芻議當(dāng)前石油鉆具螺紋防粘扣技術(shù)及應(yīng)用

韓翔

摘 要：石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象是石油作業(yè)過程中最常見的損傷失效形式，針對(duì)因螺紋卸不開扣的部分鉆桿，嚴(yán)重時(shí)只能采取氣割將其強(qiáng)制分離的方法，制約了石油的生產(chǎn)，導(dǎo)致石油企業(yè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。文章通過對(duì)鉆具螺紋粘扣機(jī)理、現(xiàn)象和各種類型防粘扣方法優(yōu)缺點(diǎn)的分析，探討出行之有效的石油鉆具螺紋防粘扣技術(shù)。

關(guān)鍵詞：石油鉆具；螺紋防粘扣技術(shù)；實(shí)際應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TE921.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）26-0015-02

石油工程企業(yè)生產(chǎn)成本直接受到石油鉆具可重復(fù)使用的次數(shù)多少影響。而鉆桿粘扣失效的情況在石油的實(shí)際鉆采過程常有發(fā)生，石油鉆具螺紋粘扣不僅會(huì)造成螺紋表面損壞，降低石油鉆具的使用壽命，還有可能在卸扣幾次后導(dǎo)致石油鉆具螺紋嚴(yán)重粘扣而報(bào)廢，更甚者，螺紋連接處不但會(huì)出現(xiàn)泄露脫扣問題，還會(huì)發(fā)生落井事故，這給石油工程企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失無疑是巨大的。

據(jù)資料顯示，我國有高達(dá)86%的石油鉆具失效事故皆是因?yàn)槁菁y粘扣失效引起。由此，深入探析石油鉆具螺紋粘扣原因，分析關(guān)于防止粘扣問題的措施，并降低石油鉆具粘扣失效事故概率，對(duì)于石油工程企業(yè)而言有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文主要針對(duì)當(dāng)前石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象，總結(jié)出行之有效的防粘扣技術(shù)，為同行提供扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并為促進(jìn)防粘扣技術(shù)的完善提供具參考價(jià)值的意見。

1 石油鉆具螺紋粘扣概述與粘扣現(xiàn)象的基本情況

按照最新的ISO13679標(biāo)準(zhǔn)的定義所謂的石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象，主要是指兩個(gè)相互發(fā)生接觸的金屬表面的冷焊現(xiàn)象。若金屬面再次進(jìn)行相對(duì)活動(dòng)旋轉(zhuǎn)，還會(huì)引起粘扣處即發(fā)生冷焊的部分撕裂。從金屬學(xué)角度來劃分，石油鉆具螺紋在旋合過程中產(chǎn)生粘扣現(xiàn)象屬于粘著磨損。通俗來說，在壓力、溫度、速度過高的加載作用下，鉆具金屬面彈塑性的變形也就是發(fā)生損傷，被潛入或擠壓剝落金屬劃出犁溝的整個(gè)過程就是石油鉆具螺紋粘扣。粘扣現(xiàn)象甚者不但會(huì)引起局部組織變形的情況，還容易出現(xiàn)加上螺紋粘扣的馬氏體。

石油鉆具螺紋粘扣是很多井隊(duì)都容易出現(xiàn)的問題，而針對(duì)粘桿螺紋卸不開扣的現(xiàn)象，井隊(duì)常利用氣割割開方法，但這對(duì)鉆井生產(chǎn)的影響極大，會(huì)導(dǎo)致石油工程企業(yè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)石油鉆具發(fā)生螺紋刺扣和粘扣問題時(shí)，管具公司有關(guān)人員必須對(duì)井場(chǎng)內(nèi)新修復(fù)且還未投入使用的粘桿螺紋采用螺紋量規(guī)等進(jìn)行重新的檢驗(yàn)，務(wù)必保證錐度等達(dá)到質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)。并且管具公司要對(duì)庫存石油鉆具螺紋的長度、錐度等主要指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。石油鉆具螺紋粘扣是石油鉆具使用過程中最常見的損傷失效形式。石油鉆具螺紋粘扣不但會(huì)損壞鉆具，還會(huì)導(dǎo)致鉆具的滑落促使整個(gè)油井報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，研究石油鉆具螺紋粘扣防止技術(shù)將有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 石油鉆具螺紋粘扣的機(jī)理和原因

