钻具接头螺纹

钻具接头螺纹用于如钻铤、钻杆、钻具稳定器及转换接头等钻井工具及钻柱构件的连接。目前生产和检验依据的标准主要是API SPEC 7。

API SPEC 7称钻具接头螺纹为“旋转台肩连接”，是连接钻柱构件最主要的机械机构。这种带锥螺纹具有通过轴向位移来补偿连结部分直径误差的特点，因此互换性程度高、结合紧密和装拆容易。其技术特点为英制锥管螺纹、有台肩连接、三角形螺纹，在管材连接中应用极为广泛。其主要螺纹型式如表1所示。 
表1：钻具接头螺纹类型 
序号    螺纹型式    英文写法    螺纹牙型    规格与种类 
1    数字型（NC）    Numberstyle connection theads    V-0.038R    NC23-NC77共计13种 
2    内平型（IF）   Internal-flush style connection threads    V-0.065   23/8in-51/2in共计6种 
3    贯眼型（FH）   Full-hole style connection threads    V-0.065V-0.050V-0.040   31/2in-65/8in共计5种 
4    正规型（REG）    Regularstyle connection threads    V-0.050V-0.040    23/8in-85/8in共计8种 
1. 内平型螺纹 
该型钻具接头螺纹连接外加厚或内外加厚钻杆，形成钻杆接头内径、管体加厚内径与管体内径相等或近似的通径。所有规格螺纹均采用V-0.065平顶平底三角形牙型，这种牙型为平牙底，牙顶较宽度为0.065英寸（1.651mm）。除51/2IF外，其它规格螺纹的因结构尺寸与相应的数字型螺纹完全相同，故具有互换性。该型螺纹因其牙型结构易导致应力集中，其中包括41/2IF和4IF，它们就是曾经在我油田被大量使用的410、411和4A10、4A11，取而代之的是NC50和NC46数字型螺纹。 
    
