鉆鋌螺紋應力分散槽結構改進

馬福保，連 華，陳社謙，賈建青，趙 瑜

（1.山西北方機械制造有限責任公司，太原030009；2.中石油華北油田公司 采油四廠，河北 廊坊065000）①

鉆鋌在井眼中承受的載荷非常復雜，特別是鉆鋌接頭，同時承受內壓、外壓、軸向載荷、彎曲載荷和轉矩的作用，鉆鋌在鉆進過程中還承受著動載的作用，在復雜載荷作用下，鉆鋌發(fā)生斷裂失效的現(xiàn)象普遍存在［1］。通過大量的鉆鋌失效調查，發(fā)現(xiàn)其失效部位大部分集中在螺紋連接處。根據(jù)大港油田近30a鉆鋌螺紋失效統(tǒng)計，內螺紋斷裂占34%，外螺紋斷裂占66%；四川川東地區(qū)1996～1997年發(fā)生的303起鉆具失效事故中，鉆鋌失效達137次，占45.2%，在失效類型中，連接螺紋失效達222次，占73.3%，其中發(fā)生在公扣處的失效達131次，占59.0%；大慶油田鉆鋌螺紋損壞占鉆鋌失效總數(shù)的88.4%，因此鉆鋌損壞基本上都發(fā)生在鉆鋌螺紋連接處［2］。研究表明，在鉆鋌的內、外螺紋消失處加工應力分散槽，減輕應力集中，是減少鉆具失效的途徑之一。雖然帶應力分散槽的鉆具在螺紋部位發(fā)生斷裂事故有所減少，但仍然存在。塔里木油田CXL5井在鉆井過程中，1個月內發(fā)生了5起鉆具斷裂事故造成了巨大經(jīng)濟損失［3］。某油田2002～2004年鉆具失效統(tǒng)計結果：鉆具失效次數(shù)最多的是鉆鋌，占鉆具失效總數(shù)的63.1%；對油、氣井2002～2004年不同類型鉆鋌失效次數(shù)統(tǒng)計結果：油、氣井鉆鋌內螺紋接頭斷裂失效次數(shù)最多，占44.6%；其次為鉆鋌外螺紋斷裂失效，占28.4%。為了解決鉆鋌斷裂問題，該油田新購鉆鋌和修復鉆鋌全部要求加工應力分散槽。應力分散槽的結構形狀有標準規(guī)定的結構形狀，也有自己設計的應力減輕槽形狀［4］。因此，采用何種結構的螺紋應力分散槽引起了人們的關注，進一步探討鉆鋌螺紋應力分散槽的結構并對其進行改進，對減少鉆具失效意義重大。

1 標準對鉆鋌螺紋應力分散槽的要求

API Spec7《旋轉鉆井設備規(guī)范》（1985年，第35版）較早地在標準中明確給出了螺紋應力分散槽。參考API Spec7，我國于1987年4月首次發(fā)布了行業(yè)標準SY5144—1986《鉆鋌》［5］，其中關于螺紋應力分散槽的規(guī)定如圖1～2所示。GB9253.1—1988《石油用螺紋和量規(guī)》中的應力分散槽等效采用了API Spec7第35版。

圖1 內螺紋應力分散槽

圖2 外螺紋應力分散槽

SY／T5144—1997《鉆鋌》［6］是 SY5144—1986第1次修訂版。該標準參考了API Spec7《旋轉鉆井鉆柱構件規(guī)范》（1994年4月，第38版）的有關技術內容，本標準對內螺紋應力槽分散槽進行了結構改進，如圖3所示，并將圖1所示的內螺紋應力分散槽作為一種替代的內螺紋連接部位應力分散槽，外螺紋應力分散槽保持不變，如圖2所示。

圖3 內螺紋內孔應力分散槽

SY／T5144—2007《鉆 鋌》［7］是 SY／T5144—1997的升級版。該標準參考了API Spec7《旋轉鉆井鉆柱構件規(guī)范》（2001年11月，第40版）的有關技術內容，保留了SY／T5144—1997中的應力分散槽，并完善了內螺紋應力分散槽的結構表達，如圖4所示。避免了SY／T5144—1997中內螺紋應力槽結構的理解歧義。

