API钻具接头螺纹的特点

1API钻具接头螺纹的特点、类型、加工要求及技术参数随着牙轮钻进，空气潜孔锤钻进，气举反循环钻进等钻探工艺的推广使用。API系列井内钻柱构件和井下工具也得到了越来越广泛的应用。尤其是连接钻柱构件的API系列钻具接头螺纹，更是起着不可或缺的作用。因此，熟悉和掌握API系列钻具接头螺纹的相关技术规范和设计要求，采用合理的加工参数及检测方法，是保证API系列井内钻柱构件和井下工具正常使用的重要工作之一。本文拟在APISPEC7、GB/T9253.1—1999、SY/T5144—2007及GB/T4749—2003等标准的基础上，并结合生产实践及使用过程中遇到的实际问题，分别就API系列钻具接头螺纹的特点、类型、规格、加工要求、检测方法、及螺纹的主要失效形式等方面进行论述，以帮助我们加深对API相关技术规范的理解和认识，正确掌握API系列钻具接头螺纹的生产加工和操作使用。一、螺纹特点API系列钻具接头螺纹主要用于钻杆、钻铤、钻具稳定器和转换器等钻井工具及钻柱构件的连接。目前生产和检验的主要依据标准为：APISPEC7《旋转钻柱构件规范》（2001年11月第40版）和GB/T9253.1—1999《石油钻杆接头螺纹》。APISPEC7将钻具接头螺纹称为“旋转台肩连接”，这种带锥螺纹具有通过轴向位移来补偿连接部分直径误差的特点。因此互换程度高、结合紧密、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”，因此在管材连接中应用极为广泛。API系列钻具接头螺纹按螺纹形式分为四大类，分类情况见表一。表一钻具接头螺纹类型序号螺纹形式英文写法螺纹牙型规格与种类1数字型（NC）NumberStyleConnectionThreadsV-0.038RNC23~NC77共计13种2内平型（IF）InternalFlushStyleConnectionThreadsV-0.065852in~215in共计6种3贯眼型（FH）FullHoloStyleConnectionThreadsV-0.065V-0.050V-0.040321in~685in共计5种4正规型（REG）RegularStyleConnectionThreadsV-0.050V-0.040283in~885in共计8种二、螺纹类型1、数字型螺纹（NC）这是以螺纹基面中径的英寸和十分之一英寸数值表示的螺纹。所有规格螺纹均采用V-0.038R平顶圆底三角形牙型。牙型特点为：圆形牙底，牙底半径为0.038英寸（0.965毫米）。数字形螺纹（NC）是API推荐优先使用的螺纹类型。该螺纹有1：6和1：4两种锥度标准，主要应用于钻杆、钻铤、钻具稳定器等钻柱构件的连接，NC50还可应用于在钻头螺纹的连接上。2、内平型螺纹（IF）该型螺纹主要用于连接外加厚或内外加厚的钻杆、接头内径、管端加厚处内径与钻杆内径有着相等或近似相等的通径。所有规格螺纹均采用V-0.065平顶平底三角形牙形。这种牙型的特点为：平牙顶、平牙底、牙顶宽度为0.065英寸（1.651毫米）。2该型螺纹除215IF规格外，其它规格因其结构尺寸与相应的数字型螺纹完全相同，因此与数字型螺纹具有互换性。内平型螺纹的牙型结构易导致应力集中，故API已将其逐步淘汰。相应规格螺纹由同规格的数字型螺纹所取代。被淘汰螺纹与数字型螺纹互换情况见表二。表二螺纹互换类型对照表序号淘汰类型螺纹数字型螺纹123456283IF287IF321IF4FH4IF421IFNC26NC31NC38NC40NC40NC503、贯眼型螺纹（FH）该型螺纹主要应用于连接内、外加厚的钻杆。钻杆接头内径与加厚端内径相等，但均小于钻杆的管体内径。该型螺纹规格尽管数量不多，但却使用了包括V-0.065、V-0.050（牙底为圆弧，牙顶宽度为0.050英寸，1.270毫米）和V-0.040（牙底为圆弧，牙顶宽度为0.040英寸，1.020毫米）三种牙型。