雙臺肩鉆桿螺紋應(yīng)用現(xiàn)狀及互換使用分析

胡小波

（長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司，遼寧 盤錦 124010）

0前言

在石油鉆探行業(yè)，隨著深層頁巖氣、頁巖油、煤層氣以及超深井、分支水平井的大范圍開發(fā)，鉆井工藝對鉆桿的抗扭性能提出了更高的要求。而鉆桿的接頭是整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，因此提高鉆桿的抗扭性能主要在于提高鉆桿接頭的性能[1]。在實際應(yīng)用中，主要從以下三個方面來進行改善，一是在保持原有鉆桿鋼級的基礎(chǔ)上，通過內(nèi)加厚、外加厚以及內(nèi)外加厚的方式提高抗扭強度。此方法改進升級容易，但提高抗扭性能程度有限，同時存在井下環(huán)空和鉆具水眼循環(huán)效能降低的問題，易發(fā)生憋泵等致命缺陷，現(xiàn)已經(jīng)不是提高鉆桿抗扭的主要發(fā)展方向。二是使用高鋼級鉆桿，通過增加材料屈服強度來提高鉆桿的抗扭性能，除API鉆桿鋼級G105、S135外，V150、V170也相繼面世。其中以法德合資公司V&M出品的超高強度鉆桿MW-V-170最為突出[2-3]，對于高鋼級鉆桿的研發(fā)，技術(shù)門檻高，投入產(chǎn)出慢，我國目前還處于初級階段。三是在不改變鋼級和接頭外徑的前提下，對鉆桿接頭的螺紋結(jié)構(gòu)進行改進，從而獲得理想的抗扭特性。雙臺肩鉆具螺紋的使用，既規(guī)避了高鋼級的技術(shù)門檻，同時又獲得了良好的抗扭性能和良好的泥漿循環(huán)通道，無論是在國內(nèi)還是國外，都取得了大量的研發(fā)專利并應(yīng)用到實際鉆井生產(chǎn)中[4]。

本研究從API鉆桿螺紋入手，對國內(nèi)外常見的雙臺肩螺紋進行分析比較并介紹其應(yīng)用情況，通過對比國內(nèi)外廠家螺紋設(shè)計的異同點，歸納總結(jié)出雙臺肩螺紋與傳統(tǒng)API螺紋的互換使用方法。

1 API鉆桿螺紋簡介

對于石油鉆桿用的螺紋類型，以APISPEC 7標準加工的螺紋扣型的使用較為普遍[5]。按照螺紋扣型主要分為內(nèi)平扣（IF扣）、貫眼扣（FH扣）、正規(guī)扣（REG扣）和數(shù)字型扣（NC扣）[6]。而按照螺紋牙型主要分為V-0.038R、V-0.050和V-0.065三種。根據(jù)API扣型和牙型的分類，即可得到頂驅(qū)保護接頭常用API扣型尺寸參數(shù)，見表1。

表1 頂驅(qū)保護接頭常用API扣型尺寸參數(shù)

2 雙臺肩螺紋扣型分析及使用情況

2.1 雙臺肩螺紋結(jié)構(gòu)

隨著石油天然氣鉆井過程中遇到的大鉆壓、高泵壓和高扭矩等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)API標準的鉆桿鉆具結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足實際需要，高抗扭、高密封壓力的鉆桿需求顯著增加。對此，專家學(xué)者提出了一種鉆桿接頭雙臺肩結(jié)構(gòu)，在鋼級不變的情況下，抗扭能力得到了明顯的提高[7]。另一方面，在保證抗扭性能前提下，可以增大鉆具的內(nèi)徑而減小鉆桿接頭的外徑，進而獲得鉆具內(nèi)通道和井內(nèi)環(huán)空的雙提升，極大降低了井下卡鉆的風(fēng)險。雙臺肩結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆桿接頭雙臺肩結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可以看出，第一臺肩面與傳統(tǒng)API接頭結(jié)構(gòu)相同，通過適當金屬面間的應(yīng)力形變實現(xiàn)金屬密封。在公扣的頂端形成了有一定錐角的金屬面的鼻端，而在鼻端的最前端面，則為第二臺肩面，當扭矩達到一定程度后，第二臺肩面的公母扣接觸，形成機械停止位，從而增加抗扭能力[8]。

