双台肩钻杆螺纹应用现状及互换使用分析

胡小波

（长城钻探顶驱技术分公司，辽宁 盘锦 124010）

0前言

在石油钻探行业，随着深层页岩气、页岩油、煤层气以及超深井、分支水平井的大范围开发，钻井工艺对钻杆的抗扭性能提出了更高的要求。而钻杆的接头是整个结构的薄弱环节，因此提高钻杆的抗扭性能主要在于提高钻杆接头的性能[1]。在实际应用中，主要从以下三个方面来进行改善，一是在保持原有钻杆钢级的基础上，通过内加厚、外加厚以及内外加厚的方式提高抗扭强度。此方法改进升级容易，但提高抗扭性能程度有限，同时存在井下环空和钻具水眼循环效能降低的问题，易发生憋泵等致命缺陷，现已经不是提高钻杆抗扭的主要发展方向。二是使用高钢级钻杆，通过增加材料屈服强度来提高钻杆的抗扭性能，除API钻杆钢级G105、S135外，V150、V170也相继面世。其中以法德合资公司V&M出品的超高强度钻杆MW-V-170最为突出[2-3]，对于高钢级钻杆的研发，技术门槛高，投入产出慢，我国目前还处于初级阶段。三是在不改变钢级和接头外径的前提下，对钻杆接头的螺纹结构进行改进，从而获得理想的抗扭特性。双台肩钻具螺纹的使用，既规避了高钢级的技术门槛，同时又获得了良好的抗扭性能和良好的泥浆循环通道，无论是在国内还是国外，都取得了大量的研发专利并应用到实际钻井生产中[4]。

本研究从API钻杆螺纹入手，对国内外常见的双台肩螺纹进行分析比较并介绍其应用情况，通过对比国内外厂家螺纹设计的异同点，归纳总结出双台肩螺纹与传统API螺纹的互换使用方法。

1 API钻杆螺纹简介

对于石油钻杆用的螺纹类型，以APISPEC 7标准加工的螺纹扣型的使用较为普遍[5]。按照螺纹扣型主要分为内平扣（IF扣）、贯眼扣（FH扣）、正规扣（REG扣）和数字型扣（NC扣）[6]。而按照螺纹牙型主要分为V-0.038R、V-0.050和V-0.065三种。根据API扣型和牙型的分类，即可得到顶驱保护接头常用API扣型尺寸参数，见表1。

表1 顶驱保护接头常用API扣型尺寸参数

2 双台肩螺纹扣型分析及使用情况

2.1 双台肩螺纹结构

随着石油天然气钻井过程中遇到的大钻压、高泵压和高扭矩等复杂结构井的数量不断增加，传统API标准的钻杆钻具结构已经不能满足实际需要，高抗扭、高密封压力的钻杆需求显著增加。对此，专家学者提出了一种钻杆接头双台肩结构，在钢级不变的情况下，抗扭能力得到了明显的提高[7]。另一方面，在保证抗扭性能前提下，可以增大钻具的内径而减小钻杆接头的外径，进而获得钻具内通道和井内环空的双提升，极大降低了井下卡钻的风险。双台肩结构如图1所示。

图1 钻杆接头双台肩结构示意图

从图1可以看出，第一台肩面与传统API接头结构相同，通过适当金属面间的应力形变实现金属密封。在公扣的顶端形成了有一定锥角的金属面的鼻端，而在鼻端的最前端面，则为第二台肩面，当扭矩达到一定程度后，第二台肩面的公母扣接触，形成机械停止位，从而增加抗扭能力[8]。

2.2 国外厂家双台肩钻杆螺纹分析

国外钻杆生产厂家以美国NOV公司旗下的格兰特钻具公司和法德合资的V&M公司最为知名。而格兰特钻具公司由于其将双台肩结构引入钻杆接头，并取得了良好的应用效果，其双台肩螺纹结构在抗扭钻杆中已经得到了广泛的应用，并形成了GPDS、HT和XT三个双台肩系列[9]。

GPDS双台肩结构采用了API数字扣型的牙型 （V-0.038R）、锥度 （1∶6）、螺距 （4扣/in）和相应尺寸的基准面，只是将公母扣的首端改为鼻端，利用第二台阶面增加机械停止点，能够提供比相同规格API接头高20%～50%的抗扭强度。典型型号有GPDS26、GPDS31、GPDS38、GPDS40、GPDS46、GPDS50和GPDS55，其结构如图2所示。