该螺纹曾广泛用于水龙头、方钻杆、钻铤和钻头的连接。现除521FH和685FH两种使用V-0.050牙型。1：6锥度的大规格螺纹外其余规格均被API列入淘汰范围。原使用较广的4FH螺纹同内平型螺纹一样，被同规格的数字型螺纹所取代。4、正规型螺纹（REG）该型螺纹曾用于连接内加厚钻杆，钻具接头内径小于加厚端内径，而加厚端内径又小于钻杆内径。API设计正规型螺纹的主要目的是将其应用在钻头螺纹的连接上，由于钻头位置处于钻柱末端。所以尽管螺纹牙型也存在应力集中现象，但对整个钻柱连接强度影响不大。因此可以忽略不计，在修改后的APISPEC7第四十版中，API将所有的螺纹规格都全部保留了下来。正规型螺纹使用V-0.050和V-0.040两种牙型。在APISPEC7第四十版中，又增加了V-0.055牙型（平牙底，牙顶宽度为0.055英寸，1.397毫米）的1REG和121REG两种螺纹规格。三、螺纹标记按照《GB/T9253.1—1999》标准中的相关规定，钻具接头螺纹采用螺纹代号进行标注。1、数字型螺纹：采用螺纹代号加螺纹基面中径十分之一英寸的数值组成。例：NC38—表示螺纹基面中径为3.8英寸，只能加工成V-0.038R尺寸牙型的数字型螺纹。2、其余类型螺纹：由接头规格加螺纹代号组成。例：421IF—表示接头规格为421英寸，可加工成V-0.065尺寸牙型的内平型螺纹。3、左旋螺纹：在螺纹代号后加“—LH”3例：421REG—LH4、可互换螺纹：对被换螺纹加括号表示。例：NC50（421IF）—表示421IF可与NC50螺纹进行互换，螺纹牙型尺寸即可加工成V-0.038R，亦可加工成V-0.065。对可互换螺纹，如果括号内只标注了内平或贯眼型螺纹代号（如上例中的421IF），则允许螺纹牙型可按V-0.038R尺寸进行加工。四、螺纹牙型1、螺纹牙型有V-0.038R、V-0.040、V-0.050、V-0.055、V-0.065五种类型。螺纹牙型及尺寸参数见图一、图二和表三。图一：V-0.038RV-0.040和V-0.050螺纹牙型4图二：V-0.055、V-0.065螺纹牙型5表三：钻具接头螺纹牙型尺寸表螺纹牙型V-0.038RV-0.038RV-0.040V-0.050V-0.050V-0.055V-0.065螺距mm(牙/寸)6.35（4）6.35（4）5.08（5）6.35（4）6.35（4）4.233（6）6.35（4）锥度1：61：41：41：41：61：81：6原始三角形高度H5.4875.4714.3765.4715.4873.6605.487牙形高度hn=hs3.0953.0832.9933.7423.7551.4202.831牙顶削平高度fcn=fcs1.4271.4230.8751.0941.0971.2091.426牙底削平高度Srm=Srs0.9650.9650.5080.6350.6351.0311.229牙顶宽度Fcn=Fcs1.6511.6511.0161.2701.2701.3971.651牙底宽度frn=frs—————1.1941.422牙底圆角半径rnn=rrs0.9650.9650.5080.6350.635——圆角半径r0.3810.3810.3810.3810.3810.3810.381螺纹代号NC23~NC50NC56~NC77283REG~421REG321FH~421FH521REG785REG885REG685REG521FH685FHNC10~NC161REG121REG283IF~521IF4FH62、V-0.038R指的是牙底圆弧半径为0.038英寸（0.965毫米）的V形螺纹。V-0.040、V-0.050、V-0.055、V-0.065中各自的数字分别代表V形螺纹牙顶宽度的英寸数值，但这四种螺纹的牙底形状则各不相同。V-0.040螺纹的牙底圆弧半径为0.02英寸（0.51毫米）。V-0.050的螺纹牙底圆弧半径为0.025英寸（0.635毫米）。