性模量低的特點，采用三段式螺紋不等螺距的設計，螺紋段的總長度為L，第一段螺紋的長度為L/4，中間段螺紋的長度為L/2，第三段螺紋的長度為L/4，三段螺紋具有相同的錐度，且各段螺紋小端起始端具有相同的相位角，并建立各螺距之間關于錐度、牙高的關系〔以螺紋段的大直徑起計第一段螺紋2-1 的螺距為P1，中間段螺紋2-2 的螺距為P2，第三段螺紋2-3 的螺距為P3，三者螺距值P2＞P3＞P1，三者螺距值的數(shù)值關系為：P1=P2-Cone×P2/（n×b），P3=P2-0.5Cone×P2/（n×b），式中n為接頭旋緊圈數(shù)，n=2h/（Cone×P2）；h為螺紋牙高；b為材料系數(shù)，即b=E/103〕，更為合理的平衡不同錐度、牙高的螺紋的應力集中問題，有效調整螺紋受力分布，改善螺紋應力集中，提高螺紋的抗扭能力，提高接頭整體強度，延長了螺紋使用壽命。

4 結語

通過開展高性能石油鉆桿接頭應用現(xiàn)狀分析及改進措施研究，對提高鉆桿柱的可靠性與安全性，延長鉆桿使用壽命，使其更好地應用于深部科學鉆探，具有一定的科學意義與工程價值。

（1）深部鉆探、無隔水管鉆探等在傳遞扭矩、抗彎能力要求高的工況下，選配雙臺肩鉆桿接頭并加強對臺肩面及螺紋磨損監(jiān)控可提高鉆桿柱可靠性。

（2）臺肩與螺紋處的應力集中是鉆桿接頭整體強度提高的“瓶頸”，為此提出了三臺肩結構、三段式不等螺距螺紋結構，可為緩解應力集中提供一種優(yōu)化思路。

（3）在考慮接頭強度的同時，為了滿足大洋科學鉆探等難進入、工期緊、成本高等特殊情況科學鉆探需求，可考慮鉆桿接頭關鍵部位單獨零件化，實現(xiàn)現(xiàn)場部件替換維護、快速上扣鉆桿，提高工作效率，縮短施工周期。