钻杆接头螺纹卸扣扭矩影响因素研究

摘要：随着时间的推移，近年来石油开采难度逐步增加，越来越多的超深井、多分支井、深井、大位移水平井产生，对钻杆材料强度、上扣速度、抗扭性能等指标提出了更高的要求。本文主要研究钻杆接头上扣/卸扣扭矩影响因素，提出提升扭矩的建议。

关键词：钻杆接头螺纹;卸扣扭矩;影响因素

既往，很多学者研究分析了如何提高石油钻杆接头抗扭强度，整合了较多资料。但是，就接头卸扣扭矩研究资料较少，为探究TTTM系列接头螺纹卸扣扭矩低的相关问题，本文结合实际情况，参考计算公式，总结钻杆接头螺纹卸扣扭矩影响因素，并提出相应的建议，旨在为后期接头设计与改进提供可靠指导。

1接头螺纹定义概述

API石油钻杆借助带锥度粗牙单台肩螺纹连接，接头扭矩强度低于管体，螺纹连接一般为钻柱最薄弱部分。为切实满足钻杆钻探深井、大斜度定向井、水平井的需求，石油装备行业多选择的是非API规范双台肩高抗扭钻杆接头。旨在将钻杆接头抗扭强度提升，选择更高级别材料之外，优化螺纹结构。

美国NOVGrantPrideco公司先后研发3代特殊接头螺纹，第一代特殊接头螺纹HI-TORQUER（HTTM），通过增加副台肩结构，可将其与GPDS接头抗扭强度提升40.0%以上，与API同规格对比，提升效果显著。第二代特殊接头螺纹eXtremeRTorque（XTR），将API标准原发型设计束缚突破，选择的是小锥度、大螺距与大牙底圆弧半径，与API同规格对比，抗扭强度提升70.0%以上。XTR螺纹钻杆接头可将钻井循环压力能耗降低，可将水力性能日升，且可允许更大外径磨损量，近年来，在钻井工业内得到了广泛的应用。但是，在提升强扭强度的同时，会导致上口时旋转圈数增加，可将API数字型接头螺纹旋转从5圈朝着13圈增加，导致上扣效率降低，螺纹的磨损加重，对钻井效率与螺纹使用寿命产生影响。

为将上述问题解决，NOVGrantPrideco公司研发了第三代特殊螺纹TurboTorqueTM（TTTM），接头材料强度从120ksi（827MPa）提高到130ksi（896MPa），且将牙型转换为双头双圆弧的牙底，将上扣旋转圈数有效减少。第3代特殊螺纹上扣旋转圈数为4.2～6.5圈，接近API数字型螺纹，是XTTM系列1/2或更低，将抗扭强度提升了20.0%以上。

2卸扣扭矩影响因素分析及改进建议

通过扭矩分析石油钻杆接头螺纹上扣可得知，影响接头上扣扭矩参数包括：摩擦因数、主台肩接触面平均半径、接头材料强度、副台肩面积、螺纹导程、接头危险截面面积、螺纹平均半径、摩擦因数等。按照3大部分，在多项计算参数归纳整理基础上，可划分为6项，分别为主台肩摩擦扭矩a、副台肩摩擦扭矩b、主台肩部分螺纹接触面间摩擦扭矩c、副台肩部分螺纹接触面间摩擦扭矩d、主台肩部分螺纹升角产生的扭矩e和副台肩部分螺纹升角产生的扭矩f。在上扣过程中，该6项摩擦扭矩方向与上扣扭矩方向相反，达到扭矩平衡。

卸扣扭矩与上扣扭矩组成包括：主（副）台肩面摩擦扭矩a和b、主（副）台肩部分螺纹升角产生的扭矩e和f、主（副）台肩部分螺纹接触面间摩擦扭矩c和d，各个部分的扭矩大小相等。其区别点在于主（副）台肩部分螺旋升角产生的扭矩e和f方向、外部施加扭矩方向不同。为更好的开展分析，假设a+b+c+d+e+f=1，此时各个字母代表不同部分扭矩占比。

石油钻杆接头螺纹卸扣扭矩计算也包含6项，在进行卸扣阶段，需要确保相反方向的指标包括：主台肩面摩擦扭矩a和副台肩面摩擦扭矩b、主（副）台肩部分螺纹接触面间摩擦扭矩c和d与卸扣扭矩方向。相同方向为主（副）台肩部分螺纹升角产生的扭矩e和f与卸扣扭矩方向。基于此，螺纹卸扣扭矩小于上扣扭矩。