2.2 國外廠家雙臺肩鉆桿螺紋分析

國外鉆桿生產(chǎn)廠家以美國NOV公司旗下的格蘭特鉆具公司和法德合資的V&M公司最為知名。而格蘭特鉆具公司由于其將雙臺肩結(jié)構(gòu)引入鉆桿接頭，并取得了良好的應(yīng)用效果，其雙臺肩螺紋結(jié)構(gòu)在抗扭鉆桿中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并形成了GPDS、HT和XT三個雙臺肩系列[9]。

GPDS雙臺肩結(jié)構(gòu)采用了API數(shù)字扣型的牙型 （V-0.038R）、錐度 （1∶6）、螺距 （4扣/in）和相應(yīng)尺寸的基準面，只是將公母扣的首端改為鼻端，利用第二臺階面增加機械停止點，能夠提供比相同規(guī)格API接頭高20%～50%的抗扭強度。典型型號有GPDS26、GPDS31、GPDS38、GPDS40、GPDS46、GPDS50和GPDS55，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GPDS雙臺肩螺紋結(jié)構(gòu)圖

HT雙臺肩結(jié)構(gòu)同樣采用了API數(shù)字扣型的牙型（V-0.038R）、錐度（1∶6）、螺距（4扣/in）和相應(yīng)尺寸的基準面，與GPDS雙臺肩結(jié)構(gòu)不同之處在于采用了加長的鼻端和頸部。能夠提供比相同規(guī)格API接頭高40%的抗扭強度。典型型號有HT26、HT31、HT38、HT40、HT46、HT50和HT55，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 HT雙臺肩螺紋結(jié)構(gòu)圖

XT雙臺肩結(jié)構(gòu)最大的特點是采用了比GPDS系列和HT系列更平緩的螺紋錐度，達到了1∶12，兩種螺紋錐度對比如圖4所示，從外表上看螺紋錐度更平緩，能夠提供比相同規(guī)格API接頭高70%的抗扭強度。其主要型號有XT26、XT29、XT31、XT38、XT39、XT40、XT46、XT50和XT55，XT雙臺肩螺紋結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 HT螺紋與XT螺紋錐度對比

圖5 XT雙臺肩螺紋結(jié)構(gòu)圖

2.3 國內(nèi)廠家雙臺肩鉆桿螺紋結(jié)構(gòu)分析

盡管國內(nèi)鉆桿接頭雙臺肩螺紋鉆桿研發(fā)起步相對較晚，但由于鉆桿接頭雙臺肩結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點，也得到了突飛猛進的發(fā)展。國內(nèi)規(guī)模較大、應(yīng)用較早的有上海寶鋼集團、上海海隆集團、中石油渤海能克鉆桿公司、河北奧瑞拓石油機械公司、遼寧派普鉆具公司等。這些國內(nèi)廠家基本都以API雙臺肩結(jié)構(gòu)為參照，結(jié)合自身對于鉆具扣型研發(fā)的技術(shù)優(yōu)勢，通過修改牙型、螺距、錐度、鼻端和頸部的長度以及基準面中徑的大小等參數(shù)，獲得具有自身特點的扭矩特性、抗扭特性和鉆井液循環(huán)效能。

