特殊螺紋在牛東潛山超深井鉆井中的應(yīng)用

崔　露，徐明磊，王東明，李嗣洋，楊　愷，付　瀟

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，河北任丘062552；2.華北油田公司勘探部，河北任丘062552；3.中國(guó)石油物資公司，北京100029）

特殊螺紋在牛東潛山超深井鉆井中的應(yīng)用

崔露*1，徐明磊1，王東明2，李嗣洋3，楊愷1，付瀟1

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，河北任丘062552；2.華北油田公司勘探部，河北任丘062552；3.中國(guó)石油物資公司，北京100029）

牛東潛山是華北油田在渤海彎盆地深層潛山勘探又一成功探索。牛東1井測(cè)試試油取得了日產(chǎn)油642.91m3、日產(chǎn)天然氣56.26×104m3的重大突破。地溫高、機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)及井下復(fù)雜事故多等因素嚴(yán)重制約了牛東潛山勘探進(jìn)程。同時(shí)，井下復(fù)雜事故多是牛東潛山勘探一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，因此，超深探井對(duì)入井鉆具要求極高。通過(guò)牛東1鉆探表明：在鉆井過(guò)程中鉆具通常承受拉、壓、彎、扭、液力等載荷,螺紋連接部位在交變彎曲下易產(chǎn)生應(yīng)力集中，給安全鉆井帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)。華北油田分公司在牛東地區(qū)深層鉆井過(guò)程中，2口井發(fā)生鉆具事故5起，通過(guò)對(duì)失效原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，采用新型螺紋降低了鉆具失效的風(fēng)險(xiǎn)。

牛東潛山；井下復(fù)雜；鉆具；特殊螺紋

牛東潛山區(qū)塊是中國(guó)東部地區(qū)發(fā)現(xiàn)的最深油氣藏。牛東潛山圈閉構(gòu)造位于渤海灣盆地霸縣凹陷西部，其西以牛東斷層為界，與牛駝鎮(zhèn)凸起相毗鄰，東接霸縣洼西槽，構(gòu)造面積530km2。該區(qū)塊鉆遇地層從上至下依次是為平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組、沙河街組及霧迷山組等地層。2010年股份公司在牛東潛山部署了牛東1井，測(cè)試試油取得了日產(chǎn)油642.91m3、日產(chǎn)天然氣56.26×104m3的重大突破，打開了冀中坳陷深潛山勘探的新局面。通過(guò)牛東1井實(shí)際鉆探情況證實(shí)：地溫高、機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)及井下復(fù)雜事故多等因素嚴(yán)重制約了牛東潛山勘探進(jìn)程。為了加快牛東潛山預(yù)探評(píng)價(jià)一體化工程進(jìn)展，牛東潛山地區(qū)深探井、超深探井?dāng)?shù)量越來(lái)越多。然而，鉆井工程是油氣勘探開發(fā)過(guò)程中的一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)集團(tuán)公司8個(gè)月完成一口井的指示，牛東潛山日后部署的3口井在井深更深的情況下，優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)，增加技套下深，給鉆井施工特別是鉆具帶來(lái)了極大風(fēng)險(xiǎn)。

1　事故分析

自2010年實(shí)施鉆具管理以來(lái)，由于超深井鉆具長(zhǎng)期使用，高溫疲勞不斷累積，3口井共發(fā)生鉆具事故5起，其中鉆鋌螺紋斷裂發(fā)生4起，鉆桿斷裂1起，以小鉆鋌（4-3/4″）斷裂事故為主。

針對(duì)鉆具失效進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：鉆具失效主要集中在鉆桿和鉆鋌，且鉆桿和鉆鋌事故主要是由于螺紋斷裂造成的失效造成的。

鉆具螺紋斷裂與螺紋本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，螺紋連接中的所有嚙合螺紋的等效應(yīng)力不是平均分布的，而是呈浴盆曲線，在螺紋連接兩端的最后1～2牙螺紋嚙合處所受的等效應(yīng)力最大［1］，如圖1所示。因此，螺紋連接部位是大剛度鉆具的薄弱部位，也是鉆具失效的多發(fā)點(diǎn)［2］。雖然接頭螺紋應(yīng)力槽提高螺紋連接部位的承載能力，減少螺紋接頭的疲勞失效，提高螺紋連接的疲勞壽命，但是應(yīng)力槽在修扣時(shí)切修量較大，造成鉆具長(zhǎng)度減小速度快，造成資源的大量浪費(fèi)。

2　特殊螺紋的原理和優(yōu)點(diǎn)

針對(duì)鉆具大量老化，鉆具事故高發(fā)的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)大量分析認(rèn)為，通過(guò)改變螺紋形式能夠有效降低螺紋疲勞速度，決定引進(jìn)特殊螺紋，鉆鋌統(tǒng)一采用LET螺紋，4-3/4″鉆鋌改為L(zhǎng)ET或雙臺(tái)肩螺紋。

2.1LET螺紋的原理和特點(diǎn)