2.1 石油鉆具螺紋粘扣機(jī)理

從摩擦學(xué)理論角度來看，石油鉆具螺紋粘扣機(jī)理則是：上卸扣鉆具的過程中，在摩擦力作用下螺紋旋轉(zhuǎn)面因?yàn)槠浔砻嫘螤钫`差、粗糙度等因素，以及摩擦接觸點(diǎn)材料的壓力過高并超出其屈服強(qiáng)度，而造成受壓部分的塑性變形，同時(shí)由于塑性變形的鍍層缺失，或是鍍層在切向運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)破裂時(shí)，在溫度急劇上漲的情況下接觸點(diǎn)兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)局部的融化結(jié)晶甚至再擴(kuò)散等，就極易導(dǎo)致互相接觸的兩個(gè)表面間出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象即粘合。若此時(shí)接觸面再次發(fā)現(xiàn)相對(duì)旋轉(zhuǎn)活動(dòng)時(shí)，還將發(fā)生冷焊部分撕裂的情況。此外，如果上卸扣過程中沒能及時(shí)散去摩擦產(chǎn)生的熱量，或是采用高溫耐壓性能較低的潤滑劑，將導(dǎo)致更加嚴(yán)重的粘著現(xiàn)象即熱焊現(xiàn)象。還有，由材質(zhì)相同或晶格結(jié)構(gòu)較為相似的異種材料構(gòu)成的摩擦副，也會(huì)造成石油鉆具螺紋粘扣問題。

從金屬角度分析石油鉆具螺紋粘扣問題，一般屬于粘著磨損現(xiàn)象。若石油鉆具螺紋粘扣出現(xiàn)鐵屑、沙粒等硬質(zhì)顆粒則為磨粒和粘著磨損。因?yàn)槁菁y內(nèi)外旋合摩擦?xí)r，會(huì)引起金屬表面溫度的急速上升，進(jìn)而破壞螺紋表面的完整性、連續(xù)性。而粘著磨損被稱之為咬合磨損，是指兩種材料表面某接觸點(diǎn)局部壓力超過材料屈服強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生粘合并拽開時(shí)表面出現(xiàn)損傷的現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為機(jī)件表面結(jié)疤大小的不同。磨粒磨損指的是摩擦表面受到硬質(zhì)顆粒的作用，造成摩擦面出現(xiàn)犁溝等的磨損現(xiàn)象。

2.2 石油鉆具螺紋粘扣的原因

防腐材料不合適是石油鉆具發(fā)生螺紋粘扣問題原因之一。柴油泡瀝青雖然是很好的防腐劑，但用在石油鉆具螺紋上卻容易引起螺紋粘扣現(xiàn)象，因?yàn)檫@種防腐劑在干燥后，將變成高硬度固體依附在螺紋表面，且還會(huì)出現(xiàn)瀝青積聚情況，并且在這種防腐劑干燥的過程中會(huì)粘結(jié)一些鐵屑等雜物，若不能很好的清洗則會(huì)導(dǎo)致鉆具因雜物而發(fā)生粘扣現(xiàn)象。由于這種防腐方法會(huì)加大螺紋現(xiàn)場(chǎng)清洗的難度，在清洗螺紋時(shí)必須長時(shí)間用柴油軟化瀝青才能真正的清洗干凈，但若清洗不及時(shí)或未能清洗干凈，就會(huì)引起螺紋粘扣問題。同時(shí)，在修復(fù)鉆具的過程中常會(huì)產(chǎn)生鐵屑等固體，且在歸位、運(yùn)輸、吊裝鉆具等工程中，螺紋部位容易粘附這些固體，也是引發(fā)螺紋粘扣的關(guān)鍵因素。最后，經(jīng)過調(diào)查顯示，鼠洞太臟造成的螺紋脂涂抹不均勻也是石油鉆具螺紋粘扣發(fā)生的原因之一。由于鉆桿長時(shí)間浸泡在鼠洞的鉆井液中，若涂抹螺紋脂時(shí)螺紋清理不夠干凈，將導(dǎo)致螺紋粘扣現(xiàn)象。最后，新修復(fù)螺紋不易粘附螺間隙相對(duì)較小，而這也是引發(fā)螺紋粘扣問題的原因之一。

