螺桿鉆具斷落事故處理與預(yù)防探討

王檢軍

（中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司， 四川 成都 610051）

1 螺桿鉆具的構(gòu)成

螺桿鉆具是以鉆井液為主要?jiǎng)恿σ旱木聞?dòng)力鉆具，鉆井液由泥漿泵泵出后經(jīng)由鉆柱進(jìn)入鉆具馬達(dá)，馬達(dá)端頭形成的壓力差推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)萬(wàn)向軸及傳動(dòng)軸將扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞給鉆頭，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。螺桿鉆具構(gòu)成情況如圖1所示，其中旁通閥總成、馬達(dá)總成、萬(wàn)向軸總成、傳動(dòng)軸總成分別發(fā)揮鉆井液流向控制、輸出動(dòng)力、改變方向、荷載傳遞等功能。旁通閥位于螺桿鉆具最頂部，包括閥體、閥芯、閥套、彈簧、閥口、密封件及擋圈等部件，旁通閥是螺桿鉆具的對(duì)外接口，控制鉆井液流向。萬(wàn)向軸總成是螺桿鉆具造斜導(dǎo)向的關(guān)鍵部件，傳動(dòng)軸總成是主要的承載部件。

圖1 螺桿鉆具的構(gòu)成

2 螺桿鉆具斷落事故原因

2.1 螺桿鉆具外筒殼體脫扣

螺桿鉆具外筒殼體由定子殼體、萬(wàn)向節(jié)殼體、傳動(dòng)軸殼體通過(guò)螺紋連接而成，在定向鉆進(jìn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤不動(dòng)，螺桿鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)，在鉆井液內(nèi)驅(qū)動(dòng)式液壓馬達(dá)作用下轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出扭矩并對(duì)定子產(chǎn)生逆時(shí)針扭矩，具有擰緊作用。但定子外殼、鉆鋌及穩(wěn)定器等鉆具部位在與井壁接觸的過(guò)程中所產(chǎn)生的順時(shí)針摩擦力容易引發(fā)萬(wàn)向節(jié)殼體和傳動(dòng)軸殼體連接處發(fā)生脫扣，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子、萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)軸落井。螺桿鉆具在150～180r/min的轉(zhuǎn)速下比轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速大，所發(fā)生的反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及所承受的交變彎曲應(yīng)力頻率也更大[1]。但井下鉆具滑動(dòng)式滾動(dòng)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)跳離和擊打井壁等現(xiàn)象，加劇螺扣的松動(dòng)和螺桿鉆具殼體的脫扣。

復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具外殼和井壁的摩擦能起到緊扣作用，但因可能的反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及跳離和擊打井壁，會(huì)加劇脫扣斷扣。螺桿鉆具高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生砂卡、軸承損壞等，瞬間卡死產(chǎn)生的瞬時(shí)震蕩力也會(huì)加劇螺桿鉆具松扣脫扣。

2.2 螺桿鉆具外筒殼體斷扣

螺桿鉆具外筒殼體斷扣的原因有材料缺陷、加工工藝不當(dāng)、應(yīng)力集中、鉆井參數(shù)選取不當(dāng)、操作不平穩(wěn)等。通常情況下，鉆鋌連接的平衡度通過(guò)鉆鋌接頭彎曲強(qiáng)度比進(jìn)行評(píng)價(jià)，《鉆具構(gòu)件檢驗(yàn)推薦操作規(guī)程》推薦的平衡連接彎曲強(qiáng)度比應(yīng)為2.5:1.0，但實(shí)際中鉆鋌內(nèi)彎曲強(qiáng)度比通?？刂圃?.2:1.0～2.0:1.0，螺桿鉆具螺紋接頭大部分為不平衡連接，降低了旁通閥殼體與馬達(dá)殼體連接處螺紋的抗疲勞性能，尤其是管柱內(nèi)受到?jīng)_蝕及管柱外徑磨損后，不平衡性加劇，引發(fā)螺桿鉆具斷扣事故。

