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，針對因螺紋卸不開扣的部分鉆桿，嚴重時只能采取氣割將其強制分離的方法，制約了石油的生產，導致石油企業(yè)巨大的經濟損失。文章通過對鉆具螺紋粘扣機理、現(xiàn)象和各種類型防粘扣方法優(yōu)缺點的分析，探討出行之有效的石油鉆具螺紋防粘扣技術。

關鍵詞：石油鉆具；螺紋防粘扣技術；實際應用

中圖分類號：TE921.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）26-0015-02

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

據資料顯示，我國有高達86%的石油鉆具失效事故皆是因為螺紋粘扣失效引起。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，對于石油工程企業(yè)而言有著十分重要的現(xiàn)實意義和經濟價值。本文主要針對當前石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象，總結出行之有效的防粘扣技術，為同行提供扎實的理論基礎，并為促進防粘扣技術的完善提供具參考價值的意見。

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標準的定義所謂的石油鉆具螺紋粘扣現(xiàn)象，主要是指兩個相互發(fā)生接觸的金屬表面的冷焊現(xiàn)象。若金屬面再次進行相對活動旋轉，還會引起粘扣處即發(fā)生冷焊的部分撕裂。從金屬學角度來劃分，石油鉆具螺紋在旋合過程中產生粘扣現(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過程就是石油鉆具螺紋粘扣。粘扣現(xiàn)象甚者不但會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都容易出現(xiàn)的問題，而針對粘桿螺紋卸不開扣的現(xiàn)象，井隊常利用氣割割開方法，但這對鉆井生產的影響極大，會導致石油工程企業(yè)巨大的經濟損失。當石油鉆具發(fā)生螺紋刺扣和粘扣問題時，管具公司有關人員必須對井場內新修復且還未投入使用的粘桿螺紋采用螺紋量規(guī)等進行重新的檢驗，務必保證錐度等達到質量要求的標準。并且管具公司要對庫存石油鉆具螺紋的長度、錐度等主要指標進行檢驗。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損壞鉆具，還會導致鉆具的滑落促使整個油井報廢，造成巨大的經濟損失。所以，研究石油鉆具螺紋粘扣防止技術將有著極為重要的現(xiàn)實意義。

2 石油鉆具螺紋粘扣的機理和原因

2.1 石油鉆具螺紋粘扣機理

從摩擦學理論角度來看，石油鉆具螺紋粘扣機理則是：上卸扣鉆具的過程中，在摩擦力作用下螺紋旋轉面因為其表面形狀誤差、粗糙度等因素，以及摩擦接觸點材料的壓力過高并超出其屈服強度，而造成受壓部分的塑性變形，同時由于塑性變形的鍍層缺失，或是鍍層在切向運動時出現(xiàn)破裂時，在溫度急劇上漲的情況下接觸點兩側會出現(xiàn)局部的融化結晶甚至再擴散等，就極易導致互相接觸的兩個表面間出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象即粘合。若此時接觸面再次發(fā)現(xiàn)相對旋轉活動時，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散去摩擦產生的熱量，或是采用高溫耐壓性能較低的潤滑劑，將導致更加嚴重的粘著現(xiàn)象即熱焊現(xiàn)象。還有，由材質相同或晶格結構較為相似的異種材料構成的摩擦副，也會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、沙粒等硬質顆粒則為磨粒和粘著磨損。因為螺紋內外旋合摩擦時，會引起金屬表面溫度的急速上升，進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局部壓力超過材料屈服強度時，發(fā)生粘合并拽開時表面出現(xiàn)損傷的現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為機件表面結疤大小的不同。磨粒磨損指的是摩擦表面受到硬質顆粒的作用，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，因為這種防腐劑在干燥后，將變成高硬度固體依附在螺紋表面，且還會出現(xiàn)瀝青積聚情況，并且在這種防腐劑干燥的過程中會粘結一些鐵屑等雜物，若不能很好的清洗則會導致鉆具因雜物而發(fā)生粘扣現(xiàn)象。由于這種防腐方法會加大螺紋現(xiàn)場清洗的難度，在清洗螺紋時必須長時間用柴油軟化瀝青才能真正的清洗干凈，但若清洗不及時或未能清洗干凈，就會引起螺紋粘扣問題。同時，在修復鉆具的過程中常會產生鐵屑等固體，且在歸位、運輸、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)螺紋粘扣的關鍵因素。最后，經過調查顯示，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。由于鉆桿長時間浸泡在鼠洞的鉆井液中，若涂抹螺紋脂時螺紋清理不夠干凈，將導致螺紋粘扣現(xiàn)象。最后，新修復螺紋不易粘附螺間隙相對較小，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及應用