图2 GPDS双台肩螺纹结构图

HT双台肩结构同样采用了API数字扣型的牙型（V-0.038R）、锥度（1∶6）、螺距（4扣/in）和相应尺寸的基准面，与GPDS双台肩结构不同之处在于采用了加长的鼻端和颈部。能够提供比相同规格API接头高40%的抗扭强度。典型型号有HT26、HT31、HT38、HT40、HT46、HT50和HT55，其结构如图3所示。

图3 HT双台肩螺纹结构图

XT双台肩结构最大的特点是采用了比GPDS系列和HT系列更平缓的螺纹锥度，达到了1∶12，两种螺纹锥度对比如图4所示，从外表上看螺纹锥度更平缓，能够提供比相同规格API接头高70%的抗扭强度。其主要型号有XT26、XT29、XT31、XT38、XT39、XT40、XT46、XT50和XT55，XT双台肩螺纹结构如图5所示。

图4 HT螺纹与XT螺纹锥度对比

图5 XT双台肩螺纹结构图

2.3 国内厂家双台肩钻杆螺纹结构分析

尽管国内钻杆接头双台肩螺纹钻杆研发起步相对较晚，但由于钻杆接头双台肩结构的突出优点，也得到了突飞猛进的发展。国内规模较大、应用较早的有上海宝钢集团、上海海隆集团、中石油渤海能克钻杆公司、河北奥瑞拓石油机械公司、辽宁派普钻具公司等。这些国内厂家基本都以API双台肩结构为参照，结合自身对于钻具扣型研发的技术优势，通过修改牙型、螺距、锥度、鼻端和颈部的长度以及基准面中径的大小等参数，获得具有自身特点的扭矩特性、抗扭特性和钻井液循环效能。

2.3.1 宝钢集团双台肩钻杆螺纹

宝钢集团利用其在钢材领域从炼铁、炼钢、条钢、钢管、摩擦对焊等上下游一体化的优势，除生产出API钻杆、抗硫钻杆和高钢级钻杆之外，较早开发出了BGDS系列双台肩抗扭螺纹和BGXT系列双台肩超高抗扭螺纹[10]。BGDS系列螺纹与API钻杆螺纹的牙型、锥度、导程、螺距等参数保持一致，与格兰特GPDS系列类似，在鼻端增加机械停止位，能够提供高于API系列20%～50%的抗扭强度，可以与API对应型号钻杆互换使用，可广泛应用于大位移水平井、深井和超深井的施工任务。BGXT系列螺纹在增加第二副台肩的基础上，采用了更加平缓的锥度，不能与API系列对应型号的钻杆进行互换使用。BGXT大约可以提高70%的抗扭强度，在保证同等抗扭性能的前提下，接头处的外径更小、内径更大、水力循环效能更好。主要应用于小井眼的钻探任务，主要型号有BGXT26、BGXT31和BGXT39。

2.3.2 海隆集团双台肩钻杆螺纹

海隆集团的钻杆产品投产起步较晚，其双台肩钻杆螺纹主要有HLIDS和HLST两种。同样由于HLIDS螺纹参数与API保持了高度的一致性，可以与API螺纹进行互换使用，抗扭性能高于API螺纹的20%～50%。对于HLST螺纹类型，是在HLIDS螺纹基础之上形成的新一代产品，主要应用于大位移水平井、超深井以及含硫井等苛刻环境。HLST螺纹主要在于使用了更缓的螺纹锥度，以及大于API V-0.038R牙底半径的HL V-0.042R螺纹，从而获得了高于同规格API螺纹70%以上的超高抗扭强度和极好的水力循环性能。锥度和螺纹牙型的改变，使得HLST螺纹不能与API螺纹互换使用。

2.3.3 渤海能克双台肩钻杆螺纹

渤海能克公司为中石油渤海装备公司和日本JFE钢铁株式会社等成立的合资公司，设备是从日本NKK引进的全套生产线，很早就生产出自己的双台肩钻杆DSTJ系列产品，得到了市场的广泛认可。DSTJ螺纹可比同规格API螺纹提高35%以上的抗扭强度，酸性井况下可保证接头螺纹不受腐蚀，可与API数字螺纹互换使用。在DSTJ螺纹的基础上，渤海能克公司又自主研发了BHDS双台肩螺纹钻杆、BHDH高抗扭双台肩螺纹钻杆以及BHDX超高抗扭双台肩螺纹钻杆。由于其过硬的质量和良好的技术性能参数，在国内外都取得了广泛的应用。

