石油钻具螺纹防粘扣技术及应用

王少兰，费敬银，骆立立，林西华

(西北工业大学理学院应用化学系，陕西西安 710129)

引 言

石油钻具可重复使用次数的多少，直接影响到采油企业的生产成本［1］。但是，在实际钻采过程中，油管粘扣失效时有发生，粘扣失效，轻者会损坏螺纹表面，降低钻具使用寿命，甚至有的管材上卸扣一两次就因严重粘扣不得不报废;重者在螺纹连接处发生泄漏、脱扣甚至掉井事故，造成巨大的经济损失。据调查，约64%的失效事故源于螺纹粘扣失效(国内此数字则高达86%)［2］。因此，分析研究钻具粘扣原因，寻找预防粘扣的措施，防止或减少钻具粘扣失效事故，具有十分重要的经济价值和现实意义。本文总结了近年来油管螺纹抗粘扣方面的研究进展，并简单介绍未来防粘扣技术的研究方向。

1 粘扣现象及其机理

根据ISO 13679标准的最新定义，粘扣是发生在相互接触的金属表面之间的冷焊，是螺纹表面的连续性、完整性和尺寸精度遭到破坏的一种失效现象［3］，其基本特征是在螺纹的表面出现不同程度的划伤、拉毛，甚至出现刮坑、结瘤等缺陷［4］。影响螺纹粘扣性能的因素非常多，如螺纹齿形特征、配合公差、上卸扣力矩大小及螺纹脂的性质等都影响粘扣特性，但要从根本上解决粘扣问题，必须了解粘扣现象发生的机理。为此，国内外工程技术人员对出现粘扣现象的机理进行了深入研究［5］。研究结果表明，粘扣实际上是四种常见磨损形式中的两种磨损方式即粘着磨损和磨料磨损共同作用的结果［6］。

依据摩擦学理论［7］，螺纹发生粘着磨损的机理可解释为:油套管在上卸扣过程中，螺纹旋转面在摩擦力作用下，由于表面粗糙度和形状误差等原因，接触点处压力过高，若该压力超过材料的屈服强度，会导致受压部位产生塑性变形。在塑性变形中如果没有镀层存在，或者镀层在切向运动时发生了破裂损坏，在温度作用下接触点两侧会发生局部再结晶、扩散、熔化等，互相接触的表面之间极易发生粘合，产生冷焊现象。若金属间作用力较大，会进一步发生相对滑动或旋转，引起冷焊部位的撕裂。若在上卸扣过程中，摩擦产生的热量不能及时散去，或润滑剂的高温耐压性能不好，粘着现象更为严重，甚至出现“热焊”现象。如果摩擦副是由同种材质或晶格结构相似的异种材料构成，粘着现象更容易发生。

通过上述分析可知，钻具螺纹发生粘扣的过程，是由局部高接触应力作用下金属表面相对滑动造成的，实际上是先发生粘着磨损，粘着磨损产生的颗粒与摩擦副产生刮削作用引起磨料磨损，在各因素综合作用下导致螺纹失效。

粘扣现象频繁发生，危害严重，提高油套管螺纹的抗粘扣性能具有重要意义，如何提高钻具螺纹的抗粘扣性能受到有关人士的重视。目前人们采用不同的方法来提高油套管螺纹的抗粘扣性能，如优化螺纹参数、开发新型抗粘扣螺纹脂、新的螺纹表面处理方法等，极大提高了钻具螺纹的抗粘扣性能。

2 常用的防粘扣方法

2.1 优化螺纹参数

钻具螺纹参数对油套管螺纹的抗粘扣性能有很大的影响，合理优化螺纹参数可在一定程度上减轻粘扣。螺纹参数主要包括螺纹锥度和螺距、齿形角、紧密距等［8］。研究发现［9］，当内外螺纹锥度和螺距有偏差或齿形角角度不同时，在上卸扣过程中易造成螺纹受力不均匀，局部应力较大的部位最先发生粘扣，进而引发大面积范围内的严重粘扣。常利用优化螺纹参数来避免该种因素引发的粘扣现象。

螺纹表面粗糙度也影响其抗粘扣性能。若起始扣螺纹有毛刺，会使材料的摩擦系数变大，摩擦力随之增大，粘扣较易发生。反之，螺纹表面粗糙度越小，摩擦系数和摩擦力就越小，粘扣越不易发生［10］。A.Ertas［6］采用简单试验模型研究了表面粗糙度对油井管粘扣性能的影响。结果表明，当转速较高时，即使很小的压力也会使表面粗糙度较高的模型发生粘扣。