2.3.1 寶鋼集團雙臺肩鉆桿螺紋

寶鋼集團利用其在鋼材領(lǐng)域從煉鐵、煉鋼、條鋼、鋼管、摩擦對焊等上下游一體化的優(yōu)勢，除生產(chǎn)出API鉆桿、抗硫鉆桿和高鋼級鉆桿之外，較早開發(fā)出了BGDS系列雙臺肩抗扭螺紋和BGXT系列雙臺肩超高抗扭螺紋[10]。BGDS系列螺紋與API鉆桿螺紋的牙型、錐度、導(dǎo)程、螺距等參數(shù)保持一致，與格蘭特GPDS系列類似，在鼻端增加機械停止位，能夠提供高于API系列20%～50%的抗扭強度，可以與API對應(yīng)型號鉆桿互換使用，可廣泛應(yīng)用于大位移水平井、深井和超深井的施工任務(wù)。BGXT系列螺紋在增加第二副臺肩的基礎(chǔ)上，采用了更加平緩的錐度，不能與API系列對應(yīng)型號的鉆桿進行互換使用。BGXT大約可以提高70%的抗扭強度，在保證同等抗扭性能的前提下，接頭處的外徑更小、內(nèi)徑更大、水力循環(huán)效能更好。主要應(yīng)用于小井眼的鉆探任務(wù)，主要型號有BGXT26、BGXT31和BGXT39。

2.3.2 海隆集團雙臺肩鉆桿螺紋

海隆集團的鉆桿產(chǎn)品投產(chǎn)起步較晚，其雙臺肩鉆桿螺紋主要有HLIDS和HLST兩種。同樣由于HLIDS螺紋參數(shù)與API保持了高度的一致性，可以與API螺紋進行互換使用，抗扭性能高于API螺紋的20%～50%。對于HLST螺紋類型，是在HLIDS螺紋基礎(chǔ)之上形成的新一代產(chǎn)品，主要應(yīng)用于大位移水平井、超深井以及含硫井等苛刻環(huán)境。HLST螺紋主要在于使用了更緩的螺紋錐度，以及大于API V-0.038R牙底半徑的HL V-0.042R螺紋，從而獲得了高于同規(guī)格API螺紋70%以上的超高抗扭強度和極好的水力循環(huán)性能。錐度和螺紋牙型的改變，使得HLST螺紋不能與API螺紋互換使用。

2.3.3 渤海能克雙臺肩鉆桿螺紋

渤海能克公司為中石油渤海裝備公司和日本JFE鋼鐵株式會社等成立的合資公司，設(shè)備是從日本NKK引進的全套生產(chǎn)線，很早就生產(chǎn)出自己的雙臺肩鉆桿DSTJ系列產(chǎn)品，得到了市場的廣泛認可。DSTJ螺紋可比同規(guī)格API螺紋提高35%以上的抗扭強度，酸性井況下可保證接頭螺紋不受腐蝕，可與API數(shù)字螺紋互換使用。在DSTJ螺紋的基礎(chǔ)上，渤海能克公司又自主研發(fā)了BHDS雙臺肩螺紋鉆桿、BHDH高抗扭雙臺肩螺紋鉆桿以及BHDX超高抗扭雙臺肩螺紋鉆桿。由于其過硬的質(zhì)量和良好的技術(shù)性能參數(shù)，在國內(nèi)外都取得了廣泛的應(yīng)用。

2.3.4 國內(nèi)其他廠商雙臺肩螺紋結(jié)構(gòu)

由于鉆桿雙臺肩結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)勢，除上述國內(nèi)公司之外，國內(nèi)其他鉆具生產(chǎn)廠商也針對雙臺肩螺紋結(jié)構(gòu)進行了研究并開發(fā)出對應(yīng)的產(chǎn)品。如河北奧瑞拓公司研發(fā)的以85矮牙專用錐為螺紋的85矮牙系列雙臺肩螺紋鉆桿，遼寧派普鉆具公司研發(fā)的DT和OST系列雙臺肩螺紋鉆桿，以及山東威瑪石油鉆具公司研發(fā)的WMT系列雙臺肩螺紋鉆桿等。由于這些大多數(shù)都采用了更平緩的錐度，因此無法與API鉆桿螺紋互換使用，多數(shù)應(yīng)用于小井眼的小鉆桿尺寸類型。

