雙臺肩鉆桿螺紋應用現狀及互換使用分析

胡小波

（長城鉆探頂驅技術分公司，遼寧 盤錦 124010）

0前言

在石油鉆探行業，隨著深層頁巖氣、頁巖油、煤層氣以及超深井、分支水平井的大范圍開發，鉆井工藝對鉆桿的抗扭性能提出了更高的要求。而鉆桿的接頭是整個結構的薄弱環節，因此提高鉆桿的抗扭性能主要在于提高鉆桿接頭的性能[1]。在實際應用中，主要從以下三個方面來進行改善，一是在保持原有鉆桿鋼級的基礎上，通過內加厚、外加厚以及內外加厚的方式提高抗扭強度。此方法改進升級容易，但提高抗扭性能程度有限，同時存在井下環空和鉆具水眼循環效能降低的問題，易發生憋泵等致命缺陷，現已經不是提高鉆桿抗扭的主要發展方向。二是使用高鋼級鉆桿，通過增加材料屈服強度來提高鉆桿的抗扭性能，除API鉆桿鋼級G105、S135外，V150、V170也相繼面世。其中以法德合資公司V&M出品的超高強度鉆桿MW-V-170最為突出[2-3]，對于高鋼級鉆桿的研發，技術門檻高，投入產出慢，我國目前還處于初級階段。三是在不改變鋼級和接頭外徑的前提下，對鉆桿接頭的螺紋結構進行改進，從而獲得理想的抗扭特性。雙臺肩鉆具螺紋的使用，既規避了高鋼級的技術門檻，同時又獲得了良好的抗扭性能和良好的泥漿循環通道，無論是在國內還是國外，都取得了大量的研發專利并應用到實際鉆井生產中[4]。

本研究從API鉆桿螺紋入手，對國內外常見的雙臺肩螺紋進行分析比較并介紹其應用情況，通過對比國內外廠家螺紋設計的異同點，歸納總結出雙臺肩螺紋與傳統API螺紋的互換使用方法。

1 API鉆桿螺紋簡介

對于石油鉆桿用的螺紋類型，以APISPEC 7標準加工的螺紋扣型的使用較為普遍[5]。按照螺紋扣型主要分為內平扣（IF扣）、貫眼扣（FH扣）、正規扣（REG扣）和數字型扣（NC扣）[6]。而按照螺紋牙型主要分為V-0.038R、V-0.050和V-0.065三種。根據API扣型和牙型的分類，即可得到頂驅保護接頭常用API扣型尺寸參數，見表1。

表1 頂驅保護接頭常用API扣型尺寸參數

2 雙臺肩螺紋扣型分析及使用情況

2.1 雙臺肩螺紋結構

隨著石油天然氣鉆井過程中遇到的大鉆壓、高泵壓和高扭矩等復雜結構井的數量不斷增加，傳統API標準的鉆桿鉆具結構已經不能滿足實際需要，高抗扭、高密封壓力的鉆桿需求顯著增加。對此，專家學者提出了一種鉆桿接頭雙臺肩結構，在鋼級不變的情況下，抗扭能力得到了明顯的提高[7]。另一方面，在保證抗扭性能前提下，可以增大鉆具的內徑而減小鉆桿接頭的外徑，進而獲得鉆具內通道和井內環空的雙提升，極大降低了井下卡鉆的風險。雙臺肩結構如圖1所示。

圖1 鉆桿接頭雙臺肩結構示意圖

從圖1可以看出，第一臺肩面與傳統API接頭結構相同，通過適當金屬面間的應力形變實現金屬密封。在公扣的頂端形成了有一定錐角的金屬面的鼻端，而在鼻端的最前端面，則為第二臺肩面，當扭矩達到一定程度后，第二臺肩面的公母扣接觸，形成機械停止位，從而增加抗扭能力[8]。

2.2 國外廠家雙臺肩鉆桿螺紋分析

國外鉆桿生產廠家以美國NOV公司旗下的格蘭特鉆具公司和法德合資的V&M公司最為知名。而格蘭特鉆具公司由于其將雙臺肩結構引入鉆桿接頭，并取得了良好的應用效果，其雙臺肩螺紋結構在抗扭鉆桿中已經得到了廣泛的應用，并形成了GPDS、HT和XT三個雙臺肩系列[9]。

GPDS雙臺肩結構采用了API數字扣型的牙型 （V-0.038R）、錐度 （1∶6）、螺距 （4扣/in）和相應尺寸的基準面，只是將公母扣的首端改為鼻端，利用第二臺階面增加機械停止點，能夠提供比相同規格API接頭高20%～50%的抗扭強度。典型型號有GPDS26、GPDS31、GPDS38、GPDS40、GPDS46、GPDS50和GPDS55，其結構如圖2所示。

