空心抽油杆螺纹黏结原因分析及预防

张朋举，韩 军，鞠汉良，钟 陈，殷志杰，张仙文，王壮壮

（1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.中国石油吐哈油田分公司机械厂，新疆 鄯善 838202；3.中国石油吐哈油田分公司三塘湖采油厂，新疆 哈密 839009）

在传统的有杆采油系统中，抽油杆作为动力传输媒介，其螺纹连接质量对采油系统的正常运转起着至关重要的作用。近年来，随着边际油田（稠油区块、高含蜡区块等）的规模性开发，空心抽油杆因其特有的独立通道，可向井内注入热蒸汽、热水或热油、降黏剂和防腐剂等，能有效地降低开采难度，增加计量层数［1］，极大地丰富了注采工艺。空心抽油杆的螺纹质量不仅对传递动力产生影响，同时对独立通道的密封性能产生影响。本文以我国西部某油田的空心抽油杆应用情况作为研究对象，重点分析空心抽油杆的螺纹黏结现象，并提出了预防螺纹黏结的相关方法。

1 空心抽油杆的螺纹结构形式

1.1 空心抽油杆螺纹参数

根据 SY/T 5550—2012《空心抽油杆》标准［2］的规定，空心抽油杆杆头外螺纹结构如图1所示，其接箍内螺纹结构如图2所示。

空心抽油杆的螺纹和实心抽油杆的螺纹参数一致，均为10牙/in（1 in≈25.4 mm），牙型符合ASME B 1.1—2003标准［3］的要求。某油田螺纹偏差和间隙为2A-2B级，外螺纹牙型是UNR型，其牙底轮廓为圆弧（图1）；内螺纹牙型是UN型，平牙底，牙底宽度为螺距的0.25倍，牙底轮廓也可为圆弧［4］。

图1 空心抽油杆杆头外螺纹结构示意

图2 空心抽油杆接箍内螺纹结构示意

1.2 空心抽油杆杆头及接箍

根据SY/T 5550—2012标准的规定，空心抽油杆分为两种形式：一种是整体镦锻式，另外一种是摩擦焊接式。某油田的空心抽油杆主要应用摩擦焊接式，其杆头如图3所示，接箍如图4所示。杆头和接箍原材料均为35CrMo，其加工工艺流程如图5所示。

图3 摩擦焊接式空心抽油杆杆头示意

台肩面、端面、螺纹部分精车后，杆头的螺纹加工采用滚压方式，接箍的螺纹加工采用挤压方式。

2 空心抽油杆螺纹黏结原因分析

2.1 空心抽油杆产品分析

2.1.1 螺纹黏结宏观形貌

根据作业现场的调查，各种规格的D级空心抽油杆都存在不同程度的螺纹黏结现象，螺纹黏结的位置大多数集中在杆头和接箍的前端位置，如图6所示。

图4 摩擦焊接式空心抽油杆接箍示意

图5 杆头、接箍加工工艺流程

图6 空心抽油杆螺纹黏结形貌

2.1.2 化学成分

采用化学分析方法对出现螺纹黏结现象的杆头和接箍进行分析，原材料为35CrMo，其化学成分见表1。由表1可知：杆头和接箍的化学成分均满足 GB/T 3077—1999 标准［5］要求。

表1 杆头、接箍化学成分（质量分数）%

2.1.3 金相组织

空心抽油杆的杆头和接箍均采用调质处理（淬火+回火）工艺。空心抽油杆螺纹黏结处的金相组织如图7～8所示。从图7～8可以看出：杆头和接箍的大部分组织为回火索氏体，而且未见组织异常现象。

图7 杆头螺纹黏结处金相组织

图8 接箍螺纹黏结处金相组织

2.1.4 硬 度

摩擦焊接式的空心抽油杆为直接连接式抽油杆，SY/T 5550—2012标准对直接连接式抽油杆的硬度值没有明确要求。根据SY/T 5550—2012标准要求空心抽油杆强度在 795～965 MPa［2］，参照GB/T 1172—1999《黑色金属硬度与强度换算值》标准［6］，可知摩擦焊接式空心抽油杆的硬度值为23.5～31.5 HRC。螺纹黏结的空心抽油杆硬度实测值见表2。由表2可知：杆头和接箍硬度均符合GB/T 1172—1999标准要求。

表2 螺纹黏结的空心抽油杆硬度实测值 HRC

2.1.5 螺纹质量

为了进一步验证螺纹加工的质量，按照空心抽油杆螺纹检测规程，对同批次的螺纹加工质量和精度进行检测，结果均满足SY/T 5550—2012标准要求。

2.2 现场使用情况

空心抽油杆的现场使用过程，与螺纹保护状态、螺纹连接过程、专用工具与空心抽油杆的结合、装卸及摆放密切相关。

2.2.1 螺纹保护状态

该油田的空心抽油杆主要用于稠油掺稀开采工艺，油杆在使用前经过高温蒸汽（约300℃）逐根清理其内外壁，保证杆头、杆体、接箍均无油污。在使用过程中，均没有对螺纹进行润滑，由于高温蒸汽已经将加工时的油膜彻底清除，导致螺纹在连接过程中没有得到必要的润滑。