（1）LET螺紋的原理。鉆鋌公扣大端最后的嚙合螺紋根部的疲勞裂紋是疲勞失效的最常見的方式之一，這種失效主要是該處螺紋齒根應(yīng)力集中所引起，以往的一些研究和實(shí)踐表明，大約30%的鉆鋌公扣載荷由大端最后嚙合承受，這也是該處容易發(fā)生疲勞斷裂的原因。LET螺紋技術(shù)就是通過(guò)降低公扣末端嚙合齒高度以改善螺紋受力情況，降低公扣末端應(yīng)力集中，以延長(zhǎng)鉆鋌螺紋疲勞壽命。

圖1　螺紋連接部位的應(yīng)力分布圖

圖2　LET螺紋與普通API螺紋對(duì)比

（2）LET螺紋的特點(diǎn)：

①普通API鉆具螺紋嚙合后螺紋牙處應(yīng)力因無(wú)釋放空間得不到有效釋放，而LET螺紋在后3扣將牙高切除1～2mm，為應(yīng)力釋放提供了空間，同時(shí)切除部分牙高后，又不影響螺紋使用強(qiáng)度。

②修扣時(shí)只需切頭16～24mm左右，與通常修扣的切頭一致，不會(huì)縮短鉆鋌使用壽命。

③由于LET螺紋結(jié)構(gòu)上的特殊性，其疲勞極限比API標(biāo)準(zhǔn)接頭的疲勞極限高約1倍；在彎曲應(yīng)力2.7kN·m作用下，疲勞壽命比API標(biāo)準(zhǔn)接頭高了近3倍。

④LET螺紋只需對(duì)外螺紋進(jìn)行加工，內(nèi)螺紋無(wú)需做任何改動(dòng)，不影響其與普通螺紋的互換。

2.2雙臺(tái)肩螺紋的原理和特點(diǎn)

（1）雙臺(tái)肩螺紋的原理。普通API接頭抗扭強(qiáng)度由外臺(tái)肩的接觸面積、直徑和公接頭螺紋的中徑處的厚度來(lái)決定，這些受接頭外徑和公接頭水眼尺寸的限制。雙臺(tái)肩接頭存在2個(gè)臺(tái)肩：一個(gè)是外臺(tái)肩，另一個(gè)是內(nèi)臺(tái)肩。內(nèi)臺(tái)肩起到增加抗扭強(qiáng)度的作用，使鉆桿接頭水眼適當(dāng)增大后，還能確保接頭的抗扭強(qiáng)高于管體的抗扭強(qiáng)度。在雙臺(tái)肩接頭旋合后，外臺(tái)肩頂上，內(nèi)臺(tái)肩留有很小的間隙，以確保外臺(tái)肩能起到密封作用，當(dāng)上扣達(dá)到一定扭矩后內(nèi)臺(tái)肩頂上，當(dāng)達(dá)到上扭矩后，內(nèi)臺(tái)肩的抗扭強(qiáng)度起作用。

圖3　雙臺(tái)肩螺紋與普通API螺紋對(duì)比

（2）雙臺(tái)肩螺紋的特點(diǎn)：

①增加了螺紋抗扭強(qiáng)度，尤其對(duì)6-1/2″以下小鉆鋌，極大降低了螺紋失效的幾率；

②通徑設(shè)計(jì)降低流動(dòng)阻力，提高水里性能；

③可以和普通API螺紋連接，不影響使用性能；

④切修量與普通API螺紋一致，不會(huì)縮短鉆鋌使用壽命。

3　特殊螺紋實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)效益

鉆具實(shí)施專項(xiàng)管理以來(lái)，鉆具檢測(cè)質(zhì)量明顯提高，鉆具檢測(cè)有傷率提高到近10個(gè)百分點(diǎn)，自實(shí)施特殊螺紋以來(lái)，鉆具回收檢驗(yàn)有傷率明顯下降，API螺紋前期有傷率明顯下降，說(shuō)明螺紋疲勞周期延長(zhǎng)，完井結(jié)束后鉆具螺紋仍沒(méi)有達(dá)到疲勞極限，降低了鉆具斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)2012年全年4月統(tǒng)計(jì)。自實(shí)施特殊螺紋以來(lái)牛東2井小鉆鋌事故為0，極大降低了鉆具螺紋斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4　結(jié)論

（1）LET螺紋能夠有效的釋放后3扣的應(yīng)力，降低螺紋的疲勞速度，提高鉆具螺紋的使用可靠性；

（2）雙臺(tái)肩螺紋可以改善螺紋載荷的分布，并減少局部的應(yīng)力集中［3］。

［1］楊龍.復(fù)雜深井鉆柱安全性研究［C］//第六屆全國(guó)石油鉆井院所長(zhǎng)會(huì)議論文集.

［2］王新虎，馮耀榮，等.鉆具螺紋接頭牙載荷計(jì)算方法的探討［J］.石油機(jī)械，1998，26（8）：49-53.

［3］王文云，等.鉆鋌螺紋失效分析及解決措施［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（12）：45-48.

TE931

B

1004-5716（2016）08-0092-03

2015-08-21

2015-08-27

崔露（1984-），男（漢族），湖北天門人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工藝方面的研究及現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工作。