提高油套管螺紋連接質量與控制方法

張保軍 高曉娟 翟大江 王靜靜

摘要：石油管是鉆采作業中必不可少的重要材料，其連接質量的好壞直接影響到鉆井作業的成敗和油氣井的壽命。但是油套管的質量并非十分完美，其中粘扣又是油套管連接部位在使用中最常見的損傷失效形式。本文以石油開采中常用的連接管螺紋為研究對象。通過對管螺紋抗粘扣性能、管螺紋參數的優化及控制、螺紋脂和螺紋鍍層特性的研究、特殊螺紋接頭的開發和油套管上卸扣操作等方面。對其進行分析，并指出存在的問題 ，探討進一步提高套管螺紋質量與控制方法。

關鍵詞： ?油套管 螺紋連接 ?連接強度 質量控制

1石油管螺紋粘扣機理分析

1.1粘扣現象

根據ISO13679標準的最新定義，粘扣是一種發生在相互接觸金屬表面間的冷焊。如果金屬之間發生進一步的相對滑動或旋轉，將會引起冷焊部位的撕裂。油套管螺紋在旋轉過程中產生的粘扣現象從金屬學劃分屬粘著磨損。油套管螺紋粘扣主要實在高接觸壓力、溫度和高速加載的作用下，金屬表面發生彈性變形、塑性變形、擠壓剝落、梨溝和嵌入金屬的損傷過程。粘扣特別嚴重者（外螺紋），局部還將發生組織轉變，甚至形成馬氏體，加速螺紋粘扣。

1.2粘扣機理

粘扣過程中的金屬變形機理可以從接觸應力、上扣扭矩以及過盈量幾何約束3方面進行分析。油套管在上卸扣過程中，相互作用的公母扣的螺紋表面并不是理想的平滑，接觸應力直接增大界面摩阻力，具有一定的粗糙度和形狀誤差，在摩擦力的作用下必然是從點接觸開始，造成局部接觸點上的壓力非常高，從而在接觸點產生塑性變形，增大粘扣傾向。

2石油管螺紋連接性能的現狀

2.1螺紋的抗粘扣性能

2.1.1螺紋參數優化及檢測。螺紋參數分為幾何和物理兩種。當外螺紋中徑偏小，內螺紋中徑偏大或者外螺紋錐度偏于下限，內螺紋錐度偏于上限都容易造成粘扣現象的發生。螺紋幾何尺寸因素對粘扣性能的影響依次是中徑、接箍不圓度和錐度，其他參數影響較小。

2.1.2螺紋密封脂、鍍層及材質。使用螺紋密封脂可以提高油套管螺紋的抗粘扣性能，螺紋密封脂在螺紋上扣時，可以減小上扣扭矩，繼而減小粘扣傾向。螺紋脂進入螺紋面及螺紋間隙，其中的固體添料被螺紋面碾碎，發生一定的塑性變形，粘封在螺紋表面，并形成固體顆粒的聚結，在螺紋嚙和面形成密封層，能夠堵塞住螺紋存在的間隙而起到密封作用。

2.1.3現場操作規范及標準。從油田發生的石油管事故來看，有相當一部分是因為現場操作不規范引起的。現場上扣扭矩的增大，粘扣數量及粘扣程度將直線增長。

2.2石油管螺紋的密封形式

目前有三種基本密封形式。無論是那一種連接密封，都必須使螺紋之間或金屬對金屬之間的耐壓能力大于石油管所承受的內壓和外壓。都必須通過一定的上扣扭矩來保證，才能實現密封。

2.2.1錐形螺紋主要依靠螺紋金屬對金屬壓合，并以密封脂粒子充填間隙來進行密封（API標準螺紋）

2.2.2金屬對金屬的封口式密封（特殊螺紋和氣密扣）

2.2.3彈性密封。

2.3幾種不易粘扣石油管螺紋

2.3.1圓螺紋不粘扣接箍提出了增大接箍螺紋起始牙的節徑，并采用一小段大錐度的“引入螺紋”作為過渡接箍，使接箍的起始牙邊緣不會刮著已擰入的螺紋，可有效地消除粘扣現象。

2.3.2高連接強度圓螺紋（HS-RTC）。HS-RTC螺紋因為黑皮螺紋參加連接，除了增加螺紋連接長度，減小連接處管體壁厚削弱影響外，還增加了螺紋節徑，減小了螺紋連接長度上的管體周向應力，提高石油管螺紋連接強度外，從根本上消除了粘扣現象。

