刍议当前石油钻具螺纹防粘扣技术及应用

韩翔

摘 要：石油钻具螺纹粘扣现象是石油作业过程中最常见的损伤失效形式，针对因螺纹卸不开扣的部分钻杆，严重时只能采取气割将其强制分离的方法，制约了石油的生产，导致石油企业巨大的经济损失。文章通过对钻具螺纹粘扣机理、现象和各种类型防粘扣方法优缺点的分析，探讨出行之有效的石油钻具螺纹防粘扣技术。

关键词：石油钻具；螺纹防粘扣技术；实际应用

中图分类号：TE921.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0015-02

石油工程企业生产成本直接受到石油钻具可重复使用的次数多少影响。而钻杆粘扣失效的情况在石油的实际钻采过程常有发生，石油钻具螺纹粘扣不仅会造成螺纹表面损坏，降低石油钻具的使用寿命，还有可能在卸扣几次后导致石油钻具螺纹严重粘扣而报废，更甚者，螺纹连接处不但会出现泄露脱扣问题，还会发生落井事故，这给石油工程企业带来的经济损失无疑是巨大的。

据资料显示，我国有高达86%的石油钻具失效事故皆是因为螺纹粘扣失效引起。由此，深入探析石油钻具螺纹粘扣原因，分析关于防止粘扣问题的措施，并降低石油钻具粘扣失效事故概率，对于石油工程企业而言有着十分重要的现实意义和经济价值。本文主要针对当前石油钻具螺纹粘扣现象，总结出行之有效的防粘扣技术，为同行提供扎实的理论基础，并为促进防粘扣技术的完善提供具参考价值的意见。

1 石油钻具螺纹粘扣概述与粘扣现象的基本情况

按照最新的ISO13679标准的定义所谓的石油钻具螺纹粘扣现象，主要是指两个相互发生接触的金属表面的冷焊现象。若金属面再次进行相对活动旋转，还会引起粘扣处即发生冷焊的部分撕裂。从金属学角度来划分，石油钻具螺纹在旋合过程中产生粘扣现象属于粘着磨损。通俗来说，在压力、温度、速度过高的加载作用下，钻具金属面弹塑性的变形也就是发生损伤，被潜入或挤压剥落金属划出犁沟的整个过程就是石油钻具螺纹粘扣。粘扣现象甚者不但会引起局部组织变形的情况，还容易出现加上螺纹粘扣的马氏体。

石油钻具螺纹粘扣是很多井队都容易出现的问题，而针对粘杆螺纹卸不开扣的现象，井队常利用气割割开方法，但这对钻井生产的影响极大，会导致石油工程企业巨大的经济损失。当石油钻具发生螺纹刺扣和粘扣问题时，管具公司有关人员必须对井场内新修复且还未投入使用的粘杆螺纹采用螺纹量规等进行重新的检验，务必保证锥度等达到质量要求的标准。并且管具公司要对库存石油钻具螺纹的长度、锥度等主要指标进行检验。石油钻具螺纹粘扣是石油钻具使用过程中最常见的损伤失效形式。石油钻具螺纹粘扣不但会损坏钻具，还会导致钻具的滑落促使整个油井报废，造成巨大的经济损失。所以，研究石油钻具螺纹粘扣防止技术将有着极为重要的现实意义。

2 石油钻具螺纹粘扣的机理和原因

2.1 石油钻具螺纹粘扣机理

从摩擦学理论角度来看，石油钻具螺纹粘扣机理则是：上卸扣钻具的过程中，在摩擦力作用下螺纹旋转面因为其表面形状误差、粗糙度等因素，以及摩擦接触点材料的压力过高并超出其屈服强度，而造成受压部分的塑性变形，同时由于塑性变形的镀层缺失，或是镀层在切向运动时出现破裂时，在温度急剧上涨的情况下接触点两侧会出现局部的融化结晶甚至再扩散等，就极易导致互相接触的两个表面间出现冷焊现象即粘合。若此时接触面再次发现相对旋转活动时，还将发生冷焊部分撕裂的情况。此外，如果上卸扣过程中没能及时散去摩擦产生的热量，或是采用高温耐压性能较低的润滑剂，将导致更加严重的粘着现象即热焊现象。还有，由材质相同或晶格结构较为相似的异种材料构成的摩擦副，也会造成石油钻具螺纹粘扣问题。