2.3 傳動(dòng)軸折斷

作為螺桿鉆具的重要組成部分，傳動(dòng)軸主要將來(lái)自萬(wàn)向軸的扭矩、功率向鉆探傳遞，并承受著轉(zhuǎn)子、萬(wàn)向軸重力及轉(zhuǎn)子下推力。根據(jù)傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），其頂部和下部所存在薄弱面在交變荷載影響下極容易斷裂。此外，傳動(dòng)軸推力軸承組還要承擔(dān)鉆頭跳鉆引發(fā)的沖擊力，容易引發(fā)軸承組損壞，鋼球及軸承盤變形破裂，滑道崩塌。在鉆井過(guò)程中，由于螺桿材質(zhì)、操作水平、井下工作環(huán)境等原因引發(fā)的螺桿鉆具斷落事故不勝枚舉。例如國(guó)內(nèi)某油田定向井鉆進(jìn)使用1.25°馬達(dá)，鉆進(jìn)時(shí)間69h后傳動(dòng)軸扭斷，PDC鉆頭、傳動(dòng)軸及馬達(dá)接頭落井，通過(guò)分析事故發(fā)生原因得知，螺桿鉆具材質(zhì)缺陷，井斜角因造斜井段井眼曲率變化過(guò)大增至59°，過(guò)大的鉆壓增加了螺桿鉆具制動(dòng)扭矩，從而引發(fā)傳動(dòng)軸疲勞損壞[2]。

圖2 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)

2.4 轉(zhuǎn)子斷裂抽芯

鉆桿內(nèi)部的鉆井液扭矩和功率經(jīng)由馬達(dá)輸出，并將巖屑攜帶出地面，通過(guò)固相控制設(shè)備進(jìn)行鉆井液處理后再次注入鉆桿，此時(shí)的鉆井液肯定含有一定數(shù)量的固相物質(zhì)，在其下鉆至停鉆時(shí)打開(kāi)旁通閥，固相物質(zhì)進(jìn)入鉆具內(nèi)部便會(huì)沖蝕、腐蝕定子、轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸、萬(wàn)向軸等，鉆井液中所包括的氯離子進(jìn)一步腐蝕鉆具內(nèi)件，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，在扭矩和交變應(yīng)力的共同影響下，最終導(dǎo)致鉆具斷裂抽芯落井。

為降低深井鉆進(jìn)過(guò)程中的摩阻，通常將橡膠定子浸泡于油基鉆井液，這必然加劇定子老化與膨脹，在井底高溫的不利影響及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)作用下，橡膠定子發(fā)生破裂和剝落，阻塞流道，卡死鉆具，所產(chǎn)生的瞬時(shí)力往往導(dǎo)致螺桿鉆具上提抽芯。

2.5 萬(wàn)向軸斷裂

螺桿鉆具中的萬(wàn)向軸主要發(fā)揮將轉(zhuǎn)子行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為定軸轉(zhuǎn)向，并承擔(dān)扭矩及轉(zhuǎn)子下推力的作用。活瓣式萬(wàn)向軸由活瓣、內(nèi)外球座及連接桿構(gòu)成，見(jiàn)圖3。萬(wàn)向軸的活瓣瓣齒因承受主要的交變應(yīng)力及擠壓應(yīng)力，很容易折斷。在交變應(yīng)力及沖蝕磨蝕等綜合作用下，撓性萬(wàn)向軸發(fā)生斷裂損壞。

3 螺桿鉆具斷落事故處理

螺桿鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)成部件多，為進(jìn)行螺桿鉆具斷落事故有效處理，應(yīng)當(dāng)從上述鉆具斷落事故原因出發(fā)，加強(qiáng)打撈工具及方法的選擇。