2.3.4 国内其他厂商双台肩螺纹结构

由于钻杆双台肩结构的突出优势，除上述国内公司之外，国内其他钻具生产厂商也针对双台肩螺纹结构进行了研究并开发出对应的产品。如河北奥瑞拓公司研发的以85矮牙专用锥为螺纹的85矮牙系列双台肩螺纹钻杆，辽宁派普钻具公司研发的DT和OST系列双台肩螺纹钻杆，以及山东威玛石油钻具公司研发的WMT系列双台肩螺纹钻杆等。由于这些大多数都采用了更平缓的锥度，因此无法与API钻杆螺纹互换使用，多数应用于小井眼的小钻杆尺寸类型。

2.4 国内钻井现场双台肩螺纹钻杆使用情况

具有突出优势的双台肩扣型结构钻具，在复杂地质结构井的配套工艺、大位移水平井的规模开发以及老井套管内侧钻二次增产开发工艺中得到了广泛的应用。

2010年至今，在中石油与壳牌合作开发的长北一期和二期风险作业区，在井深达5 500 m、水平段2 000 m左右的双分支水平井，全井段使用双台肩螺纹钻杆生产，先后应用过格兰特GPDS55、格兰特HT55以及渤海能克BHDS55螺纹钻杆，由于钻杆抗扭能力强，因此未出现任何钻具失效断裂井下事故。

2019年至今，在中石油与道达尔合作开发的苏南风险作业区，鉴于三开井段发生过钻具失效问题，在后续平台井的三开作业施工中，将NC40钻杆替换成格兰特HT38螺纹钻杆，取得了良好的应用效果。

2018年至今，在中石油长庆油田与长城钻探的苏里格合作区块中，为应对老井产量逐年递减的不利情况，开始在老井眼基础上实施侧钻水平井，由于套管内的环空小，小尺寸双台肩钻杆在一定程度上克服了井下不利因素，在钻杆抗扭和环空水力效能上取得了平衡，因此得到了广泛的应用。在实施的侧钻水平井中，先后使用过奥瑞拓的85矮牙双台肩钻杆、派普钻具公司的PD29双台肩钻杆以及OST31双台肩钻杆。对于Φ89 mm钻杆，接头外径只有100 mm，钻杆接头不再成为钻井液水力循环的瓶颈。

3 双台肩钻杆螺纹结构的互换使用

从双台肩钻杆螺纹结构的分析对比可以看出，当两种螺纹的牙型、基面中径、锥度和螺距相同时，即可确定螺纹的公母扣间可以相互对扣。对比表1数据，即可得到双台肩钻杆螺纹与API螺纹间的互换使用表（见表2）。

表2 双台肩钻杆螺纹与API螺纹扣型互换表

格兰特HT螺纹由于采用了更长的鼻端和颈部，在与API的公母扣相配合时，螺纹无法咬合从而不能实现与API螺纹的互换。格兰特XT、宝钢BGXT、海隆HLST、渤海能克BHDX螺纹由于采用了更为平缓的锥度，同样不能够实现与API扣型的互换。至于奥瑞拓的85矮牙螺纹，以及派普的DT螺纹和OST螺纹，由于其螺纹牙型的专属性，再加上与API螺纹的锥度不同，同样不能进行互换使用。

4 结束语

随着超深井、多分支水平井等复杂工艺井的不断钻探开发，对钻杆的使用要求越来越苛刻，双台肩螺纹钻杆在螺纹的抗扭特性和水力循环效能方面取得了平衡，因而得到了广泛的发展和使用。通过对比国内外双台肩钻杆的发展和应用现状，对当今广泛使用的双台肩螺纹技术进行了详细的梳理和分析，并对国内石油钻探中遇到的典型双台肩钻杆螺纹进行了互换使用的总结，有助于全面系统地了解当今双台肩钻杆螺纹技术的发展和应用情况，有力保障双台肩螺纹钻杆在石油钻井技术、生产和管理方面的顺利开展。