从金属角度分析石油钻具螺纹粘扣问题，一般属于粘着磨损现象。若石油钻具螺纹粘扣出现铁屑、沙粒等硬质颗粒则为磨粒和粘着磨损。因为螺纹内外旋合摩擦时，会引起金属表面温度的急速上升，进而破坏螺纹表面的完整性、连续性。而粘着磨损被称之为咬合磨损，是指两种材料表面某接触点局部压力超过材料屈服强度时，发生粘合并拽开时表面出现损伤的现象，其主要表现为机件表面结疤大小的不同。磨粒磨损指的是摩擦表面受到硬质颗粒的作用，造成摩擦面出现犁沟等的磨损现象。

2.2 石油钻具螺纹粘扣的原因

防腐材料不合适是石油钻具发生螺纹粘扣问题原因之一。柴油泡沥青虽然是很好的防腐剂，但用在石油钻具螺纹上却容易引起螺纹粘扣现象，因为这种防腐剂在干燥后，将变成高硬度固体依附在螺纹表面，且还会出现沥青积聚情况，并且在这种防腐剂干燥的过程中会粘结一些铁屑等杂物，若不能很好的清洗则会导致钻具因杂物而发生粘扣现象。由于这种防腐方法会加大螺纹现场清洗的难度，在清洗螺纹时必须长时间用柴油软化沥青才能真正的清洗干净，但若清洗不及时或未能清洗干净，就会引起螺纹粘扣问题。同时，在修复钻具的过程中常会产生铁屑等固体，且在归位、运输、吊装钻具等工程中，螺纹部位容易粘附这些固体，也是引发螺纹粘扣的关键因素。最后，经过调查显示，鼠洞太脏造成的螺纹脂涂抹不均匀也是石油钻具螺纹粘扣发生的原因之一。由于钻杆长时间浸泡在鼠洞的钻井液中，若涂抹螺纹脂时螺纹清理不够干净，将导致螺纹粘扣现象。最后，新修复螺纹不易粘附螺间隙相对较小，而这也是引发螺纹粘扣问题的原因之一。

3 石油钻具螺纹防粘扣技术及应用

3.1 螺纹参数的进一步优化

针对石油钻具螺纹粘扣情况的发生来看，石油钻具螺纹的参数极为关键，在一定程上来说合理优化参数能降低粘扣发生率。其中螺纹锥度、紧密度、螺距、齿形角等皆为螺纹的主要参数。据有关资料显示，内外螺纹当出现螺距、齿形角角度、锥度等的偏差时，其过程在螺纹由于受力不均衡，造成局部压力较大出先发生粘扣现象，并逐步引起更大范围的螺纹粘扣情况。为更好地缓解这种情况，内外螺纹梳刀的几何参数必须加以严格控制，实现螺纹参数的最优化，促进刀具互换性的增强，并正确对正的进行夹刀安装。实际上，利用螺纹参数优化的方法避免因此而引起的粘扣现象是最常用的方法。

影响钻具螺纹抗粘扣性能还有螺纹表面粗糙度的原因。由于，材料的摩擦系数会因为起始扣螺纹毛刺变大，因此会加大材料摩擦力引起螺纹粘扣。不过反之，材料摩擦系数和摩擦力会随着螺纹表面粗糙度的越小减小，也就不易引起螺纹粘扣。根据A.Ertas对表面粗糙度影响油井管粘扣性能影响的模型试验研究结果表明，在高速运转的过程中，不管压力小到什么程度表面较为粗糙的模型极易产生粘扣。石油钻具作业往往伴随着恶劣的环境，要满足温度、速度及压力都很高的超深井油田勘探开发的需求，相对而言，我国当前研制出容易上扣的特殊且基本不出现错扣的螺纹，显著地提高了石油钻具的使用寿命。