随着油气田钻探环境的日益恶劣，为满足油田对高温、高压和超深井的勘探开发需要，已研制出上扣容易且不易错扣的特殊扣型螺纹，在一定程度上提高了钻具的抗粘扣性能。但是，从各种粘扣失效分析中发现，即使螺纹参数符合美国石油协会(API)标准、表面粗糙度低或使用特殊扣型螺纹，粘扣失效仍在发生，故该法并不能很好地解决粘扣问题。

2.2 螺纹脂的合理使用

内外螺纹摩擦干涉，螺纹表面温度急剧升高，发生粘结并进而出现粘扣。为了减少内外螺纹摩擦，上扣时常采用螺纹脂。螺纹脂是在上扣前涂抹到油管连接螺纹上的一种物质，在上扣时起润滑作用，在服役时可以抵抗内外压力起到辅助密封作用［11］。螺纹脂在螺纹上紧过程中能减少螺纹表面的摩擦力，提高螺纹的抗粘扣性能。

中国石油天然气集团发明了一种防粘扣钻具螺纹脂，具有良好的化学、物理稳定性，粘附性好，可与金属表面形成一层具有润滑性的膜，该层膜具有良好的滑移性，可有效吸收由螺纹传递来的各种载荷和能量，尽可能有效的防止同材质金属螺纹表面的接触，有效防止钻具螺纹发生粘扣，减少其发生粘着磨损的倾向。与普通钻具螺纹脂相比，在现场重复多次使用中，螺纹钻杆磨损程度明显减小，出现粘扣现象明显降低［12］。

虽然螺纹脂可起到一定的润滑作用，对减轻粘扣倾向有帮助，但螺纹脂长期在井下较高的温度下服役，油脂会液化分离、析出并挥发，使得螺纹脂体积收缩，在螺纹配合面产生间隙，形成泄漏通道，出现泄漏，螺纹脂失去了原有的润滑作用［13］。此外螺纹脂中含有大量的重金属铅、锌等，在螺纹上扣过程中及上扣后，螺纹脂可能随油脂流出，对周围的环境和水资源造成污染［14］。

2.3 表面处理

2.3.1 渗 氮

渗氮过程是渗入元素通过加热，分解为活性氮原子被钢铁表面吸收，并进一步向内层扩散而形成一定厚度的氮化层。氮化层硬度较高、抗疲劳性好和耐蚀性好，主要用于温度较高的弱腐蚀介质工作条件下的零件表面耐磨处理，有较好的抗粘着磨损及腐蚀磨损能力。氮化工艺有气体氮化、离子氮化和软氮化，其中软氮化常用于接箍表面的性能改善。软氮化在较短时间内在钢表面形成N—C共渗硬化层，有良好的抗粘着和抗擦伤性。软氮化处理后，表层组织由化合物层与扩散层组成。化合物层以铁的氮化物为主，厚度在几微米到几十微米，对改善材料耐磨性，特别是抗粘着性能起主要作用。扩散层的组织是向内扩散的氮原子与基材中其他元素生成的各种氮化物组成，如(Cr、Mn)3N、CrN 等［15］。

肖建洪［16］将J55油管段内外壁除锈，放入真空氮化炉氮化处理8h后取出，将试样进行上卸扣试验。试验结果表明，试样经9次上卸扣，无粘扣现象发生，且磨损现象减少。

2.3.2 镀 锌

镀锌是应用较广泛的金属防腐方法之一，由于锌金属比铁金属活泼，可有效保护钢铁，降低其腐蚀速率;另一方面，锌金属的腐蚀产物，可使自身腐蚀速率减慢，并且用镀锌层保护钢材成本较低，故镀锌在金属防腐领域使用较为广泛。常见的镀锌工艺有氰化物镀锌、氯化钾镀锌、硫酸盐镀锌等。其中氰化镀锌效果最好，镀液分散性能和覆盖能力良好，在镀层δ达30μm以上时，与基体结合力良好，镀液中含有的氰化钠具有良好的除油作用，即使施镀前除油工艺不彻底，镀层与基体的结合力也不会有较大影响，克服了钢铁上镀金属结合力差的问题［17］。

