大口徑深孔鉆具選用原則及建議

王振志，李艷麗，李曉暉

(石家莊探礦機械廠，河北石家莊 050081)

大口徑深孔鉆具選用原則及建議

王振志，李艷麗，李曉暉

(石家莊探礦機械廠，河北石家莊 050081)

為了適應(yīng)深孔鉆探的需要，減少孔內(nèi)事故的發(fā)生，闡述了深孔鉆具的選用原則，對鉆鋌、鉆桿、轉(zhuǎn)換接頭、方鉆桿的選用方法進行了具體介紹，并就經(jīng)常遇到的鉆柱切口問題、臨界鉆壓和轉(zhuǎn)速問題提出了建議，為施工單位進行合理的鉆具選用和組合提供了參考。

深孔鉆具;鉆桿;鉆鋌;方鉆桿;轉(zhuǎn)換接頭

1 概述

隨著資源形勢的緊張，無論是水源地開發(fā)、地熱鉆探還是煤層氣開采，鉆孔均在向深部發(fā)展。在深孔鉆探中，孔內(nèi)事故時有發(fā)生，其中70%～80%是鉆具事故。這些事故的發(fā)生又與鉆具選用緊密相關(guān)，本文旨在對直井深孔鉆探中的常用鉆具選用問題進行分析和探討。

所謂鉆具，是指方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、接頭、穩(wěn)定器、減震器以及在特定鉆井條件下使用的其他井下工具的統(tǒng)稱，習慣上往往把方鉆桿、鉆桿、轉(zhuǎn)換接頭、鉆鋌稱為鉆具。在鉆井過程中，上述鉆具連接起來組成的井管串稱為鉆柱。鉆具組合應(yīng)遵循以下原則:第一，簡單原則，鉆具結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單、簡化，最大限度地減少螺紋、臺肩和切口數(shù)量，盡量選擇標準鉆具;第二，合理原則，首先選擇的鉆具規(guī)格要合理，用小規(guī)格能完成的，不選大規(guī)格的，以節(jié)約投資，降低消耗;第三，鉆具匹配要合理，整個鉆柱過渡平滑。

2 幾種鉆具的選用方法

2.1 鉆鋌的選用

2.1.1 鉆鋌直徑的確定

鉆鋌直徑?jīng)Q定著井眼的有效直徑，為了保證所鉆井眼能使套管或套銑筒的順利下入，鉆鋌中最下部一段的外徑不應(yīng)小于允許最小外徑D允(D允=2×套管接箍外徑－鉆頭直徑)。如鉆頭直徑為222.2 mm，選用177.8 mm的套管，接箍外徑為194.5 mm，則D允=2×194.5－222.2=166.8 mm，可選用171.4或177.8 mm的鉆鋌，當鉆鋌柱中采用了穩(wěn)定器時，可以選擇稍小直徑的鉆鋌。鉆鋌柱中選用的最大外徑應(yīng)以保證在可能發(fā)生的打撈作業(yè)中能被套銑為前提，在上述222.2 mm的井中，可打撈和套銑“落魚”最大外徑為181 mm，即鉆鋌直徑不能超過181 mm，但在鉆鋌直徑的選擇上也不能一味求小，如果在大井眼中使用小鉆鋌，鉆鋌的彎曲度增加，應(yīng)力增大，鉆鋌極易產(chǎn)生疲勞破壞。另外，還加劇了鉆鋌的橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動，加大了鉆鋌發(fā)生刺穿、粘扣和脹扣破壞的可能性。在大于241.3 mm的井眼中，應(yīng)采用復合鉆鋌結(jié)構(gòu)，但相鄰兩段的外徑差不應(yīng)過大，一般不超過25.4 mm。

2.1.2 鉆鋌根數(shù)的確定

由于鉆鋌擔負著給鉆頭加壓的作用，因此鉆鋌根數(shù)主要是根據(jù)設(shè)計的最大鉆壓確定，目前廣泛采用的是浮力系數(shù)法。由此計算出所需鉆鋌重力Wc，再折算成鉆鋌根數(shù)。

式中:Wc——所需鉆鋌重力，kN;Wm——設(shè)計最大鉆壓，kN;St——安全系數(shù)，一般取1.15～1.25; α——井斜角，(°);K——鉆井液浮力系數(shù)，K=1－(ραs);ρα鉆井液密度，g/cm;ρs鋼材密度，為7.85 g/cm3。