但通过分析当前的各种粘扣失效现象可知，即便螺纹参数不断优化也符合各相关标准规范，也有采用特殊扣型螺纹和降低表面粗糙度，但任避免不了粘扣失效问题，因此这一方法不能针对性的解决粘扣问题，但适用于一般粘扣问题的解决中。

3.2 合理的表面处理技术

镀锌镀铜、磷化渗氮等是当今国际上常用到的表面处理提高石油钻具螺纹抗粘扣性能的技术。不同的处理技术螺纹抗粘扣性能也存在差异。因为，影响螺纹抗粘扣性能因素涉及镀层的熔点、厚度、硬度或结晶晶粒形态等。据相关资料显示，镀铜方法的高熔点低硬度对抗粘扣性能提高极为重要，若为进一步提高抗粘扣性能还可与喷砂处理相结合。同时，某些发达国家还会采用不同表面处理技术同时处理公、母螺纹，以此来促进钻具螺纹抗粘扣性能的显著性提高。

本文将主要分析表面处理技术的镀铜方法。此前，有学者在相同条件对各种表面处理技术即镀锌、镀铜、镀镍等影响材料抗粘扣性能方面做过研究。研究结果显示，镀铜层由于其硬度低熔点高可显著性增强抗粘扣性能。比较起钢铁材料晶格参数，金属铜具有硬度低、熔点高的特点，所以相对来说镀铜层具有良好的延展性韧性，与基体结合力较强，与其他表面处理技术相较有着更高的螺纹抗粘扣性能。由于在上卸扣过程中石油钻具螺纹过盈配合将引起两个相接触的面出现摩擦热量，进而造成接触面的温度急剧上涨，但镀铜层的高熔点则能很好的保护镀层不被摩擦热量融化，也就不会出现镀层破坏。同时，润滑剂也能在硬度低的铜镀层上充分发挥作用，不容易引发因润滑剂失效出现的金属基体损伤问题。另外，因为铜镀层具有良好的性能，是最好的继续润滑膜最大度保证了螺纹抗粘扣性能。所以，有效防止钻具螺纹粘扣的最理想方法就是镀铜技术。

现阶段，镀铜工艺包括氰化、酸性硫酸盐、焦磷酸盐三种镀铜技术。不过，氰化镀铜使用的氰化物含有剧毒，会引起环境污染问题，所以，已经很少会采用工艺。直接在钢铁基体上电镀的焦磷酸盐镀铜工艺，则易出现结合不良，渡液高成本镀速慢的问题。而焦磷酸盐镀铜工艺结合力较差，需要先预渡其他镀层不能直接在铁表面镀铜。针对现有镀铜技术的问题，只有加强研究促进其更完善，才能有效的改善石油钻具螺纹粘扣问题，但是不可否认的是，在未来镀铜处理技术或将取代任何一种表面处理技术。

4 结 语

总而言之，石油钻具螺纹粘扣问题是当前石油企业急需解决的问题之一，由于石油钻具螺纹粘扣不仅会造成螺纹表面损坏，降低石油钻具的使用寿命，还有可能在卸扣几次后导致石油钻具螺纹严重粘扣而报废，更甚者螺纹连接处不但会出现泄露脱扣问题，还会发生落井事故，导致整口油井报废，给石油工程企业带来的经济损失无疑是巨大的。由此可见，深入探析石油钻具螺纹粘扣现象以及发生的原因和机理，分析其有效的防止措施，减少事故发生概率，将具有极为重要的现实意义。虽然现有防治措施能起到很好的防止功能，但依旧满足不了快速发展的石油业需求，因此，有必要加强新的防粘扣技术的研制。

参考文献：

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[2] 王少兰，费敬银.石油钻具螺纹防粘扣技术及应用[J].电镀与精饰，2014，（1）.

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