[发明专利]具有润滑皮膜的管螺纹接头

说明书

技术领域

本发明涉及在钢管、特别是油井管(OCTG)的连接中使用的管螺纹接头、和用于赋予其润滑性的该管螺纹接头的表面处理方法。本发明的管螺纹接头在油井管的接合时，不需在螺纹接头上涂布一直以来涂布的复合脂之类的润滑脂，就可以切实地发挥优异的抗咬性。因此，本发明的管螺纹接头可以避免复合脂造成的对地球环境和人体的不良影响。此外，该接头即使是在高扭矩下接合时，也不易屈服，可以容易地实现稳定的金属-金属间密封。

背景技术

在油井、气井的挖掘中使用的管件、套管等油井管一般要使用管螺纹接头进行连接。油井的深度过去一般是2000～3000m，但近年来的海洋油田等的深油井有时还达到8000～15000m。对于大多海洋油田而言，油井挖掘用浮动设施进行，由于设施整体摇动，所以整个挖掘操作在不稳定状态下进行。

油井管用的管螺纹接头，在使用环境下受到油井管和接头自身的重量所产生的所谓轴向拉伸力负荷(7英寸钢管有时会达到500吨)、弯曲力、内外表面压力等的复合压力(有时会达到1000个气压)、以及地热(200℃以上、根据位置不同有时会达到300℃)的作用，所以要求在这样的严酷环境下不受损地保持气密性。

油井管的接合所使用的典型的管螺纹接头由在第1管状部件(典型的是油井管)的两端形成的具有外螺纹的接头要素即外螺纹端、和在第2管状部件(典型的是被称作“接箍”的接头部件)的两端形成的具有内螺纹的接头要素即内螺纹端构成。

为了在严酷的环境下也能发挥高气密性而开发的被称作“特殊螺纹接头(premium joint)”的管螺纹接头，如图1所示，在外螺纹端的外螺纹的端头侧的端面附近的外周部、和内螺纹端的内螺纹的基部的内周面上具有密封面，外螺纹端端头的端面和内螺纹端对应的最深面分别成为扭矩台肩面。将包含该密封面和扭矩台肩面的外螺纹端和内螺纹端的部分称作“无螺纹金属接触部”。此外，外螺纹端的该部分也被称作“扭矩台肩部”或“螺唇部”。

特殊螺纹接头以下述方式设计：将油井管的一端(外螺纹端)插入到接箍(内螺纹端)中，在外螺纹端和内螺纹端的扭矩台肩面彼此接触后，拧紧外螺纹和内螺纹直至抵触，此时外螺纹端和内螺纹端的密封面以适当的抵触量接触，通过金属-金属接触形成密封。通过该密封面上的金属密封来确保螺纹接头的气密性。

在使管件、套管下降进入到油井中的操作中，有时会因各种障碍(例如，同时下降的挖掘机材的故障)需要使一度接合的螺纹接头松开，将这些接头暂时从油井中拉出后，再次拧紧接头后将其下降。API(美国石油协会)要求具有下述水平的抗咬性(galling resistance)：即使在管件接头上进行10次、在套管接头上进行3次拧紧(make up)和松开(break out)，也不发生称作“磨伤卡死(galling)”的咬死现象，并保持气密性。

在拧紧螺纹接头时，为了谋求提高抗咬性和气密性而在螺纹接头的接触表面(螺纹部和无螺纹金属接触部)上涂布被称作“复合脂”的含有重金属粉的粘稠液态的润滑剂(润滑脂)。在API规格BUL 5A2中规定了这种复合脂。从保持气密性的观点考虑，复合脂还要求具有赋予涂布的接触表面防锈性的功能。

为了提高复合脂的保持性、改善滑动性，迄今为止已经提出了对螺纹接头的接触表面进行氮化处理、包含锌系镀、分散镀的各种镀敷、磷酸盐化学转化处理等多种1层或2层以上的表面处理。但使用复合脂时，如后面所述，存在会对环境、人体造成不良影响的问题。

复合脂含有大量锌、铅、铜等的重金属粉。在螺纹接头的接合时，涂布的油脂可能会被洗出，或溢出至外表面，特别是铅等的有害重金属可能会对环境、特别是海洋生物有不良影响。此外，复合脂的涂布操作也可能使操作环境恶化，对人体有害。

近年来，涉及防止东北大西洋的海洋污染的OSPAR公约(The Oslo-Paris Convention，奥斯陆-巴黎公约)已在1998年生效，以此为契机，对全球规模的环境的规制愈加严格，在部分地域复合脂已被限制使用。因此在气井、油井的挖掘操作中，为了避免对环境、人体的不良影响，需要在不使用复合脂的情况下发挥优异的抗咬性的螺纹接头。此外，OSPAR公约不仅限制重金属的使用，而且还要求有机类材料无毒性或基本没有毒性，且具有较高的生物降解性。