有的施工隊伍因擔心發(fā)生粘吸卡鉆而少用鉆鋌，此時鉆柱上拉壓均衡的中性點將上移，中性點以下部位的鉆桿就會增長，承受壓力后極易產(chǎn)生彎曲。由于鉆桿在工作中承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)與彎曲交變應(yīng)力的聯(lián)合作用，也非常容易產(chǎn)生疲勞破壞，而鉆桿管體兩端加厚部位受截面變化的影響是應(yīng)力集中的位置，因此大多數(shù)鉆桿的破壞都發(fā)生在距接頭1.2 m的范圍內(nèi)。一旦發(fā)生斷裂，施工隊往往會把查找問題的重點放在鉆桿上，其實是由于鉆鋌配置不當引發(fā)的受力問題所導致，所以鉆鋌的配置在施工中是鉆具匹配的關(guān)鍵問題之一，不容忽視。

2.1.3 鉆鋌內(nèi)徑和螺紋的選擇

在API標準中，鉆鋌內(nèi)徑和螺紋已經(jīng)標準化了，除非特殊需要，不應(yīng)選擇其他尺寸的內(nèi)徑和螺紋，因為這里有一個平衡連接問題，即內(nèi)外螺紋的彎曲強度比BSR=2.50時的連接，此時內(nèi)外螺紋抗疲勞性大致相當，被認為是最安全的連接，根據(jù)鉆井條件，可接受的BSR范圍為3.20～1.90。

式中:BSR——彎曲強度比;ZB——內(nèi)螺紋截面模量;ZP——外螺紋截面模量;D——內(nèi)螺紋接頭外徑，mm;b——接頭內(nèi)徑，mm;R——外螺紋端部處內(nèi)螺紋根部直徑，mm;d——距外螺紋密封臺肩19.05 mm外螺紋根部直徑，mm。

由上式可以看出，內(nèi)徑及螺紋參數(shù)的改變，均影響彎曲強度比的大小，千萬不能把鉆桿接頭的螺紋連接照搬到鉆鋌上。如有細扣鉆桿中121 mm接頭的連接螺紋為NC38、內(nèi)徑為68 mm，而121 mm鉆鋌的標準螺紋為NC35、內(nèi)徑為50.8 mm。如果把121 mm鉆鋌的螺紋改為NC38，經(jīng)計算，其彎曲強度比為1.802，不能達到平衡連接效果，內(nèi)螺紋抗疲勞性能偏小，容易造成內(nèi)螺紋疲勞斷裂，同樣地，如果把鉆鋌內(nèi)徑加大，則容易造成外螺紋的疲勞折斷。

2.1.4 鉆鋌應(yīng)力釋放槽的選擇

API鉆鋌螺紋的主要缺點是內(nèi)外螺紋長度不同，以NC50螺紋為例(見圖1)，外螺紋最大長度為

114.3mm，內(nèi)螺紋最小長度為118 mm，兩螺紋連接后，內(nèi)螺紋根部處形成突然減小的截面，出現(xiàn)較高的交變應(yīng)力，而且非常集中，從而降低螺紋的強度。另外內(nèi)螺紋根部暴露在泥漿中，受到泥漿的渦流沖擊和腐蝕，容易形成尖銳切口，加深應(yīng)力集中而發(fā)生破壞，實際發(fā)生內(nèi)螺紋斷裂的部位也都在此處。鉆鋌接頭外螺紋臺肩面幾乎支撐著所有的彎曲應(yīng)力，最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)螺紋接頭和外螺紋接頭的最后一道螺紋附近，斷裂也易從外螺紋接頭的最后一道螺紋發(fā)生。鑒于以上情況，筆者認為在螺紋的臺肩轉(zhuǎn)角處開應(yīng)力釋放槽能夠有效緩解連接部位的應(yīng)力集中，使密封面上的接觸壓力不再集中在公扣臺肩轉(zhuǎn)角處，而是比較均勻地分布在整個密封面上，增大了接觸面積，提高了螺紋的抗載荷能力(見圖2)。但這種鉆鋌也有其缺點，就是一旦出現(xiàn)螺紋損傷，很難進行二次修扣，所以如果在鉆進中容易出現(xiàn)螺紋損傷，比如在比較硬的巖層中，筆者不建議采用帶應(yīng)力釋放槽的鉆鋌，如果認為有條件使用應(yīng)力釋放槽時，一定要嚴格執(zhí)行操作規(guī)范，使用合格絲扣油，對螺紋進行有效保護。

