螺桿鉆在華3X井鉆塞中的應(yīng)用與研究

肖仁江+陳凡

摘要： 螺桿鉆是一種理想的井下工具，在油田修井作業(yè)中主要用來鉆可鉆橋塞、水泥塞及大修、側(cè)鉆的。螺桿鉆在鉆塞中有它的優(yōu)點(diǎn)，也有它的缺點(diǎn)，施工過程中稍微不注意，就會(huì)鉆塞失敗，造成鉆塞無(wú)進(jìn)尺，甚至造成井下復(fù)雜。只要能夠認(rèn)真總結(jié)分析鉆塞作業(yè)失敗的原因，找出螺桿鉆在鉆塞作業(yè)過程中的關(guān)鍵所在，就能夠找到改進(jìn)的方法，避免工程事故的發(fā)生，減少作業(yè)時(shí)間，較好的節(jié)約作業(yè)成本，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

Abstract： Screw drilling is a kind of ideal downhole tool， mainly used to drill drillable bridge plug， cement plug and heavy repair， sidetrack drilling in oil field workover. Screw drilling has its advantages， it also has disadvantages in the process of construction， a little attention will cause failure， cause the drill plug has not footage， and even cause underground complex. As long as we can conscientiously sum up analysis of drilling operation failure， find out the screw drilling operation process of the key， we will find the best method to avoid engineering accident， to reduce the operation time， save the operation cost， obtain considerable economic value.

關(guān)鍵詞： 螺桿鉆；鉆塞作業(yè)；成本；分析

Key words： screw drilling；drilling plug operations；costs；analysis

中圖分類號(hào)：TE358 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）11-0037-02

1 螺桿鉆的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本原理

螺桿鉆作為油田修井施工中最常用的鉆具之一，主要包括旁通閥、馬達(dá)總成、萬(wàn)向軸總成以及傳動(dòng)軸總成等幾個(gè)部件。

旁通閥主要包括閥體、閥芯、閥套彈簧以及密封圈，主要是在起下鉆（停泵）時(shí)由旁通口提供鉆柱內(nèi)外作業(yè)液的通道。馬達(dá)包括轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子在常規(guī)的螺桿鉆中是不動(dòng)的，而轉(zhuǎn)子和定子腔共同組成了許多不間斷的互不相通的密封腔。當(dāng)作業(yè)液的馬達(dá)內(nèi)液能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的時(shí)候，就能促使轉(zhuǎn)子在定子腔內(nèi)做行星運(yùn)動(dòng)。

萬(wàn)向軸總成由萬(wàn)向軸殼體及萬(wàn)向軸構(gòu)成，主要是使馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩及轉(zhuǎn)速傳遞到軸承總成的主軸和鉆頭上面。使轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成傳動(dòng)軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由線切割加工制成的萬(wàn)向軸，不但使得驅(qū)動(dòng)更加圓滑，并且由于恒速減小了摩擦而使得振動(dòng)也減小。由于這一組成形成有效的完成了能力傳遞、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和能量這三個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此，傳動(dòng)軸是螺桿鉆最重要的部件之一。

外殼體上部和萬(wàn)向軸殼體連接，傳動(dòng)軸導(dǎo)流下水帽和萬(wàn)向軸連接，下部連接鉆頭。多列推力球軸承負(fù)擔(dān)鉆壓產(chǎn)生的軸向載荷，傳動(dòng)軸的上、下兩個(gè)部位的合金負(fù)擔(dān)鉆具偏斜力矩產(chǎn)生的徑向載荷。由大多數(shù)作業(yè)液馬達(dá)排出后流過傳動(dòng)軸內(nèi)孔經(jīng)鉆頭水眼噴出，同時(shí)產(chǎn)生冷卻清洗鉆頭的效果。而少量作業(yè)液則通過上下徑向軸承及多列推力向心軸承組經(jīng)傳動(dòng)軸外側(cè)流出，冷卻并潤(rùn)滑軸承系統(tǒng)。

