頂驅(qū)主軸裂紋故障分析與建議

向 偉，汪陽凱

（中國石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司，重慶 400042）

頂驅(qū)主軸裂紋故障分析與建議

向 偉，汪陽凱

（中國石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司，重慶 400042）

近幾年，隨著鉆井頂驅(qū)使用越來越多，為進一步降低使用成本，國產(chǎn)頂驅(qū)開始占用很大比例，但國產(chǎn)頂驅(qū)出現(xiàn)主軸裂紋斷裂事故較多，因此，從主軸裂紋事故中分析原因，提出改進措施。

頂驅(qū)；主軸；裂紋；沖擊負(fù)載

為進一步提高鉆井工程的安全性、加快鉆井裝備的自動化、數(shù)字化，鉆井施工越來越多隊伍開始使用頂驅(qū)，從進口Varco、Canrig及Tesco頂驅(qū)到國產(chǎn)北石、黑龍江景宏頂驅(qū)。頂驅(qū)在自動化施工、鉆具扭矩控制及井下作業(yè)安全方面優(yōu)點極為突出。

1 頂驅(qū)主軸損壞情況

重慶鉆井分公司自2007年使用頂驅(qū)起到2016年11月止，發(fā)生頂驅(qū)主軸事故有5起，具體情況見下：

1）2012年4月新深201井北石頂驅(qū)主軸接頭刺漏。

2）2015年7月永頁1井景宏頂驅(qū)主軸探傷發(fā)現(xiàn)裂紋。

3）2016年2月昆侖101井景宏頂驅(qū)主軸發(fā)現(xiàn)刺漏并檢查出裂紋。

4）2016年4月順北1-5井景宏頂驅(qū)主軸接頭刺漏并檢查發(fā)現(xiàn)裂紋。

5）2016年10月馬井1井景宏頂驅(qū)主軸探傷發(fā)現(xiàn)裂紋。

以上主軸裂紋2-3項是同一臺頂驅(qū)，而且永頁1井、昆侖101井、順北1-5井發(fā)生故障頂驅(qū)為2014年出廠產(chǎn)品，施工不到3口井，統(tǒng)計頂驅(qū)使用載荷最大為300t。

經(jīng)咨詢了解，廣西鉆井分公司3臺北石頂驅(qū)探傷檢測出主軸接頭裂紋，更換過3根主軸。四川鉆井分公司景宏頂驅(qū)出現(xiàn)過1次主軸接頭刺漏故障。

以上數(shù)據(jù)表明，近幾年使用的頂驅(qū)主軸發(fā)生故障基本上是國產(chǎn)頂驅(qū)。

2 頂驅(qū)主軸故障現(xiàn)象

重慶鉆井分公司3起頂驅(qū)主軸事故在現(xiàn)場使用過程中，事故苗頭是主軸接頭漏漿，進而檢查出接頭裂紋，另2起主軸裂紋是通過接頭探傷發(fā)現(xiàn)。檢查資料如下：

缺陷位置Location 缺陷埋工件部位編號Work piece Position Number備注Remarks藏深度H Dep(mm)缺陷尺寸Length(mm)最高反射波波幅及區(qū)域Amplitude返修結(jié)果Repair result最終評級Final AppraisaX Y 1# 0 110 110 20 不合格2# 0 80 70 2.4 不合格

檢驗部位及缺陷位置詳見檢測部位示意圖：Asforinspection and defect positions，please see schematic diagram of detection position.

3 故障原因分析

頂驅(qū)主軸接頭螺紋在鉆具的最頂端，拉伸負(fù)載最大，沖擊載荷，交變頻繁受力，導(dǎo)致頂驅(qū)主軸接頭最為關(guān)鍵。以上幾列主軸接頭裂紋均為頂驅(qū)負(fù)荷最大最薄弱的環(huán)節(jié)——主軸接頭螺紋。裂紋多為主軸公扣徑向螺紋裂紋，集中在螺紋齒底應(yīng)力集中部位。所以頂驅(qū)主軸失效主要原因是近幾年鉆井施工負(fù)載加大導(dǎo)致頂驅(qū)主軸承載能力（安全裕量）不足。分析影響頂驅(qū)主軸壽命的因素如下：