3.1 螺紋參數的進一步優(yōu)化

針對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極為關鍵，在一定程上來說合理優(yōu)化參數能降低粘扣發(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。據有關資料顯示，內外螺紋當出現(xiàn)螺距、齒形角角度、錐度等的偏差時，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，內外螺紋梳刀的幾何參數必須加以嚴格控制，實現(xiàn)螺紋參數的最優(yōu)化，促進刀具互換性的增強，并正確對正的進行夾刀安裝。實際上，利用螺紋參數優(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，材料的摩擦系數會因為起始扣螺紋毛刺變大，因此會加大材料摩擦力引起螺紋粘扣。不過反之，材料摩擦系數和摩擦力會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A.Ertas對表面粗糙度影響油井管粘扣性能影響的模型試驗研究結果表明，在高速運轉的過程中，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，相對而言，我國當前研制出容易上扣的特殊且基本不出現(xiàn)錯扣的螺紋，顯著地提高了石油鉆具的使用壽命。

但通過分析當前的各種粘扣失效現(xiàn)象可知，即便螺紋參數不斷優(yōu)化也符合各相關標準規(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

鍍鋅鍍銅、磷化滲氮等是當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。不同的處理技術螺紋抗粘扣性能也存在差異。因為，影響螺紋抗粘扣性能因素涉及鍍層的熔點、厚度、硬度或結晶晶粒形態(tài)等。據相關資料顯示，鍍銅方法的高熔點低硬度對抗粘扣性能提高極為重要，若為進一步提高抗粘扣性能還可與噴砂處理相結合。同時，某些發(fā)達國家還會采用不同表面處理技術同時處理公、母螺紋，以此來促進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的鍍銅方法。此前，有學者在相同條件對各種表面處理技術即鍍鋅、鍍銅、鍍鎳等影響材料抗粘扣性能方面做過研究。研究結果顯示，鍍銅層由于其硬度低熔點高可顯著性增強抗粘扣性能。比較起鋼鐵材料晶格參數，金屬銅具有硬度低、熔點高的特點，所以相對來說鍍銅層具有良好的延展性韌性，與基體結合力較強，與其他表面處理技術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相接觸的面出現(xiàn)摩擦熱量，進而造成接觸面的溫度急劇上漲，但鍍銅層的高熔點則能很好的保護鍍層不被摩擦熱量融化，也就不會出現(xiàn)鍍層破壞。同時，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，因為銅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。

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。不過，氰化鍍銅使用的氰化物含有劇毒，會引起環(huán)境污染問題，所以，已經很少會采用工藝。直接在鋼鐵基體上電鍍的焦磷酸鹽鍍銅工藝，則易出現(xiàn)結合不良，渡液高成本鍍速慢的問題。而焦磷酸鹽鍍銅工藝結合力較差，需要先預渡其他鍍層不能直接在鐵表面鍍銅。針對現(xiàn)有鍍銅技術的問題，只有加強研究促進其更完善，才能有效的改善石油鉆具螺紋粘扣問題，但是不可否認的是，在未來鍍銅處理技術或將取代任何一種表面處理技術。

4 結 語

總而言之，石油鉆具螺紋粘扣問題是當前石油企業(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致石油鉆具螺紋嚴重粘扣而報廢，更甚者螺紋連接處不但會出現(xiàn)泄露脫扣問題，還會發(fā)生落井事故，導致整口油井報廢，給石油工程企業(yè)帶來的經濟損失無疑是巨大的。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，有必要加強新的防粘扣技術的研制。

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