2 螺桿鉆的特殊性能

螺桿馬達(dá)決定了螺桿鉆的性能。首先，由于轉(zhuǎn)矩和馬達(dá)進(jìn)出口間的壓差成正比，螺桿鉆的輸出扭矩和消耗的作業(yè)液壓降大致成正比，因此，可以通過鉆臺(tái)上立管壓力表的數(shù)據(jù)推斷井下螺桿鉆的扭矩情況，作業(yè)液壓降隨著鉆壓的增大而變大，增加扭矩的同時(shí)也增加了井底切削力矩；如果井口立管的壓力表突然增加則表示井下切削力矩也突然增加，此時(shí)為了避免超載，應(yīng)當(dāng)適時(shí)減小鉆壓至減小切削力矩。

但是理論轉(zhuǎn)速和通過的流量卻與鉆壓沒有關(guān)系。由于在作業(yè)過程中，流進(jìn)螺桿鉆里面的作業(yè)液排量是不變的，因此，螺桿鉆的轉(zhuǎn)速與流量相關(guān)，但是受到鉆壓的影響卻不大。因此，螺桿鉆的轉(zhuǎn)速不會(huì)因?yàn)榧哟筱@壓而使得鉆頭轉(zhuǎn)速明顯減小，從而說明螺桿鉆具有優(yōu)秀的過載性能和硬性機(jī)械特征。

3 螺桿鉆現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中遇到的問題

螺桿鉆雖具有很優(yōu)秀的過載性能和硬性機(jī)械特性，在實(shí)際作業(yè)中也經(jīng)常出現(xiàn)問題，造成鉆塞失敗，不但浪費(fèi)人力物力，更有可能使螺桿鉆報(bào)廢或造成油水井大修，嚴(yán)重的情況則會(huì)因無(wú)法打撈出落井的螺桿鉆而使油井報(bào)廢?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中螺桿鉆主要遇到的問題有：①鉆塞無(wú)進(jìn)尺；②泵壓過高，出口無(wú)返出；③殼體折斷；④殼體脫落；⑤傳動(dòng)軸折斷；⑥鉆塞過程卡鉆。

4 鉆塞失敗的原因及改進(jìn)方法研究

①當(dāng)鉆塞的泵壓和鉆壓沒有異常，而沒有進(jìn)尺的時(shí)候，導(dǎo)致這種情況有多方面原因。如果這種情況發(fā)生在剛開始作業(yè)時(shí)，則可能存在螺桿鉆質(zhì)量問題；如果出現(xiàn)在鉆塞過程中，則可能由于螺桿鉆本質(zhì)質(zhì)量問題使得時(shí)間過長(zhǎng)致使磨損；如果鉆塞過程中泵壓正常，稍微增加鉆壓就發(fā)生蹩跳和無(wú)進(jìn)尺，則在橋塞和水泥塞等上班存在硬度較大的落物，也可能損壞套管造成的；再如在鉆塞過程中出現(xiàn)鉆壓正常、泵壓增大的情況，可能是鉆頭磨損比較嚴(yán)重造成。

②井筒液不干凈，含有較多大顆粒雜質(zhì)，作業(yè)液循環(huán)后被污染，若管柱未按要求接單流閥，流入油管內(nèi)的雜質(zhì)就會(huì)下沉，最終流入螺桿鉆內(nèi)，使得螺桿鉆堵塞。因此在鉆磨作業(yè)前應(yīng)清潔井筒，對(duì)作業(yè)液的循環(huán)罐徹底清潔，及時(shí)去除鉆磨循環(huán)出的碎屑，嚴(yán)格控制作業(yè)液的機(jī)械雜質(zhì)含量小于0.5%并按要求安裝過濾器；選擇攜砂性能更好的修井液。endprint

③有以下幾方面原因可導(dǎo)致殼體折斷：第一，誤操作以及鉆壓過大；第二，由于鉆具連接螺紋磨損老化而降低了抗扭矩的強(qiáng)度；第三，由于沒有檢測(cè)出來螺紋自身的傷，從而在使用過程中折斷了旁通閥接頭或殼體螺紋，造成鉆具落井?？偨Y(jié)得出，高鉆壓操作會(huì)使鉆頭合金快速磨損，讓磨銑產(chǎn)生較大鐵屑或碎皮，以至磨銑工況惡劣，使得磨鞋中心穿孔及鏡面現(xiàn)象的出現(xiàn)。經(jīng)作業(yè)實(shí)踐得出鉆壓控制在30KN-35KN時(shí)鉆磨速度最快。