3.1 現(xiàn)場使用方面的因素對頂驅(qū)主軸的影響

超深井施工負(fù)荷大，鉆具結(jié)構(gòu)變化。近幾年，很多井隊逐步使用139.7mm的鉆具代替原來的127.0mm的鉆具，導(dǎo)致頂驅(qū)負(fù)載變大；井深結(jié)構(gòu)也由原來的四開、五開制井深結(jié)構(gòu)變?yōu)槎_、三開制井深結(jié)構(gòu)導(dǎo)致頂驅(qū)負(fù)載加大。

沖擊負(fù)載對頂驅(qū)主軸影響大，最近幾年頂驅(qū)從開鉆就開始使用，表層鉆井施工的沖擊負(fù)荷對頂驅(qū)主軸接頭及軸承壽命影響大。

主軸頻繁進行IBOP的拆卸更換影響接頭壽命。

上扣扭矩?zé)o法準(zhǔn)確把握。主軸接頭采用631扣型，外徑為197mm接頭，該處上扣扭矩要求為：最小為72kN·m，而實際上扣扭矩為40kN·m；頂驅(qū)最大瞬時扭矩也不能滿足上卸扣需求，再加上主軸的拉伸、彎曲應(yīng)力導(dǎo)致主軸接頭失效。

3.2 頂驅(qū)主軸本身原因

雖然從API加工工藝及材質(zhì)等報告分析主軸無質(zhì)量問題，但通過諸多國產(chǎn)頂驅(qū)主軸裂紋事故統(tǒng)計可以看出，國產(chǎn)500T頂驅(qū)主軸遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足300t鉆具動載荷的需求。大慶景宏及北石頂驅(qū)負(fù)載安全裕量不足，還得依靠生產(chǎn)制造廠進一步提高材料及加工工藝促進頂驅(qū)負(fù)載能力。

4 預(yù)防及改進措施

4.1 現(xiàn)場使用預(yù)防方面

加強完井或中完期間的探傷檢測，尤其是井內(nèi)負(fù)載大，處理過復(fù)雜情況的頂驅(qū)，更應(yīng)該提前進行接頭探傷檢查。鉆柱絲扣防松機構(gòu)尤其要注意檢查預(yù)緊，使用扭矩扳手對絲扣防松裝置進行預(yù)緊，檢查間隙是否合適，及時更換鉗牙，確保鎖緊裝置有效。加強頂驅(qū)IBOP拆卸上扣扭矩管理監(jiān)測。

4.2 生產(chǎn)制造改進才能促進頂驅(qū)主軸本質(zhì)安全

改進接頭螺紋扣型，頂驅(qū)主軸目前主要使用6 5/8 REG扣型，該型螺紋主要為平牙底結(jié)構(gòu)，存在應(yīng)力集中；現(xiàn)在API推薦優(yōu)先采用數(shù)字型螺紋（NC扣型），該類型螺紋特點是圓形牙底，應(yīng)力集中小，可以增強接頭螺紋使用壽命；建議對該部位接頭螺紋進行改進。同時建議對公扣做LET螺紋處理（LET螺紋只需要對外螺紋后三扣將牙高切除1至2mm。為應(yīng)力提供了釋放空間，同時切除部分牙高后，不影響螺紋使用強度），該工藝在西北油田應(yīng)用效果較為突出，LET螺紋接頭疲勞極限較API標(biāo)準(zhǔn)接頭極限提高1.13倍，彎曲應(yīng)力提高3倍。

Analysis and Suggestion on Crack Failure of Top Drive Spindle

Xiang Wei，Wang Yang-kai

In recent years，with the use of drilling top drive more and more，in order to further reduce the use of cost，domestic top drive began to take up a large proportion，but the domestic top drive in recent years there are more spindle crack fracture accident，The cause of the accident analysis，put forward improvement measures.

top drive；spindle；crack；impact load

TE922

A

1003-6490（2017）12-0097-01

2017-10-08

向偉（1970—），男，四川雙流人，高級技師，主要從事石油鉆井相關(guān)工作。