钻具螺纹防粘扣技术及应用

钻具螺纹防粘扣技术及应用

谢强

中石化胜利石油工程有限公司管具技术服务中心

摘要：石油套管螺纹粘扣失效，轻者会损坏螺纹表面，降低其使用寿命，甚至有的管材上卸扣一两次就不得不报废；重者会在油管螺纹连接处发生泄漏，甚至导致脱扣，使众多管材掉人井中，使整口井报废，造成巨大的经济损失。因此，分析研究石油套管粘扣原因，寻找预防粘扣的措施，防止或减少石油会管发生粘扣失效事故，具有十分重要的意义。

关键词：石油钻杆；防粘扣；电刷镀；表面改性

石油钻具可重复使用次数的多少，直接影响到采油企业的生产成本。但是，在实际钻采过程中，油管粘扣失效时有发生，粘扣失效，轻者会损坏螺纹表面，降低钻具使用寿命，甚至有的管材上卸扣一两次就因严重粘扣不得不报废；重者在螺纹连接处发生泄漏、脱扣甚至掉井事故，造成巨大的经济损失。据调查，约64％的失效事故源于螺纹粘扣失效(国内此数字则高达86％)。因此，分析研究钻具粘扣原因，寻找预防粘扣的措施，防止或减少钻具粘扣失效事故，具有十分重要的经济价值和现实意义。

二、粘扣现象及其机理

根据ISO13679标准的最新定义，粘扣是发生在相互接触的金属表面之间的冷焊，是螺纹表面的连续性、完整性和尺寸精度遭到破坏的一种失效现象，其基本特征是在螺纹的表面出现不同程度的划伤、拉毛，甚至出现刮坑、结瘤等缺陷。影响螺纹粘扣性能的因素非常多，如螺纹齿形特征、配合公差、上卸扣力矩大小及螺纹脂的性质等都影响粘扣特性，但要从根本上解决粘扣问题，必须了解粘扣现象发生的机理。为此，国内外工程技术人员对出现粘扣现象的机理进行了深入研究归1。研究结果表明，粘扣实际上是四种常见磨损形式中的两种磨损方式即粘着磨损和磨料磨损共同作用的结果。

二、石油钻具螺纹防粘扣技术及应用

1.钻具螺纹表面处理

对钻具螺纹表面进行处理是预防粘扣现象出现的重要途径，目前表面处理技术主要包括以下两种。（1）渗氮技术及应用。通过加热使氮元素分解为可以被钢铁表面所吸收的氮原子，钢铁吸收氮原子后，就会在表面形成厚度为5μm~50μm的氮化物，如（Cr、Mn）3N及CrN等。氮化层不但具有良好的耐腐蚀性及抗疲劳性，同时还能够充分发挥抗粘着作用。例如，可以先对J55油管的外壁及内壁进行除锈处理，随后将真空型氮化炉放入油管当中进行氮化处理，处理时间为8h左右，取出氮化炉后便可以上扣与卸扣。实践证明，采用渗氮技术后，上卸扣9次之内均可以避免发生粘扣问题，同时还能够有效减少磨损现象。（2）镀锌技术及应用。镀锌技术已经被广泛应用于金属防腐处理，在对螺纹表面进行处理时可以考虑选用氰化镀锌工艺，以增强镀液的覆盖能力与分散性能。实践证明，当镀层的厚度＞30μm时，能够有效防止螺纹出现粘扣现象。需要注意的是，在应用镀锌表面处理技术时需要克服镀锌层熔点较低及脆性较大的缺陷，将419.5°发热熔点尽量提升至450°以上。此外，由于镀锌层在上扣卸扣时可能会被剥落，因此要及时对剥落物进行处理，以免对环境造成污染。

2.合理使用螺纹脂

螺纹脂是连接螺纹时的一种必需物质，实践证明应用螺纹脂不但可以使钻具螺纹密实性及润滑性得以增强，同时还能够避免螺纹出现过度上紧的问题，因此在实际工作中应用可以有效预防粘扣现象的发生。为了确保螺纹脂充分发挥防粘扣作用，应注意做好以下工作。（1）在进行对扣前要对丝扣进行处理，即利用毛刷及清水将丝扣表面存在的污物，如泥浆等的清除，随后再将螺纹脂均匀涂于丝扣表面。（2）优化选择螺纹脂。如石油钻具在工作状态下面临高扭力负荷，则应选择含有少量软金属的螺纹脂，如锌基螺纹脂等，以避免因分离油膜遭到破坏而导致螺纹脂被挤出。锌基螺纹脂中细锌粉的质量比为40%~60%，当钻具螺纹受到接触压力的强烈挤压时，细锌粉就会不断聚结成少量固体颗粒。固体颗粒可以密封泄漏管道，并同时使钻具螺纹表面接触状态得以改变，当齿面接触应力得以降低时就可以有效预防粘扣。（3）严格控制在APIBULL5A2标准下生产或制作的螺纹脂。如石油钻具在工作时承受的扭力较低，则可以使用此类螺纹脂，如扭力较大，则不适用，以免因紧扣扭矩过小而引起钻具事故。

3.螺纹参数优化及完善上扣操作

螺纹参数优化与完善上扣操作是预防粘扣的重要方法。（1）对石油钻具的螺纹参数进行优化不但可以有效延长钻具的使用寿命，同时也可以有效防止出现粘扣现象。在优化参数时可以将APISpetct5B作为控制标准，以J55级直径为73mm的油管为例，其螺纹接箍参数标准如下：螺纹高度公差的内控标准为-0.05mm~0.02mm，API标准为-0.01mm~0.05mm；螺距公差（25.4mm）的内控标准为±0.04mm，API标准为±0.07mm；锥度内控标准为0.063mm~0.066mm，API标准为0.060mm~0.068mm；紧密距的内控标准为4.0mm~7.0mm，API标准为（5.08±3.81）mm。（2）为预防粘扣，在上扣时应注意避免野蛮操作，如在母接头的台肩上直接上公接头的端部等，以避免台肩面的密实性受到影响。应确保母接头与公接头相互对中后才能进行旋扣操作，如发现接头出现卡阻或摇摆问题，则禁止通过高速旋紧的方法强行上扣，以免对螺纹造成损坏。正确的方法应为，采用大钳稍稍回转公母接头，当公母接头逐渐松脱时，将立柱提起并同时轻轻转动立柱，完成以上操作后再次进行对扣。此外，也可以先采用人工的方法将1扣~2扣旋紧后才开始机紧操作，同时司钻人员应根据旋紧的具体情况慢慢将刹把放松，以确保钻杆处于垂直状态。

综上所述，钻具螺纹粘扣会给石油生产工作造成非常恶劣的影响，因此要深入研究粘扣问题产生的原因，并在此基础上合理利用防粘扣技术，如合理选用螺纹脂，强化螺纹修复及检查，避免使用质量或参数达不到标准的石油钻具，禁止野蛮上扣，优化螺纹的参数设计及加强钻具螺纹检测工作等。此外，还应在实际的工作中不断总结防粘扣经验，并找出防粘扣工作中存在的不足，从而为钻具的有效使用提供条件。

参考文献

[1]何体财.石油钻具螺纹应力分析与减摩涂料的开发[D].西安科技大学,2019.

[2]韩翔.刍议当前石油钻具螺纹防粘扣技术及应用[J].企业技术开发,2015,34(26):15-16.