圖1 未帶應(yīng)力釋放槽的NC50螺紋

圖2 帶應(yīng)力釋放槽的NC50螺紋

2.1.5 關(guān)于螺旋鉆鋌

在普通圓鉆鋌外圓柱面上加工3條右旋的螺旋槽，以減少與井壁的接觸面積，即是螺旋鉆鋌。螺旋鉆鋌具有普通圓鉆鋌的作用，但又克服了圓鉆鋌的不足。不僅其質(zhì)量比普通圓鉆鋌減輕4%，而且具有良好的防卡鉆作用。從粘附卡鉆力的計算式就可以看出螺旋鉆鋌防粘卡的作用。粘附卡鉆力的計算式為:

式中:F——卡鉆力;ΔP——壓差力;Ac——鉆具與井壁間的接觸面積;Ct——鉆具與泥餅間的摩擦系數(shù)。

顯然可見，減小Ac就可減小卡鉆力。由于螺旋鉆鋌表面加工有凹形螺旋槽，使Ac顯著減小，即鉆井時鉆鋌與井壁的接觸面積減小，保證泥漿在鉆鋌四周循環(huán)流動，有利于鉆鋌在各方向上靜壓力的平衡。這就是螺旋鉆鋌可以防止壓差粘附卡鉆的原理。

在定向鉆井中，因井眼有一定的傾斜角，再加上鉆具自身重力作用，鉆具形成壓差粘附卡鉆的可能性就更大。因此，在定向井使用螺旋鉆鋌，是防止壓差粘附卡鉆的一種好方法。另外，螺旋槽還有助于油浴解卡時油的滲透，萬一卡鉆，能盡快使事故得以解除。

2.2 鉆桿的選用

對于常規(guī)鉆探方法而言，鉆桿直徑可參照表1確定。

表1 常用鉆具的匹配

2.2.1 鉆桿鋼級的選擇

石油系統(tǒng)常用E75、G105和S135三種鋼級的鉆桿，地質(zhì)、水利系統(tǒng)常使用R780鋼級作為E75鋼級鉆桿的替代品。在滿足提升強度要求條件下，應(yīng)優(yōu)先選用低鋼級的鉆桿。因為高鋼級的鉆桿只是靜強度高，但在實際鉆井施工中，其腐蝕疲勞強度并不比低鋼級鉆桿高，而且它對介質(zhì)更敏感，腐蝕疲勞強度下降大，因此應(yīng)引起施工人員的足夠注意。采用低鋼級鉆桿，不僅價格便宜，而且即使發(fā)生刺漏也不致立即斷裂，便于及時發(fā)現(xiàn)采取措施，減少鉆具事故發(fā)生。對于必須使用高鋼級的含腐蝕性介質(zhì)鉆井中，建議使用內(nèi)涂層鉆桿，以提高鉆桿使用壽命。

2.2.2 鉆桿接頭通孔問題

標準鉆桿接頭外螺紋對管體的扭屈比為0.9左右，這樣鉆桿連接成鉆柱后整體強度基本一致，沒有薄弱環(huán)節(jié)。因此，無論何種鋼級鉆桿，建議按標準訂制，考慮到特殊鉆探工藝需求時，應(yīng)慎重確定。如使用G級127mm鉆桿進行煤層氣參數(shù)井鉆探時，為了滿足取心提升時間的要求，必須使用繩索取心鉆具，鉆桿通徑必須大于94 mm，此時外螺紋與管體的扭屈比為0.65，顯然外螺紋成了鉆柱上的“弱徑”，極易發(fā)生失效現(xiàn)象，如改為E級桿體，則扭屈比變?yōu)?.92，可以滿足使用要求。

2.2.3 母接頭吊卡臺肩問題

母接頭吊卡臺肩有18°和90°兩種，推薦選擇18°臺肩，特別是在進行定向鉆探時，這種臺肩根部應(yīng)力集中系數(shù)遠小于90°臺肩根部應(yīng)力集中系數(shù)，不易萌生裂紋，安全系數(shù)高。此時，相配合的吊卡型式必須隨之改變，切不可用90°臺肩吊卡改制。

2.2.4 外平鉆桿問題

圖3 反循環(huán)用外平鉆桿

由于接頭外徑與管體外徑相同，接頭螺紋只能按外徑設(shè)計成相應(yīng)規(guī)格的NC31螺紋，接頭外螺紋對管體的扭屈比僅為0.27。因此，這類鉆桿不能傳遞大扭矩，不能用于牙輪鉆頭鉆探，只能用于空氣潛孔錘鉆進時起連接作用。