将镀锌技术用于螺纹的防粘扣改性是受渗锌技术的启发而探索出的新工艺。但是，镀锌层脆性较大，熔点较低(419.5℃)，上卸扣过程中产生的高温亦会熔化锌镀层，在上卸扣过程中镀锌层有时会出现剥落，而且锌镀层致密度及延展性均不及铜镀层，并且氰化镀锌镀液有剧毒，会污染环境，要采取相应的后处理措施。因此，采用镀锌法来改善螺纹的抗粘扣性能并不十分理想［18］。

2.3.3 磷 化

磷化处理适用于钢铁部件以及镀铬和镀锌的铁部件。磷化是化学与电化学反应形成磷化膜(磷酸盐化学转化膜)的过程，磷化膜表面结晶均匀、致密、牢固、完整，颜色为灰色或灰黑色［18］。磷化处理可在一定程度上降低钻具粘扣失效，主要在于磷化处理后，在钻具表面形成磷化膜，其表面存在空隙，可储存一定量的润滑油，改善了旋合螺纹的润滑效果［19］。磷化膜的存在，避免钻具螺纹表面间、钻具与周围介质的直接接触，改善了表面的接触状况和受力情况，有效保护钻具［20］。管材研究所的熊庆人等［21］研究发现，螺纹表面厚度适宜、分布均匀、连续、致密与基体结合紧密、牢固的磷化膜有助于提高套管的抗粘着性能，采用锌锰系磷化液能够得到抗粘着性能较好的磷化膜层。

螺纹磷化使用较多的主要有磷化膏和磷化液两种工艺，磷化膏处理所需时间较长，工作效率低，生产成本较高。磷化液处理工艺简便，成本低廉，生产效率高，因此，磷化液处理技术经常用于钻具螺纹表面防护［22-23］。陈湖滨等［24］采用锌钙系磷化液进行钻具螺纹磷化处理，磷化后对钻具螺纹进行现场使用试验。结果表明磷化处理后钻具防锈、减磨和抗粘扣效果良好。对磷化后的钻具进行跟踪检测结果表明，磷化后钻具螺纹的使用损坏率显著下降，延长了钻具使用寿命，取得了显著的综合经济效益。

但是磷化后暂时存放的钻具必须进行防腐处理，否则在自然条件下，有灰尘附着，易锈蚀，失去磷化效果;并且磷化膜较脆且结晶粗大，常常出现膜层剥落。此外，磷化处理对钻具的材质有明显的选择性，如碳钢基材容易磷化，而合金钢、高铬钢、不锈钢及镍基合金等不易进行磷化处理。所以，仅依靠磷化处理不能满足近年来新开发钻具的粘扣要求［25］。

2.3.4 镀 铜

镀铜层具有最好的抗粘扣性能［26］。Matsuki等［27］曾在相同条件下研究了镀铜、镀锌、镀镍、镀铬和磷化等不同的表面处理技术对材料抗粘扣性能的影响。结果表明，具有高熔点低硬度的镀铜层是有效的抗粘扣表面处理方法。金属铜具有熔点高、硬度低与钢铁材料晶格参数差异大等特点，镀铜层具有良好的韧性、延展性及与基体良好的结合力，故抗粘扣性能优于其他表面处理技术。在上卸扣过程中，油管螺纹的过盈配合会使螺纹接触表面产生摩擦热量，使接触面温度较高，而镀铜层熔点很高，摩擦热量不至于使镀层熔化，破坏镀层。铜镀层的低硬度有利于润滑剂发挥作用，不会因润滑失效而损伤金属基体［28］。铜镀层具有良好的韧性、延展性及与金属基体良好的结合力，在反复上卸扣过程中镀层仍能保持完整，不易破裂和剥落，继续起到润滑膜的作用。故螺纹表面镀铜是防止钻杆、油套管螺纹粘扣的理想方法［29］。

文献［30-31］采用氰化镀锌、氰化镀铜、渗锌、锌磷化和锰磷化等方式处理油管接箍，镀层δ为12μm，通过实验室实验，检验不同方法抗粘扣效果。结果表明，接箍镀铜能明显提高油管抗粘扣性能，极大延长了油管的使用寿命。张毅等［32］将镀铜、磷化和未处理三组油管进行反复上卸扣试验。结果表明，未经表面处理的油管内外螺纹表面最易粘扣，磷化处理后的接箍在美国石油协会(API)规定的最大扭矩下(7.05kN·m)使用，不发生粘扣;当上扣扭矩达到 API推荐最大值的1.75倍(12.4kN·m)时，螺纹表面粘扣现象严重。镀铜处理后的接箍在上扣扭矩达到API推荐最大值二倍(14.1kN·m)时，螺纹表面才发生轻度粘扣，说明其抗过扭矩能力较强。究其原因，内、外螺纹组成的摩擦副为相同金属或互溶性大的材料时，粘着倾向较大，易发生粘扣失效;而异性金属或互溶性小的材料组成的摩擦副粘着倾向小，不易引起粘扣。镀铜比磷化的抗粘扣性能好，主要原因是铜属于面心立方金属，钢铁属于体心立方金属，硬度差较大，互溶性小，且镀铜层分布均匀、镀层较厚，故镀铜的抗粘扣性能和密封耐压性明显好于磷化［33-34］。

