鉆桿接頭螺紋卸扣扭矩影響因素研究

摘要：隨著時間的推移，近年來石油開采難度逐步增加，越來越多的超深井、多分支井、深井、大位移水平井產(chǎn)生，對鉆桿材料強度、上扣速度、抗扭性能等指標(biāo)提出了更高的要求。本文主要研究鉆桿接頭上扣/卸扣扭矩影響因素，提出提升扭矩的建議。

關(guān)鍵詞：鉆桿接頭螺紋;卸扣扭矩;影響因素

既往，很多學(xué)者研究分析了如何提高石油鉆桿接頭抗扭強度，整合了較多資料。但是，就接頭卸扣扭矩研究資料較少，為探究TTTM系列接頭螺紋卸扣扭矩低的相關(guān)問題，本文結(jié)合實際情況，參考計算公式，總結(jié)鉆桿接頭螺紋卸扣扭矩影響因素，并提出相應(yīng)的建議，旨在為后期接頭設(shè)計與改進提供可靠指導(dǎo)。

1接頭螺紋定義概述

API石油鉆桿借助帶錐度粗牙單臺肩螺紋連接，接頭扭矩強度低于管體，螺紋連接一般為鉆柱最薄弱部分。為切實滿足鉆桿鉆探深井、大斜度定向井、水平井的需求，石油裝備行業(yè)多選擇的是非API規(guī)范雙臺肩高抗扭鉆桿接頭。旨在將鉆桿接頭抗扭強度提升，選擇更高級別材料之外，優(yōu)化螺紋結(jié)構(gòu)。

美國NOVGrantPrideco公司先后研發(fā)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)，可將其與GPDS接頭抗扭強度提升40.0%以上，與API同規(guī)格對比，提升效果顯著。第二代特殊接頭螺紋eXtremeRTorque（XTR），將API標(biāo)準(zhǔn)原發(fā)型設(shè)計束縛突破，選擇的是小錐度、大螺距與大牙底圓弧半徑，與API同規(guī)格對比，抗扭強度提升70.0%以上。XTR螺紋鉆桿接頭可將鉆井循環(huán)壓力能耗降低，可將水力性能日升，且可允許更大外徑磨損量，近年來，在鉆井工業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，在提升強扭強度的同時，會導(dǎo)致上口時旋轉(zhuǎn)圈數(shù)增加，可將API數(shù)字型接頭螺紋旋轉(zhuǎn)從5圈朝著13圈增加，導(dǎo)致上扣效率降低，螺紋的磨損加重，對鉆井效率與螺紋使用壽命產(chǎn)生影響。

為將上述問題解決，NOVGrantPrideco公司研發(fā)了第三代特殊螺紋TurboTorqueTM（TTTM），接頭材料強度從120ksi（827MPa）提高到130ksi（896MPa），且將牙型轉(zhuǎn)換為雙頭雙圓弧的牙底，將上扣旋轉(zhuǎn)圈數(shù)有效減少。第3代特殊螺紋上扣旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為4.2～6.5圈，接近API數(shù)字型螺紋，是XTTM系列1/2或更低，將抗扭強度提升了20.0%以上。

2卸扣扭矩影響因素分析及改進建議

通過扭矩分析石油鉆桿接頭螺紋上扣可得知，影響接頭上扣扭矩參數(shù)包括：摩擦因數(shù)、主臺肩接觸面平均半徑、接頭材料強度、副臺肩面積、螺紋導(dǎo)程、接頭危險截面面積、螺紋平均半徑、摩擦因數(shù)等。按照3大部分，在多項計算參數(shù)歸納整理基礎(chǔ)上，可劃分為6項，分別為主臺肩摩擦扭矩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，達到扭矩平衡。

卸扣扭矩與上扣扭矩組成包括：主（副）臺肩面摩擦扭矩a和b、主（副）臺肩部分螺紋升角產(chǎn)生的扭矩e和f、主（副）臺肩部分螺紋接觸面間摩擦扭矩c和d，各個部分的扭矩大小相等。其區(qū)別點在于主（副）臺肩部分螺旋升角產(chǎn)生的扭矩e和f方向、外部施加扭矩方向不同。為更好的開展分析，假設(shè)a+b+c+d+e+f=1，此時各個字母代表不同部分扭矩占比。

石油鉆桿接頭螺紋卸扣扭矩計算也包含6項，在進行卸扣階段，需要確保相反方向的指標(biāo)包括：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。相同方向為主（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?；诖?，螺紋卸扣扭矩小于上扣扭矩。