2.2.5 雙臺肩鉆桿接頭

所謂雙臺肩，是指鉆桿接頭有2個臺肩面，如圖4所示。當接頭初步擰緊時，其主臺肩接觸，而在公扣前端和母扣的次臺肩有一間隙。在上緊扣時，較長的公扣與相應(yīng)的母扣發(fā)生彈性變形，使次臺肩相應(yīng)接觸。像常規(guī)接頭那樣，主臺肩起密封作用，主臺肩、螺紋和次臺肩均承受扭矩。這種接頭的優(yōu)點在于抗扭強度高，一般地，API雙臺肩螺紋抗扭強度比常規(guī)接頭的抗扭強度高30%左右。因此在施工中，可以根據(jù)工藝需要，在接頭外徑不變時增大內(nèi)徑，減少壓力損失，節(jié)約泵功率;或者在內(nèi)徑一定時降低外徑或鉆桿規(guī)格，從而降低孔內(nèi)鉆柱重力以節(jié)省投資。這種接頭的不足是價格高于常規(guī)接頭，一般推薦在超深井或定向鉆進中使用。

圖4 雙臺肩連接示意圖

2.3 轉(zhuǎn)換接頭的選用

轉(zhuǎn)換接頭有同徑式(A型)和異徑式(B型)2種。作為鉆柱中的重要連接部分，轉(zhuǎn)換接頭的機械性能應(yīng)高于被連接件的機械性能，而且還應(yīng)注意以下幾個方面。

(1)轉(zhuǎn)換接頭連接的鉆具。當其直徑差大于15 mm時，在淺井中可以采用A型或B型接頭，當井深超過2000 m時，應(yīng)采用B型接頭。

(2)A型轉(zhuǎn)換接頭外徑應(yīng)與大尺寸連接件的標準外徑一致，B型接頭外徑應(yīng)分別與其連接件的外徑一致;轉(zhuǎn)換接頭內(nèi)徑應(yīng)與兩端連接部件中內(nèi)徑較小者一致。

(3)為了防止鉆柱疲勞破壞，鉆柱轉(zhuǎn)換區(qū)的過渡要力求平緩，建議轉(zhuǎn)換接頭大端螺紋與小端螺紋的抗彎強度比也要保證在1.9～3.20之間，不同規(guī)格的螺紋鉆具能否用轉(zhuǎn)換接頭連接在一起時，應(yīng)核算其彎曲強度比，如73 mm鉆桿與165.1 mm鉆鋌之間就不可使用NC31與NC46直接轉(zhuǎn)換，因為經(jīng)過計算可知，NC31螺紋ZB=87374，ZP=35802; NC46螺紋ZB=318027，ZP=120510;其彎曲強度比為318027/87374=3.64、120510/35802=3.36，超過了3.20的極限，須在中間另加較大規(guī)格的鉆桿。

2.4 方鉆桿的選用

由于方鉆桿受到的拉力和扭矩最大，因此應(yīng)盡量選用較大尺寸的方鉆桿。目前，常用的有108 mm ×108 mm和133 mm×133 mm兩種，建議2000 m以淺井選108 mm×108 mm方鉆桿，超過2000 m的鉆井選用133 mm×133 mm方鉆桿。為了受力合理和操作方便，一般應(yīng)使其下接頭外徑與其相連接的鉆桿接頭外徑相近。參見表1。

3 關(guān)于鉆具組合中的幾個問題

3.1 鉆柱切口問題

在石油鉆探中，鉆具的擰卸、提升使用的是“三吊一卡”，而地質(zhì)巖心鉆探和水文水井鉆探中早已習慣了墊叉+提引器擰提方式，即在鉆柱外圓上銑刨切口，這在淺井鉆探中是實用的，但孔深增大后，這種方式的弊病就逐漸顯現(xiàn)出來。

3.1.1 切口效應(yīng)問題

任何一種切口都會造成鉆具局部應(yīng)力集中，降低截面抗彎模量，削弱鉆具的抗彎強度。以159 mm鉆鋌為例，如在其表面銑削深度14.5 mm的切口，其截面抗彎模量由 378583 mm3降為 204352 mm3，降低了46%。