④殼體脫落的原因主要有以下幾方面：螺桿鉆為液體驅(qū)動(dòng)式液壓馬達(dá)，高壓液體向轉(zhuǎn)子施加正向扭矩，同時(shí)轉(zhuǎn)子向定子殼體施加等值的一個(gè)反向扭矩。在鉆具頻繁滯動(dòng)和復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，這種反扭矩更大，特別是在傳動(dòng)軸串軸承憋卡及完全卡死時(shí)，脫扣風(fēng)險(xiǎn)更大。舊殼體重復(fù)使用時(shí)，螺紋牙型磨損厲害。若沒按規(guī)定扭矩緊扣，過大會(huì)脹扣，過小會(huì)松扣。

⑤在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中，傳動(dòng)軸是容易發(fā)生事故的部位，經(jīng)常從傳動(dòng)軸上部和水帽連接螺紋退刀槽處折斷，或者從下徑向軸承內(nèi)圈上面變徑過渡處折斷。以下因素都可能引發(fā)傳動(dòng)軸的折斷：第一，由于操作不當(dāng)導(dǎo)致鉆壓和鉆進(jìn)速度不均勻，從而超出傳動(dòng)軸受本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制以及交變應(yīng)力而折斷；第二，由于傳動(dòng)軸選材不當(dāng)以及不合理的熱處理造成本身強(qiáng)度較低而折斷；第三，傳動(dòng)軸長(zhǎng)時(shí)間由于交變荷載作用出現(xiàn)疲勞裂紋而折斷。

⑥在鉆塞過程中，如果出現(xiàn)卡鉆致使鉆塞失敗的原因主要是人為因素。如果鉆塞作業(yè)過程中由于換單根速度和鉆進(jìn)速度太快，從而導(dǎo)致鉆屑不能及時(shí)返出井筒；在塞鉆透前，洗井不充分，鉆透后作業(yè)液面突然下降而卡鉆；套管出現(xiàn)異常后由于沒有及時(shí)采取措施而造成卡鉆。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

華港油田華3X井磨水泥塞161.54米，一次完成，并且施工結(jié)束后螺桿鉆運(yùn)轉(zhuǎn)正常；現(xiàn)場(chǎng)使用“三牙輪鉆頭+螺桿鉆+加壓油管+伸縮節(jié)”的底部鉆具結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用兩臺(tái)水泥車施工，保證排量達(dá)到40m3/h以上；每磨銑一根結(jié)束接單根前進(jìn)行充分的循環(huán)洗井。Z18井及B1-2井分別在130米及98.5米鉆塞作業(yè)中成功使用了螺桿鉆，而且有的井還多次重復(fù)使用同一只螺桿鉆。由此說明，只要現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真按照螺桿鉆操作規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行，采用合理的鉆壓，排量以及使用攜砂性較好的修井液就能很好的預(yù)防螺桿鉆鉆塞作業(yè)的失敗，提高磨銑速度，能夠較好地節(jié)約成本，避免工程事故的發(fā)生，減少作業(yè)周期，獲得經(jīng)濟(jì)效益。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)并且總結(jié)作業(yè)成敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，就能夠?qū)β輻U鉆在修井作業(yè)中的技術(shù)要求和維修要點(diǎn)進(jìn)行充分的掌握，因此，在鉆塞作業(yè)過程中，能夠有效增加螺桿鉆的成功率，這對(duì)降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)成本以及增加單井作業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳旭東.提高螺桿鉆鉆塞效率的方法及應(yīng)用[J].內(nèi)江科技，2007（11）.

[2]周全興.鉆采工具手冊(cè)[M].科技出版社，654-656.

[3]孫祖嶺.井下作業(yè)[M].石油工業(yè)出版社，2004.endprint