目前，主要有三大类镀铜工艺，氰化镀铜、焦磷酸盐镀铜和酸性硫酸盐镀铜。氰化镀铜因使用剧毒氰化物而对环境造成污染，已逐渐淡出市场。焦磷酸盐镀铜在钢铁基体上直接电镀结合不良，镀速较慢，镀液成本高。酸性硫酸盐镀铜结合力差，不能在铁表面直接镀铜，需要预镀其它镀层［35］。现有镀铜技术的种种问题，需要研制新型螺纹镀铜工艺，使其环境友好、在不同机体表面结合力良好、沉积速率快，才能合理解决石油钻采机具的粘扣问题［36］。

2.3.5 其他表面处理方法

渗锌技术在石油炼制行业有较普遍的应用。锌分子在低于其熔点的高温下有较大的活性，可通过钢铁的晶界渗入钢中与其反应生成铁-锌合金，该合金层抗大气腐蚀能力很强，可在一定程度上提高钢铁件的耐蚀性。且渗锌技术要求的温度较低，当处理形状比较复杂的零部件时，渗锌层厚度较均匀;且一般渗锌层与基体间为冶金结合，结合力较强，很难发生镀层剥落。目前，渗锌应用领域越来越广，在石油、化工、电力及机械等各工业领域均有应用。表面渗锌处理虽能有限度地提高抗粘扣性能，但效果并不明显，原因在于渗锌层的硬度太高，在上卸扣过程中钢基体容易受到损伤，并导致螺纹的粘扣;并且锌分子渗入钢中生成铁锌合金使其体积发生变化产生内应力，导致渗锌层结合强度降低;并且渗锌法难以实现连续生产［37］。

渗硼是使工件表面获得FeB、Fe2B等硼化物的工艺过程。应用上常见的渗硼层δ为70～120μm。渗硼层由单相(Fe2B)或双相(Fe2B+FeB)组成，双相结构一般很脆，对耐磨性不利。几乎所有钢铁材料都可以渗硼，但最好的渗硼材料是碳钢、低合金钢或铸钢，上述材料的渗硼层齿形状牢固的与基体相连接，硬度高，抗磨料磨损性能和抗粘着磨损性能均不错。主要原因是氧化铁的硬度比硼化铁的硬度低，在摩擦状况下形成的氧化层对硼化层起保护作用，而不易发生粘着磨损［15］。

镀镍层具有优良的化学性能和力学性能，在电刷镀技术中应用最广泛。镀镍层有较高的硬度和较好的塑性，在常温下能很好地抵抗大气、碱和某些酸的腐蚀。在金属表面处理领域，一般不单独用镍层做保护性镀层，镍多用作复合镀层的中间层，以提高零部件的耐蚀性和耐磨性。实践证明，在螺纹表面镀镍可以有限地提高其抗粘扣能力［38］。但是，镍与铁属于同族金属，其化学性质、晶格参数与铁相似，上卸扣时产生的高温环境，很容易促使镍与钢铁基体之间发生互熔并产生粘着磨损［39］。因此，用镀镍方法来改善杆、管螺纹的抗粘扣性能，也不可能有太好的结果［40］。

3 结论

石油套管螺纹粘扣失效，轻者会损坏螺纹表面，降低其使用寿命，甚至有的管材上卸扣一两次就不得不报废;重者会在油管螺纹连接处发生泄漏，甚至导致脱扣，使众多管材掉入井中，使整口井报废，造成巨大的经济损失。因此，分析研究石油套管粘扣原因，寻找预防粘扣的措施，防止或减少石油套管发生粘扣失效事故，具有十分重要的意义。现有各种防粘扣技术，可在一定程度上有效降低粘扣发生的概率，针对其存在的问题，目前防粘扣技术的研究方向集中在研制新的防粘扣技术，使其环境友好，性能优良。

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