GB／T22512.2—2008《石油天然氣工業(yè) 旋轉鉆井設備 第2部分：旋轉臺肩式螺紋連接的加工與測量》［8］中關于應力分散槽的要求與SY／T5144—2007《鉆鋌》一致。

圖4 內螺紋內孔應力分散槽

即將出版的SY／T5144—2013《鉆鋌》是SY／T5144—2007的最新升級版。保留了螺紋應力分散槽結構，并與GB／T22512.2—2008相統(tǒng)一。

2 原有結構存在的問題

主要討論鉆鋌內螺紋應力分散槽的結構。內、外螺紋連接后如圖5所示。

圖5 NC50內、外螺紋連接結構

以177.8mm鉆鋌接頭（內徑71.4mm）螺紋NC50－70為例，分析內、外螺紋帶應力分散槽時嚙合的具體情況。NC50－70螺紋的尺寸如下：

內螺紋臺肩面至最后一牙刻痕長度Lx＝101.6 mm，內螺紋件圓柱段直徑Dcb＝117.48mm，內螺紋大端小徑D2＝128.07mm，大端擴孔長度為15.9 mm，螺距P＝6.35mm?？捎嬎愠觯簝嚷菁y完整扣（內螺紋端面至完整扣處A點，內螺紋小徑輪廓線與內螺紋件圓柱段直徑Dcb的交點）長度L＝63.54 mm，倒角寬度B＝7mm，從而得出：實際完整扣長L1＝L－15.9－B＝40.64mm。螺距 P＝6.35 mm，完整扣牙數(shù)6.4。對內螺紋而言，在長度Lx范圍內只有6牙處于完全嚙合狀態(tài)，其余處于半嚙合或非嚙合狀態(tài)，半嚙合長度為31.62mm，而且嚙合的牙型高度由完整牙高逐漸過渡為零。對外螺紋而言，外螺紋長度Lpc＝114.3mm，在長度Lpc范圍內，臺肩面至內、外螺紋的嚙合末點A1（外螺紋大徑輪廓線與內螺紋件圓柱段直徑Dcb的交點）長度95.16 mm，其余19.14mm處于自由懸臂狀態(tài)。

通過以上分析，內、外螺紋帶應力分散槽時，存在的主要問題是：嚙合的完整扣長度縮短，部分處于半嚙合狀態(tài)，而且外螺紋有部分扣處于懸空自由狀態(tài)。這樣可引起鉆鋌螺紋在復雜載荷的作用下，容易在A1截面發(fā)生斷裂失效，這與近幾年來鉆鋌內螺紋在距其端面80～100mm處發(fā)生斷裂的失效形式基本吻合。圖6為帶應力槽的203mm鉆鋌內螺紋斷裂情況。

另外，帶有應力分散槽的鉆鋌一旦螺紋損壞需要修復時，鉆鋌端部需切棄一定長度后才能重新加工螺紋，不同規(guī)格的鉆鋌要切棄的長度為70～100 mm，因而，鉆鋌材料浪費相當大，并且進一步縮短了鉆鋌的使用壽命。

圖6 鉆鋌內螺紋斷裂實例

3 螺紋應力分散槽對彎曲強度比的影響

SY／T6288—2007《鉆桿和鉆鋌選用作法》［9］中6.1.2.2規(guī)定，鉆鋌內、外螺紋接頭的彎曲強度比按下式計算：

其中

式中：BSR為鉆鋌彎曲強度比；ZB為內螺紋接頭截面模數(shù)，mm3；ZP為外螺紋接頭截面模數(shù)，mm3；DC為內、外螺紋接頭外徑，mm；b為外螺紋末端處的內螺紋牙根直徑，mm；DR為距外螺紋接頭臺肩19.05 mm處外螺紋的牙根直徑，mm；d為鉆鋌內徑，mm；C為螺紋基面中徑，mm；tpr為錐度，mm／mm；Lpc為外螺紋錐部長度，mm；a為齒高，mm；H 為原始三角形高度，mm；frn為牙底削平高度，mm。