3.1 螺桿鉆具外筒殼體脫扣處理

螺桿鉆具外筒殼體脫扣后，落魚細(xì)長(zhǎng)，由于萬(wàn)向軸活瓣以上均為柔性結(jié)構(gòu)，落魚躺下井壁，所以，進(jìn)魚頭是外筒殼體脫扣處理的關(guān)鍵。在下段螺紋和殼體螺紋一致且打撈長(zhǎng)度超出起出殼體總長(zhǎng)度的撈筒外焊引鞋，將撈筒上部和鉆桿連接并下入井口對(duì)扣，以減小進(jìn)魚和出魚困難。對(duì)扣過(guò)程中傳動(dòng)軸殼體可能轉(zhuǎn)動(dòng)，為保證對(duì)扣牢固，應(yīng)通過(guò)加鉆壓擰扣，落魚撈獲后泵壓顯著上升[3]。再下入打撈筒打撈轉(zhuǎn)子端部，撈獲后泵壓無(wú)顯著變化。

3.2 采用最佳緊扣扭矩

螺桿鉆具鉆鋌緊扣扭矩不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小，應(yīng)根據(jù)鉆井參數(shù)及鉆具尺寸確定最佳緊扣扭矩值，若扭矩偏小，則無(wú)法產(chǎn)生足夠的接頭臺(tái)肩彈性壓縮以防止臺(tái)肩面分離；若扭矩過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生超接頭屈服強(qiáng)度，進(jìn)而引發(fā)公接頭伸長(zhǎng)和母接頭膨脹變形。螺桿鉆具鉆頭推薦緊扣扭矩見(jiàn)表1。如果井底預(yù)估扭矩較高，應(yīng)采取參考值上限或在參考值上限上增加10%。

表1 鉆頭緊扣扭矩參考表

3.3 使用加重鉆桿

對(duì)于彎曲井眼、鉆桿工作量巨大井眼段，通過(guò)使用加重鉆桿降低鉆具應(yīng)力，防止鉆具斷落事故發(fā)生。具體而言，對(duì)于彎曲井眼段采用剛度較大、耐磨性強(qiáng)的加重鉆桿能有效減少鉆柱磨損及由此引發(fā)的疲勞破壞，在鉆鋌與鉆桿過(guò)渡段采用加重鉆桿，也可以緩解斷面剛度變化，減少應(yīng)力集中，防止疲勞破壞與鉆具斷落。

在螺桿鉆具使用一定時(shí)間后，即便未出現(xiàn)損傷也應(yīng)進(jìn)行定期探傷，并根據(jù)鉆具類型及性能確定探傷周期，正常使用情況下，新舊鉆桿探傷周期分別為純鉆時(shí)間4500h和2200h，加重鉆桿為純鉆時(shí)間1200h，鉆鋌為600h，方鉆桿為2200h。

3.4 使用減震器等減震功能井下工具

對(duì)于硬地層及軟硬交錯(cuò)地層通常出現(xiàn)跳鉆及無(wú)法加壓鉆進(jìn)等現(xiàn)象，跳鉆所產(chǎn)生的軸向、徑向沖擊荷載對(duì)鉆頭有巨大危害，若使用減震器以及懸浮器、液力推進(jìn)器等具有減震功能的井下工具就能有效避免鉆具斷落損壞。

4 結(jié)論

國(guó)內(nèi)定向井、水平井鉆進(jìn)都要用到螺桿鉆具，考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)螺桿鉆具制造技術(shù)水平，螺桿鉆具斷落事故很難徹底杜絕，特別是深井超深井及高溫高壓井，螺桿尺寸小，使用時(shí)間短，故障率更高。當(dāng)前，對(duì)于螺桿鉆具斷落等井下事故尚無(wú)法徹底避免，通過(guò)采用最佳緊扣扭矩、使用加重鉆桿、使用減震器等具有減震功能的井下工具等措施，可以最大限度減少鉆具斷落事故的發(fā)生。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 陳石. 螺桿鉆具失效原因分析與技術(shù)對(duì)策探討[J].石油和化工設(shè)備，2019，22(11)：57-58.

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[3] 邱自學(xué)，王璐璐，徐永和，等. 頁(yè)巖氣鉆井螺桿鉆具的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].鉆采工藝，2019，42(2)：36-37+48+3.