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1、 钻杆接头螺纹卸扣扭矩影响因素研究 Summary：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。Key：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
2、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
3、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
4、效减少。第3代特殊螺纹上扣旋转圈数为4.26.5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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、。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
10、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。Reference1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. -全文完-