2.3.3高氣密偏梯形螺紋（HT-BTC）。HT-BTC技術是將API偏梯形螺紋套管的管端加工成圓弧形的軸向過盈金屬密封面，縮短接箍長度，使接箍連接的兩根石油管的端面在緊扣后相互接觸壓緊，形成封閉的金屬密封環來提高密封性能。

3影響石油管柱螺紋連接質量的因素

3.1扭矩對螺紋連接質量的影響

扭矩對螺紋連接強度的影響。對于A P I石油管，如果上扣扭矩過大，就會在螺紋的接箍和公扣之間產生較大的圓周應力，產生應力破壞或應變裂紋，從而降低整個管柱的強度，甚至在管螺紋處斷裂。如果上扣扭矩太小，就會直接降低螺紋軸向載荷的能力，產生滑扣現象。

3.2轉速對螺紋連接質量的影響

在下入石油管作業中，單根管柱的重力壓在石油管螺紋上，螺紋旋合時會產生摩擦熱，其熱量的多少與旋轉速度、摩擦系數和壓在螺紋面上的壓力有關。如果螺紋旋合時，轉速過快，那么，過高的轉速和壓力將破壞潤滑環境，使石油管螺紋磨損而產生破壞。

3.3其它影響因素

3.3.1螺紋脂的影響。螺紋的密封性主要是靠密封脂來填充公、母螺紋之間的間隙而獲得的。質量較好的螺紋脂摩擦系數較小，可以減小上扣扭矩，繼而可以減小粘扣傾向。螺紋脂在低溫下涂抹對粘扣沒有明顯作用。

3.3.2涂層的影響。表面處理的關鍵是在防止螺紋生銹的前提下，使化學生成的金屬膜表面具有潤滑性。所以，金屬膜的厚度與強度、結晶晶粒的形態、鈍化處理的類別等，都直接影響螺紋的抗粘扣性能。

3.3.3錯扣情況下旋合螺紋，扭矩大且螺紋損傷嚴重。

3.3.4現場下入石油管作業中對螺紋連接質量的影響因素還包括螺紋加工精度、公差、螺紋鍍層的保護以及螺紋清潔等。

4.現場作業套管螺紋質量控制方法

4.1工具和儀器的保證

為提高下入石油管作業質量，要有良好的設備和高精度的儀器來對作業現場進行監測和控制。

4.2現場控制螺紋連接質量的具體措施

4.2.1作業施工前石油管的檢查和處理。按標準檢查下井管柱外觀和內徑，檢查接箍（工廠端機緊后），公扣外露螺紋的扣數，不能超過2/5扣。

4.2.2上扣前對螺紋的檢查和處理。螺紋表面的輕度刻痕可不予處理，但縱向傷痕對螺紋的上扣扭矩及密封性能影響較大。特殊螺紋的密封表面不能有任何損傷，并使用對扣導向器上扣。

4.3下入石油管作業工具準備

對于深井，不能使用吊卡，應使用卡盤，否則過大的軸向應力會使接箍變形，影響螺紋的連接質量。

4.4螺紋密封脂的選擇與使用

螺紋密封脂要選擇正規廠家生產的產品。在使用中，要確保螺紋密封脂涂勻、涂夠，這樣才能有效潤滑螺紋，防止粘扣。

4.5扭矩控制

使用TNY系列扭矩儀，對于API標準螺紋，扭矩控制在推薦的大小值之間。對于特殊螺紋石油管按廠家推薦值實施。

5結論

油套管螺紋粘扣是困擾油田生產重要問題之一，提高鉆井和作業行業成立專門下套管服務隊伍，使下入石油管作業標準化、規范化和科學化。并制定合理的油套管下井操作規范 ，建立操作人員培訓制度 ，研發性能優良的油套管上卸扣工具。將影響螺紋連接質量的因素（扭矩、圈數、轉速、螺紋密封脂、加工精度）嚴格控制和把關。可以減少油田施工作業事故的發生和不必要的經濟損失。

參考文獻：

（1）侯毅.提高石油套管螺紋連接性能的三項技術和專利介紹[J].鋼管，2006，8

（2）趙金洲，張桂林.鉆井工程技術手冊[M].中國石化出版社，2011，3

（3）蔡子波，張藝.石油管螺紋檢測技術[J].中國造船，2007，11