V-0.055和V-0.065的螺纹牙底则为平面。五、螺纹加工精度要求1、螺距极限偏差在完整螺纹范围内，任一段沿轴向25.4毫米长度内的螺纹累积偏差为0.038毫米。在完整螺纹整个范围内，螺纹累积偏差为114毫米，或按螺纹总长度的1/1000计算，两者取其大值。2、牙侧角极限偏差为：45’。3、锥度极限偏差在完整螺纹范围内，折算到304.8毫米轴向长度上，螺纹中径圆锥的平均锥度极限偏差为：外螺纹762.00，内螺纹0762.0。4、牙形高和牙顶高的极限偏差应符合图三和表四的规定。图三牙型高和牙顶高极限偏差尺寸图表四：牙型高牙顶高极限偏差尺寸螺距牙顶高han=has牙型高hn=hs△ha=△hs△ha=△hs4.233008.006.005.0800120.008.006.3500180.0120.0075、紧密距极限偏差，应符合GB/T4749—2003中相关规定。6、螺纹结构的其它尺寸公差和形位公差应满足图四、图五和表五、表六、表七中相关要求。7、特殊结构对于钻铤和小规格的钻具接头螺纹（NC10~NC16），内外螺纹的收尾部分可根据需要加工成密封槽，应力分散槽和密封锥面等特殊结构。六、螺纹的检测与识别1、钻具接头螺纹在生产加工中，必须符合各项尺寸公差和形位公差要求。并按规定正确使用螺纹量规检验螺纹紧密距和各项极限偏差。对库存产品，每隔一定检验周期。应用螺纹单项检测仪对螺纹螺距和锥度重新进行检测。2、在使用现场，可采用牙型规对螺纹的磨损情况进行检测。螺纹剩余牙顶宽度不小于原牙顶宽度的1/2，牙顶高度不低于原牙顶高度的2/3。磨损牙数不超过3.5牙时，螺纹仍可继续使用，否则必须进行修扣处理。3、使用现场对螺纹最有效的识别方法是使用螺纹接头尺。这种接头尺专门设有标记了外螺纹根部直径和内螺纹镗孔直径参数的游标卡尺。使用时即简便、直观、又可准确判定螺纹的类型和规格。如无螺纹接头尺，则可同时使用普通游标卡尺和钢直尺进行测量，然后通过参照螺纹规范进行对比，即可确定螺纹的类型和规格。4、螺纹旋向的识别将螺纹竖直放置，从正面观察螺旋线的上升方向。向右上升的为右旋螺纹，向左上升的为左旋螺纹。七、螺纹的主要失效形式1、粘扣和胀扣通常发生在有较高轴向压力情况下，外螺纹强制进入内螺纹，导致内螺纹胀开或粘扣而造成连接失效。上扣时扭矩过高或钻进中产生过高扭矩时，也会出现这种情况下。2、螺纹剪切失效往往出现在螺纹最未端的完整扣处。螺纹锥度越大，螺纹越短，越容易发生剪切失效现象。3、断裂螺纹最未端完整扣处往往应力最大。断裂现象常出现在螺纹最未端完整扣处。因此，小规格钻具接头螺纹和钻铤螺纹常加工有应力分散槽等特殊结构，以减小应力集中现象。4、滑扣螺纹锥度较大时，上紧圈数尚未达到额定圈数而扭矩就已达到推荐值，此时在轴向拉力作用下，往往会出现滑扣。除此之外，螺纹间隙充填物不合理时也易产生滑扣现象。5、倒扣螺纹上紧扭矩过小或未能达到额定值，导致螺纹无法承受施加的轴向载荷和井下扭矩，从而出现倒扣失效，造成钻具脱扣掉入井内。6、刺扣和密封失效钻进过程中，钻具的扭转振动往往会造成钻具旋转速度时快时慢。当钻具突然加速旋转时，扭矩会瞬间增大。此时，在钻具和井壁、外螺纹和内螺纹的交互作用下，钻具接头处往往会产生很高的热量，导致螺纹脂从螺纹间隙中流出，造成密封失效而引起刺扣。除此之外，加工精度过低，不合理的公差配合，过少的螺纹过盈量，都是产生刺扣现象发生一个重要原因。八、螺纹的基本尺寸和加工参数81、钻具接头螺纹尺寸见图四、图五92、钻具接头螺纹尺寸参数见表五、表六、表七表五：数字型（NC）接头螺纹尺寸参数表螺纹类型螺纹牙型螺距P螺纹牙数牙/时锥度外螺纹大端外径Dl40.0外螺纹小端外径Ds外螺纹长度Lpc018.3内螺纹大端内径Dc镗孔直径Qc70.040.0内螺纹锥孔长度LDC52.90NC10V-0.0554.23361:830.22625.45138.1027.74230.5853.98NC12V-0.0554.23361:8