2.4 國內(nèi)鉆井現(xiàn)場雙臺肩螺紋鉆桿使用情況

具有突出優(yōu)勢的雙臺肩扣型結(jié)構(gòu)鉆具，在復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)井的配套工藝、大位移水平井的規(guī)模開發(fā)以及老井套管內(nèi)側(cè)鉆二次增產(chǎn)開發(fā)工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。

2010年至今，在中石油與殼牌合作開發(fā)的長北一期和二期風(fēng)險作業(yè)區(qū)，在井深達5 500 m、水平段2 000 m左右的雙分支水平井，全井段使用雙臺肩螺紋鉆桿生產(chǎn)，先后應(yīng)用過格蘭特GPDS55、格蘭特HT55以及渤海能克BHDS55螺紋鉆桿，由于鉆桿抗扭能力強，因此未出現(xiàn)任何鉆具失效斷裂井下事故。

2019年至今，在中石油與道達爾合作開發(fā)的蘇南風(fēng)險作業(yè)區(qū)，鑒于三開井段發(fā)生過鉆具失效問題，在后續(xù)平臺井的三開作業(yè)施工中，將NC40鉆桿替換成格蘭特HT38螺紋鉆桿，取得了良好的應(yīng)用效果。

2018年至今，在中石油長慶油田與長城鉆探的蘇里格合作區(qū)塊中，為應(yīng)對老井產(chǎn)量逐年遞減的不利情況，開始在老井眼基礎(chǔ)上實施側(cè)鉆水平井，由于套管內(nèi)的環(huán)空小，小尺寸雙臺肩鉆桿在一定程度上克服了井下不利因素，在鉆桿抗扭和環(huán)空水力效能上取得了平衡，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在實施的側(cè)鉆水平井中，先后使用過奧瑞拓的85矮牙雙臺肩鉆桿、派普鉆具公司的PD29雙臺肩鉆桿以及OST31雙臺肩鉆桿。對于Φ89 mm鉆桿，接頭外徑只有100 mm，鉆桿接頭不再成為鉆井液水力循環(huán)的瓶頸。

3 雙臺肩鉆桿螺紋結(jié)構(gòu)的互換使用

從雙臺肩鉆桿螺紋結(jié)構(gòu)的分析對比可以看出，當兩種螺紋的牙型、基面中徑、錐度和螺距相同時，即可確定螺紋的公母扣間可以相互對扣。對比表1數(shù)據(jù)，即可得到雙臺肩鉆桿螺紋與API螺紋間的互換使用表（見表2）。

表2 雙臺肩鉆桿螺紋與API螺紋扣型互換表

格蘭特HT螺紋由于采用了更長的鼻端和頸部，在與API的公母扣相配合時，螺紋無法咬合從而不能實現(xiàn)與API螺紋的互換。格蘭特XT、寶鋼BGXT、海隆HLST、渤海能克BHDX螺紋由于采用了更為平緩的錐度，同樣不能夠?qū)崿F(xiàn)與API扣型的互換。至于奧瑞拓的85矮牙螺紋，以及派普的DT螺紋和OST螺紋，由于其螺紋牙型的專屬性，再加上與API螺紋的錐度不同，同樣不能進行互換使用。

4 結(jié)束語

隨著超深井、多分支水平井等復(fù)雜工藝井的不斷鉆探開發(fā)，對鉆桿的使用要求越來越苛刻，雙臺肩螺紋鉆桿在螺紋的抗扭特性和水力循環(huán)效能方面取得了平衡，因而得到了廣泛的發(fā)展和使用。通過對比國內(nèi)外雙臺肩鉆桿的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，對當今廣泛使用的雙臺肩螺紋技術(shù)進行了詳細的梳理和分析，并對國內(nèi)石油鉆探中遇到的典型雙臺肩鉆桿螺紋進行了互換使用的總結(jié)，有助于全面系統(tǒng)地了解當今雙臺肩鉆桿螺紋技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，有力保障雙臺肩螺紋鉆桿在石油鉆井技術(shù)、生產(chǎn)和管理方面的順利開展。