通过分析普通钻杆接头各部分的扭矩比可知，对于同类型接头，大尺寸螺纹的扭矩大于r较小螺纹的扭矩，API标准螺纹和特殊螺纹都表现出相同的规律。其原因是：当接头螺纹的螺距相同时，大尺寸接头螺纹的中径大，螺旋角小，角的扭矩相对较小;双肩关节的螺纹扭矩比R小于单肩关节。由于双肩结构，副肩螺旋角扭矩增大，使得双肩关节螺旋角扭矩比增大，因此其扭矩比R变低;单线接头的螺纹扭矩比R比双线接头大，双线螺纹的导程比单线螺纹的导程增大，螺旋角增大，角部扭矩也迅速增大，因此卸扣扭矩减小很多，导致扭矩比R变小。

提高石油钻杆接头断丝扭矩也是螺纹锁紧技术的研究内容。国内外学者对断丝机理做了大量的分析和研究，设计并实施了多种对策。大多数可以实现的螺纹锁紧方案不适合频繁拆卸螺纹连接。

因此，结合石油钻杆接头螺纹对安全性和疲劳寿命要求高的特点，从接头螺纹的理论拧松扭矩模型和计算公式出发，可以从以下六个方面入手，提高螺纹扭矩比R，降低钻杆接头井下拧松的风险。

（1）变径螺纹导程的设计。拧紧圈数受拧紧前的插入深度h和螺纹导程s （s是单螺纹的螺距）的影响。据拧紧螺纹时转数C的计算公式（C=4htS。其中h是螺纹牙顶高度，mm;t为螺纹锥度，mm/m），可以看出，提高螺纹上扣速度不仅可以增加螺纹导程，还可以优化螺纹锥度和牙顶高度，这样也可以使螺纹上扣圈数更少。

（2）增加辅助扭矩结构。例如螺纹的设计、径向锥对锥、圆柱对圆柱的过盈配合扭矩结构等。，增加其他部分扭矩值的比例，达到降低螺纹导程部分扭矩比例的目的，并且还增加卸扣扭矩和扭矩比r。

（3）锥度优化。API钻杆接头设计外螺纹正锥度公差（即锥度可以更陡）和内螺纹负锥度公差（即锥度可以更平）。当拧紧螺纹时，外螺纹的锥度变得更陡，内螺纹的锥度变得更平。螺纹齿的应力主要集中在大端的前三齿，后3/4螺纹侧的接触压力很小。这导致实际接头断裂扭矩低于理论计算值。因此可以优化螺纹锥度公差，外螺纹锥度设计略平缓，上扣后所有螺纹有效接触，可以在一定程度上改善螺紋接触面之间的摩擦，提高卸扣的扭矩值和扭矩比R。

（4）提高螺纹胶的摩擦系数。增加螺纹复合摩擦系数可以提高接触面间的摩擦力，直接增加非前导部分的扭矩值及其比例，间接降低前导部分扭矩的比例，在一定程度上提高螺纹卸扣扭矩和扭矩比R。

（5）减少钻孔过程中的摩擦。在接头外壁与井筒经常发生摩擦的位置，设计了减摩装置，可以降低钻井过程中的摩擦阻力，使摩擦阻力小到足以导致接头在井底发生断裂。

（6）由以上分析可知，在API数字钻杆接头螺纹中，螺纹超前对NC23的影响最大，规格最小。通过计算，NC23钻杆接头超前率为0.16，R为0.68。该规格的接头已经使用了几十年，在正常钻井过程中没有发生过井底断裂事故，因此可以将0.68设置为钻杆接头螺纹的最小扭矩比，以确保安全钻井。

结束语

综上所述，通过将螺纹导程减小，增加螺纹过盈配合等辅助手段，能够改善扭矩结构，可实现螺纹锥度优化，以此将螺纹脂摩擦因数提升，将钻井摩擦助力降低，实现螺纹卸扣扭矩、扭矩比提升。

参考文献

[1]鲁喜宁，丁洁琼，曹晶晶.钻杆接头螺纹卸扣扭矩影响因素研究[J].钢管，2020，49（02）：58-62.

[2]何体财. 石油钻具螺纹应力分析与减摩涂料的开发[D].西安科技大学，2019.

[3]李晓晖，吕拴录，李艳丽，王克虎，常吉星，满国祥，朱立强，鲍华雷.钻杆接头抗粘扣性能试验研究[J].石油管材与仪器，2017，3（03）：49-53.

[4]吴翔实. 石油套管接头结构分析及其抗扭机理研究[D].华东理工大学，2017.

[5]董亮亮. 抗弯钻杆接头螺纹及弯曲疲劳行为研究[D].西南石油大学，2015.

作者简介：王云，1983，男，汉，籍贯：江苏泰州市姜堰区，职务职称：助理工程师、质量技术副总，学历：大专，单位：泰州凯圣石油钻具有限公司，研究方向：机械设计与制造，单位所在省市及邮编：江苏省泰州市，225500