3 石油鉆具螺紋防粘扣技術(shù)及應(yīng)用

3.1 螺紋參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化

針對(duì)石油鉆具螺紋粘扣情況的發(fā)生來看，石油鉆具螺紋的參數(shù)極為關(guān)鍵，在一定程上來說合理優(yōu)化參數(shù)能降低粘扣發(fā)生率。其中螺紋錐度、緊密度、螺距、齒形角等皆為螺紋的主要參數(shù)。據(jù)有關(guān)資料顯示，內(nèi)外螺紋當(dāng)出現(xiàn)螺距、齒形角角度、錐度等的偏差時(shí)，其過程在螺紋由于受力不均衡，造成局部壓力較大出先發(fā)生粘扣現(xiàn)象，并逐步引起更大范圍的螺紋粘扣情況。為更好地緩解這種情況，內(nèi)外螺紋梳刀的幾何參數(shù)必須加以嚴(yán)格控制，實(shí)現(xiàn)螺紋參數(shù)的最優(yōu)化，促進(jìn)刀具互換性的增強(qiáng)，并正確對(duì)正的進(jìn)行夾刀安裝。實(shí)際上，利用螺紋參數(shù)優(yōu)化的方法避免因此而引起的粘扣現(xiàn)象是最常用的方法。

影響鉆具螺紋抗粘扣性能還有螺紋表面粗糙度的原因。由于，材料的摩擦系數(shù)會(huì)因?yàn)槠鹗伎勐菁y毛刺變大，因此會(huì)加大材料摩擦力引起螺紋粘扣。不過反之，材料摩擦系數(shù)和摩擦力會(huì)隨著螺紋表面粗糙度的越小減小，也就不易引起螺紋粘扣。根據(jù)A.Ertas對(duì)表面粗糙度影響油井管粘扣性能影響的模型試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，不管壓力小到什么程度表面較為粗糙的模型極易產(chǎn)生粘扣。石油鉆具作業(yè)往往伴隨著惡劣的環(huán)境，要滿足溫度、速度及壓力都很高的超深井油田勘探開發(fā)的需求，相對(duì)而言，我國當(dāng)前研制出容易上扣的特殊且基本不出現(xiàn)錯(cuò)扣的螺紋，顯著地提高了石油鉆具的使用壽命。

但通過分析當(dāng)前的各種粘扣失效現(xiàn)象可知，即便螺紋參數(shù)不斷優(yōu)化也符合各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也有采用特殊扣型螺紋和降低表面粗糙度，但任避免不了粘扣失效問題，因此這一方法不能針對(duì)性的解決粘扣問題，但適用于一般粘扣問題的解決中。

3.2 合理的表面處理技術(shù)

鍍鋅鍍銅、磷化滲氮等是當(dāng)今國際上常用到的表面處理提高石油鉆具螺紋抗粘扣性能的技術(shù)。不同的處理技術(shù)螺紋抗粘扣性能也存在差異。因?yàn)椋绊懧菁y抗粘扣性能因素涉及鍍層的熔點(diǎn)、厚度、硬度或結(jié)晶晶粒形態(tài)等。據(jù)相關(guān)資料顯示，鍍銅方法的高熔點(diǎn)低硬度對(duì)抗粘扣性能提高極為重要，若為進(jìn)一步提高抗粘扣性能還可與噴砂處理相結(jié)合。同時(shí)，某些發(fā)達(dá)國家還會(huì)采用不同表面處理技術(shù)同時(shí)處理公、母螺紋，以此來促進(jìn)鉆具螺紋抗粘扣性能的顯著性提高。