圖2 GPDS雙臺肩螺紋結構圖

HT雙臺肩結構同樣采用了API數字扣型的牙型（V-0.038R）、錐度（1∶6）、螺距（4扣/in）和相應尺寸的基準面，與GPDS雙臺肩結構不同之處在于采用了加長的鼻端和頸部。能夠提供比相同規格API接頭高40%的抗扭強度。典型型號有HT26、HT31、HT38、HT40、HT46、HT50和HT55，其結構如圖3所示。

圖3 HT雙臺肩螺紋結構圖

XT雙臺肩結構最大的特點是采用了比GPDS系列和HT系列更平緩的螺紋錐度，達到了1∶12，兩種螺紋錐度對比如圖4所示，從外表上看螺紋錐度更平緩，能夠提供比相同規格API接頭高70%的抗扭強度。其主要型號有XT26、XT29、XT31、XT38、XT39、XT40、XT46、XT50和XT55，XT雙臺肩螺紋結構如圖5所示。

圖4 HT螺紋與XT螺紋錐度對比

圖5 XT雙臺肩螺紋結構圖

2.3 國內廠家雙臺肩鉆桿螺紋結構分析

盡管國內鉆桿接頭雙臺肩螺紋鉆桿研發起步相對較晚，但由于鉆桿接頭雙臺肩結構的突出優點，也得到了突飛猛進的發展。國內規模較大、應用較早的有上海寶鋼集團、上海海隆集團、中石油渤海能克鉆桿公司、河北奧瑞拓石油機械公司、遼寧派普鉆具公司等。這些國內廠家基本都以API雙臺肩結構為參照，結合自身對于鉆具扣型研發的技術優勢，通過修改牙型、螺距、錐度、鼻端和頸部的長度以及基準面中徑的大小等參數，獲得具有自身特點的扭矩特性、抗扭特性和鉆井液循環效能。

2.3.1 寶鋼集團雙臺肩鉆桿螺紋

寶鋼集團利用其在鋼材領域從煉鐵、煉鋼、條鋼、鋼管、摩擦對焊等上下游一體化的優勢，除生產出API鉆桿、抗硫鉆桿和高鋼級鉆桿之外，較早開發出了BGDS系列雙臺肩抗扭螺紋和BGXT系列雙臺肩超高抗扭螺紋[10]。BGDS系列螺紋與API鉆桿螺紋的牙型、錐度、導程、螺距等參數保持一致，與格蘭特GPDS系列類似，在鼻端增加機械停止位，能夠提供高于API系列20%～50%的抗扭強度，可以與API對應型號鉆桿互換使用，可廣泛應用于大位移水平井、深井和超深井的施工任務。BGXT系列螺紋在增加第二副臺肩的基礎上，采用了更加平緩的錐度，不能與API系列對應型號的鉆桿進行互換使用。BGXT大約可以提高70%的抗扭強度，在保證同等抗扭性能的前提下，接頭處的外徑更小、內徑更大、水力循環效能更好。主要應用于小井眼的鉆探任務，主要型號有BGXT26、BGXT31和BGXT39。

2.3.2 海隆集團雙臺肩鉆桿螺紋

海隆集團的鉆桿產品投產起步較晚，其雙臺肩鉆桿螺紋主要有HLIDS和HLST兩種。同樣由于HLIDS螺紋參數與API保持了高度的一致性，可以與API螺紋進行互換使用，抗扭性能高于API螺紋的20%～50%。對于HLST螺紋類型，是在HLIDS螺紋基礎之上形成的新一代產品，主要應用于大位移水平井、超深井以及含硫井等苛刻環境。HLST螺紋主要在于使用了更緩的螺紋錐度，以及大于API V-0.038R牙底半徑的HL V-0.042R螺紋，從而獲得了高于同規格API螺紋70%以上的超高抗扭強度和極好的水力循環性能。錐度和螺紋牙型的改變，使得HLST螺紋不能與API螺紋互換使用。

2.3.3 渤海能克雙臺肩鉆桿螺紋

渤海能克公司為中石油渤海裝備公司和日本JFE鋼鐵株式會社等成立的合資公司，設備是從日本NKK引進的全套生產線，很早就生產出自己的雙臺肩鉆桿DSTJ系列產品，得到了市場的廣泛認可。DSTJ螺紋可比同規格API螺紋提高35%以上的抗扭強度，酸性井況下可保證接頭螺紋不受腐蝕，可與API數字螺紋互換使用。在DSTJ螺紋的基礎上，渤海能克公司又自主研發了BHDS雙臺肩螺紋鉆桿、BHDH高抗扭雙臺肩螺紋鉆桿以及BHDX超高抗扭雙臺肩螺紋鉆桿。由于其過硬的質量和良好的技術性能參數，在國內外都取得了廣泛的應用。