查閱GB／T 22512.2—2008可得：C＝128.059 mm；tpr＝1∶6；H＝5.487mm；frn＝0.965mm。將以上數(shù)據(jù)分別代入式（2）～（4），可得：a＝1.778 5 mm；b＝115.212mm；DR＝123.973mm。

由于內、外螺紋帶有應力分散槽，需對b和DR做修正，外螺紋末端有19.14mm處于懸臂自由狀態(tài)，可推出：b＝C－tpr（Lpc－15.875－19.14）＋2a＝118.405mm。

外螺紋件的槽直徑DRG＝120.45mm，所以，修正后的DR＝DRG＝120.45mm。查閱SY／T 5144—2007可得：D＝177.8mm；d＝71.4mm。將Dc、d及修正后的b、DR代入式（1）即可得BSR＝2.95。

177.8mm 鉆鋌接頭（內徑71.4mm）螺紋NC50－70不帶應力分散槽時，彎曲強度比BSR＝2.73。

根據(jù)API RP7G推薦平衡連接（所謂平衡連接就是指內、外螺紋抗疲勞性能大致相當）時，BSR＝2.5。通?？山邮艿腂SR為1.9～3.2，根據(jù)實際情況而定。由以上計算看出，螺紋加工應力分散槽后，彎曲強度比略有提高，但在推薦范圍內。

4 結構改進建議

針對內螺紋螺紋應力分散槽存在的問題，提出內螺紋應力分散槽的改進思路，①加長內螺紋完整扣長度，使之與外螺紋長度相同，以增加螺紋有效嚙合牙數(shù)，相應地減小內螺紋件圓柱段直徑Dcb，使之與內螺紋完整扣處（A′點）的小徑相同。②內螺紋應力分散槽后孔圓柱段長度由原50.8mm增加到88.9mm。改進后的內螺紋內孔應力分散槽結構如圖7所示。以NC50為例，完整扣長L＝114.3 mm，Dcb＝109mm。

圖7 改進后的內螺紋內孔應力分散槽結構

外螺紋應力分散槽保持不變。研究結果表明：帶有應力減輕槽的外螺紋具有較小的應力集中，特別是API標準應力減輕槽的應力集中最小，因此抗疲勞性能最佳，建議外螺紋采用這種應力減輕槽結構［10］。

5 結語

改進后的內螺紋應力分散槽，保證了內、外螺紋嚙合的完整性。改善了應力在軸向的分布狀況，具有明顯的應力減輕效果。當鉆鋌螺紋損壞需要修復時，切棄的端部長度縮短，可增加修復次數(shù)，延長鉆鋌的使用壽命。

［1］王文云，湯云霞，朱明峰.鉆鋌螺紋失效分析及解決措施［J］.石油礦場機械，2007，36（12）：45－48.

［2］朱榮東，陳平，夏宏泉，等.鉆鋌螺紋的有限元分析及應力分散槽優(yōu)化設計［J］.西南石油大學學報：自然科學版，2008，30（2）：138－141.

［3］呂栓錄，楊棟，楊成新，等.CXL5井鉆具斷裂原因分析［J］.石油礦場機械，2013，42（10）：66－70.

［4］呂栓錄，倪淵詮，楊成新，等.某油田鉆具失效統(tǒng)計分析［J］.理化檢驗：物理分冊，2012，48（6）：415－418.

［5］SY5144—1986，鉆鋌［S］.

［6］SY／T5144—1997，鉆鋌［S］.

［7］SY／T5144—2007，鉆鋌［S］.

［8］GB／T22512.2—2008，旋轉鉆井設備 第2部分：旋轉臺肩式螺紋連接的加工與測量［S］.

［9］SY／T6288—2007，鉆桿和鉆鋌選用作法［S］.

［10］陳勇，林元華，施太和，等.公螺紋應力減輕槽效果分析［J］.石油鉆采工藝，2004，26（6）：18－20.