2. 贯眼型螺纹 
该型钻杆接头螺纹连接内外加厚钻杆，形成钻杆接头内径和加厚端内径相等，而均小于钻杆管体内径的通径。该型螺纹的规格虽然为数不多，但却使用了V-0.065、V-0.050（牙底为圆弧，牙顶宽度为0.050英寸，1.27mm）和V-0.040（牙底为圆弧，牙顶宽度为0.040英寸，1.02mm）三种牙型，曾经被广泛用于水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤和钻头。现在除51/2FH和65/8FH两种使用V-0.050牙型、1:6锥度的大规格螺纹外，其余均在API淘汰螺纹之列。其中唯一使用V-0.065牙型的4FH与内平型螺纹一样被数字型螺纹NC40所取代。 
3. 正规型螺纹 
该型钻杆接头螺纹曾用于连接内加厚钻杆，形成钻杆接头内径小于加厚内径，而钻杆加厚端内径又小于管体内径的通径。API设计正规型螺纹的主要目的是将其应用于钻头连接，由于钻头位于钻柱末端，在这里螺纹牙底的应力集中现象的存在与否无关紧要，因而API把它们所有规格全数保留下来。该型使用V-0.050和V-0.040牙型，在API SPEC 7第四十版中新增添了使用V-0.055（平牙底，牙顶宽度为0.055英寸，1.397mm）牙型的1REG和11/2REG两种规格螺纹。 
4. 数字型螺纹 
这是以螺纹基面中径的英寸和十分之一英寸的数字值表示的螺纹。所有规格螺纹采用V-0.038R平顶圆底三角形牙型，这种牙型的特点是圆形牙底半径为0.038英寸（0.965mm），其牙型见图1。数字型螺纹是API推荐优先使用的螺纹，该型螺纹还有1:6和1:4两种型式，应用于方钻杆、钻杆、钻铤、钻具稳定器等钻井工具，在大庆油田NC50螺纹还用在钻头上。 
螺纹型式V-0.038R指的是螺纹牙底圆弧半径0.038in（0.965mm）的V型螺纹，即数字型螺纹。V-0.040、V-0.050、V-0.065、V-0.055中各自的数字代表V型螺纹牙顶宽度的英寸数。这四种螺纹的牙底形状完全不同，V-0.040的螺纹牙底圆弧半径为0.020in（0.51mm），V-0.050的螺纹牙底圆弧半径为0.025in（0.635mm），V-0.065和V-0.055的螺纹牙底是平面。这些螺纹型式
5. 钻具螺纹检测与识别 
螺纹在生产过程中按API标准规定使用螺纹工作规检验螺纹紧密距，按一定的检验周期使用钻具螺纹单项检测仪对螺距和锥度进行检测。 
使用现场对已磨损的螺纹可以使用牙型规检查螺纹牙的磨损情况，其剩余牙顶宽度不低于原牙顶宽度的1/2，剩余牙顶高不低于原牙顶高的2/3，磨损牙数不超过3.5牙时，螺纹仍可继续使用，否则应进行修扣处理。 
使用现场对螺纹进行识别最有效的方法是使用接头尺，这种尺是一种有专门标记了外螺纹根部直径和内螺纹扩锥孔直径的游标卡尺，使用简便、直观、准确。此外，还可以直接使用长脚游标卡尺结合钢直尺测量外螺纹根部外径、长度、内螺纹扩锥孔径对照螺纹规范查询。 
螺纹竖直放置，从正面看螺旋线上升方向可判别螺纹旋向，向右上升为右旋，向左上升为左旋。 
钻具螺纹的三位数表示法是冶金工业部标准SYB12604-63中规定接头的代号，第一位数字表示接头的通称尺寸，第二位数字表示接头的类型，第三位数字表示接头的内外螺纹，具体表示方法用下表说明： 
第一位数字    第二位数字    第三位数字 
通称尺寸    接头类型    内外螺纹 
3    4    5    6    1   2    3    0    1 
31/2    41/2    51/16    65/8    内平    贯眼    正规    内螺纹    外螺纹 
淘汰螺纹与数字型螺纹的互换对照表： 
数字型螺纹    淘汰螺纹   SYB12604规定的代号 
NC26    23/8IF    2A10、2A11 
NC31    27/8IF    210、211 
NC38    31/2IF    310、311 
NC40    4FH    
NC46    4IF    4A10、4A11 
NC50    41/2IF    410、411 
6. 钻具接头螺纹主要失效形式 
经过多年的生产实践，钻杆接头螺纹主要失效形式如下几种。 
1）粘扣和胀扣：发生在有较高的轴向压力情况下，外螺纹强制进入内螺纹，引起内螺纹胀开或粘扣而造成联接失效；上紧扭矩过高或井下产生过高扭矩时，也会因胀扣或粘扣而失效。 
2）螺牙剪切失效：螺牙剪切失效也往往发生在最末完全扣处，螺纹锥度越大、螺纹越短越易出现剪切失效。 
3）断裂：因为在最末完全扣处应力最大，断裂往往发生在螺纹最末完全扣。 
4）滑扣：当螺纹锥度较大时，上紧圈数未达到适当圈数而扭矩就已达到推荐值，此时承受轴向拉力作用，易发生脱扣；当螺纹间隙充填物不合理时也有这种可能性。 
5）倒扣：较小的上紧扭矩可能导致螺纹不能承担施加的轴向载荷和井下扭矩，从而造成倒扣失效，可能造成部分钻柱掉入井内，甚至还会造成井眼报废。 
6）刺扣和密封失效：钻柱的扭转振动造成钻柱旋转速度时快时慢，当钻柱突然加速旋转时，扭矩可能突然增加，因钻柱与井壁、外螺纹与内螺纹间的交互作用使得在接头处产生很高的热量，从而螺纹脂从螺纹间隙流出，可能造成密封失效，同时高压流体沿着螺纹间隙从管内流出，引起刺扣；轴向拉力也会降低密封能力；上紧扭矩过小，过低的螺纹过盈量也导致较低的密封能力；钻柱的横向振动使钻柱承受交变的弯曲应力同样会造成密封失效；加工误差，不合理的公差配合也是一个重要的原因。 
7. 高疲劳强度钻具螺纹接头的应用 
随着深井钻井的逐年增多，钻具断裂事故也在增加。其中90%是底部钻具螺纹接头的疲劳断裂，而这其中80%属于外螺纹接头的疲劳断裂。主要原因是由于外载和预载荷在钻具头外螺纹接头各圈螺纹牙上的分配为不均匀，螺纹最后啮合区（LET）的螺纹牙承受了大部分载荷，其中第一牙承担的载荷约占总载荷的30%，因此钻具外螺纹接头很容易在此处发生疲劳断裂。所以降低LET区螺纹牙载荷成为延长钻具外螺纹接头疲劳寿命的重要途径。据此，石油管材研究所开发研究一种高疲劳强度钻具外螺纹接头——LETR外螺纹接头。这种接头螺纹最后啮合区（LET）的第一螺纹牙承担的载荷降低了约为25%，载荷在各圈螺纹牙上分配比普通接头均匀。其结构特点是降低了螺纹最后啮合区（LET）的螺纹牙型高度，在提高疲劳强度同时，保持与API钻具螺纹接头相同的抗扭强度、上卸扣性能和密封性能，与API钻具接头螺纹互换。加工原理就是切削去API外螺纹最后啮合区（LET）的螺纹牙型高度的一部分。此螺纹在新疆油田应用于底部钻具上，效果良好，大大提高了钻具的疲劳寿命。