通過分析普通鉆桿接頭各部分的扭矩比可知，對于同類型接頭，大尺寸螺紋的扭矩大于r較小螺紋的扭矩，API標(biāo)準(zhǔn)螺紋和特殊螺紋都表現(xiàn)出相同的規(guī)律。其原因是：當(dāng)接頭螺紋的螺距相同時，大尺寸接頭螺紋的中徑大，螺旋角小，角的扭矩相對較小;雙肩關(guān)節(jié)的螺紋扭矩比R小于單肩關(guān)節(jié)。由于雙肩結(jié)構(gòu)，副肩螺旋角扭矩增大，使得雙肩關(guān)節(jié)螺旋角扭矩比增大，因此其扭矩比R變低;單線接頭的螺紋扭矩比R比雙線接頭大，雙線螺紋的導(dǎo)程比單線螺紋的導(dǎo)程增大，螺旋角增大，角部扭矩也迅速增大，因此卸扣扭矩減小很多，導(dǎo)致扭矩比R變小。

提高石油鉆桿接頭斷絲扭矩也是螺紋鎖緊技術(shù)的研究內(nèi)容。國內(nèi)外學(xué)者對斷絲機理做了大量的分析和研究，設(shè)計并實施了多種對策。大多數(shù)可以實現(xiàn)的螺紋鎖緊方案不適合頻繁拆卸螺紋連接。

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，從接頭螺紋的理論擰松扭矩模型和計算公式出發(fā)，可以從以下六個方面入手，提高螺紋扭矩比R，降低鉆桿接頭井下擰松的風(fēng)險。

（1）變徑螺紋導(dǎo)程的設(shè)計。擰緊圈數(shù)受擰緊前的插入深度h和螺紋導(dǎo)程s （s是單螺紋的螺距）的影響。據(jù)擰緊螺紋時轉(zhuǎn)數(shù)C的計算公式（C=4htS。其中h是螺紋牙頂高度，mm;t為螺紋錐度，mm/m），可以看出，提高螺紋上扣速度不僅可以增加螺紋導(dǎo)程，還可以優(yōu)化螺紋錐度和牙頂高度，這樣也可以使螺紋上扣圈數(shù)更少。

（2）增加輔助扭矩結(jié)構(gòu)。例如螺紋的設(shè)計、徑向錐對錐、圓柱對圓柱的過盈配合扭矩結(jié)構(gòu)等。，增加其他部分扭矩值的比例，達到降低螺紋導(dǎo)程部分扭矩比例的目的，并且還增加卸扣扭矩和扭矩比r。

（3）錐度優(yōu)化。API鉆桿接頭設(shè)計外螺紋正錐度公差（即錐度可以更陡）和內(nèi)螺紋負錐度公差（即錐度可以更平）。當(dāng)擰緊螺紋時，外螺紋的錐度變得更陡，內(nèi)螺紋的錐度變得更平。螺紋齒的應(yīng)力主要集中在大端的前三齒，后3/4螺紋側(cè)的接觸壓力很小。這導(dǎo)致實際接頭斷裂扭矩低于理論計算值。因此可以優(yōu)化螺紋錐度公差，外螺紋錐度設(shè)計略平緩，上扣后所有螺紋有效接觸，可以在一定程度上改善螺紋接觸面之間的摩擦，提高卸扣的扭矩值和扭矩比R。

（4）提高螺紋膠的摩擦系數(shù)。增加螺紋復(fù)合摩擦系數(shù)可以提高接觸面間的摩擦力，直接增加非前導(dǎo)部分的扭矩值及其比例，間接降低前導(dǎo)部分扭矩的比例，在一定程度上提高螺紋卸扣扭矩和扭矩比R。

（5）減少鉆孔過程中的摩擦。在接頭外壁與井筒經(jīng)常發(fā)生摩擦的位置，設(shè)計了減摩裝置，可以降低鉆井過程中的摩擦阻力，使摩擦阻力小到足以導(dǎo)致接頭在井底發(fā)生斷裂。

（6）由以上分析可知，在API數(shù)字鉆桿接頭螺紋中，螺紋超前對NC23的影響最大，規(guī)格最小。通過計算，NC23鉆桿接頭超前率為0.16，R為0.68。該規(guī)格的接頭已經(jīng)使用了幾十年，在正常鉆井過程中沒有發(fā)生過井底斷裂事故，因此可以將0.68設(shè)置為鉆桿接頭螺紋的最小扭矩比，以確保安全鉆井。

結(jié)束語

綜上所述，通過將螺紋導(dǎo)程減小，增加螺紋過盈配合等輔助手段，能夠改善扭矩結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)螺紋錐度優(yōu)化，以此將螺紋脂摩擦因數(shù)提升，將鉆井摩擦助力降低，實現(xiàn)螺紋卸扣扭矩、扭矩比提升。

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作者簡介：王云，1983，男，漢，籍貫：江蘇泰州市姜堰區(qū)，職務(wù)職稱：助理工程師、質(zhì)量技術(shù)副總，學(xué)歷：大專，單位：泰州凱圣石油鉆具有限公司，研究方向：機械設(shè)計與制造，單位所在省市及郵編：江蘇省泰州市，225500