2.2.2 螺纹连接过程

现场均采用人工管钳连接的方法，空心抽油杆在螺纹的拧紧、卸除过程中，杆柱均未采用扶正装置，完全依靠人为感觉。

2.2.3 专用工具与空心抽油杆的结合

空心抽油杆提升时，采用提升油管类似的吊卡，吊卡与大钩之间为吊环硬连接。

2.3 螺纹黏结原因分析

在现场使用过程中，螺纹黏结现象是指螺纹在非理想光滑状态下出现“冷焊”现象，产生螺纹磨损。主要表现形式是黏着磨损和磨料磨损。

（1）黏着磨损。如果空心抽油杆在引扣或即将结束卸扣时杆体发生倾斜，容易导致螺纹挤压强度过大，随即产生扭矩过大，在局部接触点产生高温，在缺少润滑的条件下，外螺纹和内螺纹表面同性金属直接接触，最后在局部高接触压力和摩擦力作用下使表面层金属扩散、压接而黏合，形成黏结点，在随后外螺纹和内螺纹表面的相对运动中，出现旧黏结点被剪切和新黏结点不断形成的循环局面，并发生材料转移。

（2）磨料磨损。由于在现场使用中抽油杆的拆卸比较频繁，螺纹在旋进过程中颗粒状杂物（螺纹毛刺、砂尘等）对摩擦面起到切削和犁刨作用，引起表面材料脱落［7-11］。

3 预防措施

在现场使用过程中，虽然采用高温蒸汽清理了空心抽油杆内外壁，但是螺纹处的颗粒、砂尘无法清除干净。在空心抽油杆下井前建议使用柴油和软尼龙刷对螺纹端逐根清理，然后在螺纹和密封圈处涂抹锂基润滑脂，达到SY/T 5643—1995《抽油杆维护与装卸推荐作法》标准［12］中的规定。螺纹连接处必须完全清洁、无损伤、润滑良好，接触台肩面前可随意转动。

在螺纹的拧紧和卸除过程中，采用人工或者机械方式进行扶正，吊卡与大钩顶部的连接尽量采用软连接，以便底端螺纹连接处有较大自由度扶正。空心抽油杆的最小规格为Φ34 mm×5.5 mm，外径超过了1 in（25.4 mm）。根据统一标准英制螺纹（UN和UNR螺纹牙型），8牙/in的UN螺纹已经广泛替代了粗牙螺纹应用在外径超过1 in的钢管上［3］，所以建议将8牙/in作为空心抽油杆螺纹形式的研究方向，这样螺距增大后，更加方便引扣，发生螺纹黏结的可能性会进一步减小。

4 结 论

（1）空心抽油杆出现螺纹黏结现象时，应该从产品自身质量和现场操作两个方面进行分析。

（2）分析发现，该油田的空心抽油杆制造质量均可以满足现行制造标准的规定。

（3）发生螺纹黏结的主要原因是现场的不规范操作，缺乏相关的保障方式。

（4）现行标准应进一步优化，将螺纹螺距进行优化，系统评价，以推动空心抽油杆在多种工况下的适应性。

［1］魏新春.一体式空心抽油杆采油技术研究［D］.成都：西南石油学院，2003.

［2］铁岭中油机械设备制造有限公司，全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会.SY/T 5550—2012空心抽油杆［S］.北京：石油工业出版社，2012.

［3］The American Society of Mechanical Engineers.ASME B1.1—2003 Unified inch screw threads（UN and UNR thread form）［S］.2003.

［4］玉门油田分公司（局）机械厂，国家发展和改革委员会.SY/T 5029—2006抽油杆［S］.北京：石油工业出版社，2006.

［5］大冶特殊钢股份有限公司，冶金部信息标准研究院.GB/T 3077—1999合金结构钢［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［6］中国计量科学研究院，中国航空工业总公司第三〇四研究所，中国航空工业总公司第六二一研究所，等.GB/T 1172—1999黑色金属硬度与强度换算值［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［7］马刘宝，朱靖，赖兴涛.油套管螺纹粘扣原因分析及研究现状［J］.钢管，2011，40（3）：27-30.

［8］李磊，刘文红，宋生印.某井N80-Q油管粘扣及脱扣的分析［J］.钢管，2011，40（4）：44-48.

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［11］袁光杰，姚振强，肖志刚.API管螺纹粘扣主要因素的确定方法研究［J］.焊管，2003，26（3）：19-21.

［12］玉门石油管理局机械厂.SY/T 5643—1995抽油杆维护与装卸推荐作法［S］.北京：石油工业出版社，1995.