本文將主要分析表面處理技術(shù)的鍍銅方法。此前，有學(xué)者在相同條件對(duì)各種表面處理技術(shù)即鍍鋅、鍍銅、鍍鎳等影響材料抗粘扣性能方面做過研究。研究結(jié)果顯示，鍍銅層由于其硬度低熔點(diǎn)高可顯著性增強(qiáng)抗粘扣性能。比較起鋼鐵材料晶格參數(shù)，金屬銅具有硬度低、熔點(diǎn)高的特點(diǎn)，所以相對(duì)來說鍍銅層具有良好的延展性韌性，與基體結(jié)合力較強(qiáng)，與其他表面處理技術(shù)相較有著更高的螺紋抗粘扣性能。由于在上卸扣過程中石油鉆具螺紋過盈配合將引起兩個(gè)相接觸的面出現(xiàn)摩擦熱量，進(jìn)而造成接觸面的溫度急劇上漲，但鍍銅層的高熔點(diǎn)則能很好的保護(hù)鍍層不被摩擦熱量融化，也就不會(huì)出現(xiàn)鍍層破壞。同時(shí)，潤滑劑也能在硬度低的銅鍍層上充分發(fā)揮作用，不容易引發(fā)因潤滑劑失效出現(xiàn)的金屬基體損傷問題。另外，因?yàn)殂~鍍層具有良好的性能，是最好的繼續(xù)潤滑膜最大度保證了螺紋抗粘扣性能。所以，有效防止鉆具螺紋粘扣的最理想方法就是鍍銅技術(shù)。

現(xiàn)階段，鍍銅工藝包括氰化、酸性硫酸鹽、焦磷酸鹽三種鍍銅技術(shù)。不過，氰化鍍銅使用的氰化物含有劇毒，會(huì)引起環(huán)境污染問題，所以，已經(jīng)很少會(huì)采用工藝。直接在鋼鐵基體上電鍍的焦磷酸鹽鍍銅工藝，則易出現(xiàn)結(jié)合不良，渡液高成本鍍速慢的問題。而焦磷酸鹽鍍銅工藝結(jié)合力較差，需要先預(yù)渡其他鍍層不能直接在鐵表面鍍銅。針對(duì)現(xiàn)有鍍銅技術(shù)的問題，只有加強(qiáng)研究促進(jìn)其更完善，才能有效的改善石油鉆具螺紋粘扣問題，但是不可否認(rèn)的是，在未來鍍銅處理技術(shù)或?qū)⑷〈魏我环N表面處理技術(shù)。

4 結(jié) 語

總而言之，石油鉆具螺紋粘扣問題是當(dāng)前石油企業(yè)急需解決的問題之一，由于石油鉆具螺紋粘扣不僅會(huì)造成螺紋表面損壞，降低石油鉆具的使用壽命，還有可能在卸扣幾次后導(dǎo)致石油鉆具螺紋嚴(yán)重粘扣而報(bào)廢，更甚者螺紋連接處不但會(huì)出現(xiàn)泄露脫扣問題，還會(huì)發(fā)生落井事故，導(dǎo)致整口油井報(bào)廢，給石油工程企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失無疑是巨大的。由此可見，深入探析石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象以及發(fā)生的原因和機(jī)理，分析其有效的防止措施，減少事故發(fā)生概率，將具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。雖然現(xiàn)有防治措施能起到很好的防止功能，但依舊滿足不了快速發(fā)展的石油業(yè)需求，因此，有必要加強(qiáng)新的防粘扣技術(shù)的研制。

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