3.1.2 扭矩不足問題

石油鉆探中普遍使用液壓大鉗作為擰卸工具，其上緊螺紋時的扭矩是可控的，對于不同規(guī)格的螺紋，可以按照不同的上緊扭矩去上緊。而使用墊叉作擰卸工具時，其上緊扭矩無法設(shè)定和測量，操作時也具有隨機性，上緊扭矩或大或小。過大時造成螺紋過量變形而失效;過小時又會造成螺紋反復上扣或臺肩分離，也會造成螺紋失效或公螺紋折斷。因此，盡量不要在鉆柱上設(shè)計切口。

3.2 與鉆具組合相關(guān)的臨界鉆壓和轉(zhuǎn)速問題

鉆壓與轉(zhuǎn)速的確定，既要根據(jù)地層、地區(qū)特點，又要考慮所用鉆頭的特性，這里提出的臨界鉆壓與臨界轉(zhuǎn)速是根據(jù)鉆具自身特點提出的特殊問題。

3.2.1 臨界鉆壓

在鉆進時，是靠下放部分鉆柱重力給鉆頭加壓的，當鉆壓較小時，下部鉆柱保持直線穩(wěn)定狀態(tài)。當鉆壓增至第一次臨界鉆壓時，則下部鉆柱喪失穩(wěn)定而發(fā)生彎曲，鉆頭傾斜角度大，容易產(chǎn)生井斜，整個鉆具受力狀態(tài)會發(fā)生變化。當鉆壓繼續(xù)增大到第二次臨界鉆壓時，鉆柱因為兩個彎曲點的出現(xiàn)，鉆頭的傾角變小，有利于鉆直井，鉆柱的受力狀態(tài)得到改善，因此建議劃眼時的鉆壓要小于一次臨界鉆壓，而鉆進時的鉆壓要略大于二次臨界鉆壓，但不要超過鉆鋌重力的80%，常用單一鉆柱的臨界鉆壓見表2，不同鉆具組合的臨界鉆壓要分別計算。

表2 不同鉆具組合的臨界鉆壓

3.2.2 臨界轉(zhuǎn)速

所謂臨界轉(zhuǎn)速，是指鉆柱旋轉(zhuǎn)達到這個速度時，會使鉆柱發(fā)生振動，造成鉆桿彎曲，過度磨損、迅速損傷和疲勞破壞。臨界轉(zhuǎn)速隨鉆具的長度、鉆桿尺寸、鉆鋌尺寸和井眼大小而變化。表3為各種鉆桿在不同孔深時的臨界轉(zhuǎn)速，供施工時參考。當操作者發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤上的鉆桿振動異常時，應(yīng)考慮變換擋位，避開臨界轉(zhuǎn)速，或更換不同的鉆具組合。

4 結(jié)語

鉆具的選用和組合與穩(wěn)定器、減震器等井下鉆具的使用是密切相關(guān)的，在具體施工中應(yīng)該綜合考慮它們的作用和影響。在實踐中要具體問題具體分析。合理的鉆具選用和組合是確保優(yōu)質(zhì)快速鉆井的重要條件，它對有效控制井斜，保證井身質(zhì)量，使鉆頭工作穩(wěn)定，提高鉆速，減少鉆具事故，增加鉆具的可下深度及延長鉆具的使用壽命具有重要意義。

表3 不同規(guī)格鉆桿的臨界轉(zhuǎn)速

［1］謝南屏.鉆井工程［J］.北京:石油工業(yè)出版社，1997.

［2］李鶴林，馮耀榮.石油管材與裝備失效分析案例集［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2006.

［3］張培豐.深孔巖心鉆探問題探討［J］，探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(8).

［4］高德利，劉副江.“剛?cè)帷便@具組合與井斜控制分析研究［J］，探礦工程(巖土鉆掘工程)，2001，(12).

Principle of Drilling Tools Selection for Large Diameter Borehole and the Suggestions

WANG Zhen-zhi，LI Yan-li，LI Xiao-hui(Shijiazhuang Exploration Machinery Factory，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

The paper discussed the principle of drilling tools selection for deep hole to avoid downhole trouble;introduced the selection of drill collar，drill pipe，conversion joint and kelly;and put forward the reference suggestions to frequently encountered milling keyway in drill string，critical drilling pressure and rotating speed.

deep hole drill tool;drill pipe;drill collar;kelly;conversion joint

P634.4

A

1672－7428(2012)02－0014－05

2011－10－18

王振志(1963－)，男(漢族)，河北人，石家莊探礦機械廠廠長、正高級工程師，鉆探機械專業(yè)，碩士，從事鉆探設(shè)備研發(fā)工作，河北省石家莊市中山西路788號，hb_shitan@163.com。