2.3.4 國內其他廠商雙臺肩螺紋結構

由于鉆桿雙臺肩結構的突出優勢，除上述國內公司之外，國內其他鉆具生產廠商也針對雙臺肩螺紋結構進行了研究并開發出對應的產品。如河北奧瑞拓公司研發的以85矮牙專用錐為螺紋的85矮牙系列雙臺肩螺紋鉆桿，遼寧派普鉆具公司研發的DT和OST系列雙臺肩螺紋鉆桿，以及山東威瑪石油鉆具公司研發的WMT系列雙臺肩螺紋鉆桿等。由于這些大多數都采用了更平緩的錐度，因此無法與API鉆桿螺紋互換使用，多數應用于小井眼的小鉆桿尺寸類型。

2.4 國內鉆井現場雙臺肩螺紋鉆桿使用情況

具有突出優勢的雙臺肩扣型結構鉆具，在復雜地質結構井的配套工藝、大位移水平井的規模開發以及老井套管內側鉆二次增產開發工藝中得到了廣泛的應用。

2010年至今，在中石油與殼牌合作開發的長北一期和二期風險作業區，在井深達5 500 m、水平段2 000 m左右的雙分支水平井，全井段使用雙臺肩螺紋鉆桿生產，先后應用過格蘭特GPDS55、格蘭特HT55以及渤海能克BHDS55螺紋鉆桿，由于鉆桿抗扭能力強，因此未出現任何鉆具失效斷裂井下事故。

2019年至今，在中石油與道達爾合作開發的蘇南風險作業區，鑒于三開井段發生過鉆具失效問題，在后續平臺井的三開作業施工中，將NC40鉆桿替換成格蘭特HT38螺紋鉆桿，取得了良好的應用效果。

2018年至今，在中石油長慶油田與長城鉆探的蘇里格合作區塊中，為應對老井產量逐年遞減的不利情況，開始在老井眼基礎上實施側鉆水平井，由于套管內的環空小，小尺寸雙臺肩鉆桿在一定程度上克服了井下不利因素，在鉆桿抗扭和環空水力效能上取得了平衡，因此得到了廣泛的應用。在實施的側鉆水平井中，先后使用過奧瑞拓的85矮牙雙臺肩鉆桿、派普鉆具公司的PD29雙臺肩鉆桿以及OST31雙臺肩鉆桿。對于Φ89 mm鉆桿，接頭外徑只有100 mm，鉆桿接頭不再成為鉆井液水力循環的瓶頸。

3 雙臺肩鉆桿螺紋結構的互換使用

從雙臺肩鉆桿螺紋結構的分析對比可以看出，當兩種螺紋的牙型、基面中徑、錐度和螺距相同時，即可確定螺紋的公母扣間可以相互對扣。對比表1數據，即可得到雙臺肩鉆桿螺紋與API螺紋間的互換使用表（見表2）。

表2 雙臺肩鉆桿螺紋與API螺紋扣型互換表

格蘭特HT螺紋由于采用了更長的鼻端和頸部，在與API的公母扣相配合時，螺紋無法咬合從而不能實現與API螺紋的互換。格蘭特XT、寶鋼BGXT、海隆HLST、渤海能克BHDX螺紋由于采用了更為平緩的錐度，同樣不能夠實現與API扣型的互換。至于奧瑞拓的85矮牙螺紋，以及派普的DT螺紋和OST螺紋，由于其螺紋牙型的專屬性，再加上與API螺紋的錐度不同，同樣不能進行互換使用。

4 結束語

隨著超深井、多分支水平井等復雜工藝井的不斷鉆探開發，對鉆桿的使用要求越來越苛刻，雙臺肩螺紋鉆桿在螺紋的抗扭特性和水力循環效能方面取得了平衡，因而得到了廣泛的發展和使用。通過對比國內外雙臺肩鉆桿的發展和應用現狀，對當今廣泛使用的雙臺肩螺紋技術進行了詳細的梳理和分析，并對國內石油鉆探中遇到的典型雙臺肩鉆桿螺紋進行了互換使用的總結，有助于全面系統地了解當今雙臺肩鉆桿螺紋技術的發展和應用情況，有力保障雙臺肩螺紋鉆桿在石油鉆井技術、生產和管理方面的順利開展。