鉆井提速工具設(shè)計與井下安全的探討

陳國慶，鄭瑞強，劉文鵬，李相勇，王 偉

（大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163413）

近年來，為解決深井硬地層鉆速慢的難題，開展了鉆井提速工具方面的研究，并研制了扭力沖擊器、液動沖擊工具、旋沖螺桿鉆具等多種提速工具，在應(yīng)用過程中，起到了提高鉆井速度，降低鉆井成本的作用。但同時也出現(xiàn)了多次工具失效引起的井下事故，造成了較大損失。為提高鉆井提速工具的可靠性和安全性，筆者對事故進行了總結(jié)，并對原因進行了分析，提出了設(shè)計過程中的注意事項和解決措施，為今后鉆井提速工具的設(shè)計提供了參考。

1 螺紋失效引起的井下事故

1.1 螺紋斷裂

基本情況：在扭力沖擊器應(yīng)用過程中，為滿足與螺桿鉆具直接連接后在定向井中應(yīng)用，提高定向段機械鉆速，設(shè)計了上端為431公扣的扭力沖擊器，但在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了公扣斷裂的情況。結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

原因分析：一是常規(guī)螺桿與扭力沖擊器連接后，進行定向施工，扭力沖擊器公扣為交變應(yīng)力的作用點。二是該上接頭設(shè)計存在問題，螺紋處內(nèi)徑為71mm，不符合標準，強度低，導致斷裂。

解決措施：依據(jù)標準，參考鉆頭的相應(yīng)螺紋設(shè)計，將上接頭431 公扣內(nèi)徑改進為55mm，增加螺紋強度，應(yīng)用后此類事故不再出現(xiàn)。

1.2 螺紋刺漏

基本情況：螺紋刺漏為常見的鉆具失效的形式，在鉆井提速工具施工中時有發(fā)生，刺漏過程是逐步發(fā)展的，表現(xiàn)形式為泵壓逐漸下降，嚴重時將引起鉆具落井事故。如圖2所示。

原因分析：一是工具螺紋在運輸過程出現(xiàn)磕碰，致使螺紋出現(xiàn)缺陷。二是工具螺紋本身加工存在缺陷。三是工具螺紋上卸扣次數(shù)較多，磨損較大。

解決措施：入井前認真檢查，并做好使用時間統(tǒng)計，按標準及時檢查更換。

2 鋼球懸掛防掉結(jié)構(gòu)失效引起的井下事故

基本情況：扭力沖擊器是一種鉆井提速工具，如圖3所示，配合PDC鉆頭一起使用，該工具巧妙地將泥漿的流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)性，從而提高機械鉆速。在研發(fā)過程中，采取了鋼球懸掛的方式，將下接頭與本體連接，起到防掉的作用，鋼球通過本體上的螺紋孔放入，起初螺紋孔安裝絲堵后，用卡簧固定絲堵，但下井后，鉆進過程中，上提活動鉆具，發(fā)現(xiàn)泵壓下降2MPa，下放鉆具，泵壓未上升，開轉(zhuǎn)盤后泵壓上升2MPa，上提泵壓仍少2MPa，出現(xiàn)落井事故，如圖4所示。

原因分析：扭力沖擊器本體上螺紋孔安裝絲堵后，絲堵沒有設(shè)計密封圈，部分高壓鉆井液從此處泄漏，并將螺紋和卡簧沖蝕，結(jié)構(gòu)失效，絲堵掉落后，鋼球逐個掉出，上提鉆具時，內(nèi)部沖擊總成脫落，泵壓下降，下放鉆具并轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤時，牙坎配合，泵壓上升，與現(xiàn)場現(xiàn)象一致。

解決措施：一是安裝絲堵后，將絲堵孔通過焊接的方式填滿。該措施缺點是不可拆裝，使用后需要將焊接處銑開方可取出絲堵和鋼珠。二是改變工具結(jié)構(gòu)，將沖擊總成下裝方式，改變?yōu)樯涎b內(nèi)嵌式，如圖5所示，該措施缺點是徑向尺寸受鉆頭標準螺紋限制，外徑較大。

3 焊接結(jié)構(gòu)失效引起的井下事故

基本情況：液動沖擊工具與扭力沖擊器功能相似，是一種提速工具，區(qū)別是結(jié)構(gòu)不同。液動沖擊工具沒有牙坎結(jié)構(gòu)，整體長度較短，并且不可拆卸，上下接頭與本體之間通過焊接方式連接，如圖6所示，該工具下端與PDC鉆頭連接，上端與鉆鋌連接。施工過程中，出現(xiàn)上接頭與工具本體焊接處斷裂，引起井下事故，如圖7所示。

原因分析：一是焊口存在缺陷，超聲波探傷或磁粉探傷未能檢測出來，或是探傷環(huán)節(jié)沒有嚴格執(zhí)行。二是焊接處結(jié)構(gòu)存在不合理處，液動沖擊工具在井下復雜受力工況下工作，受交變應(yīng)力作用，易發(fā)生斷裂失效。

解決措施：上接頭與本體之間應(yīng)通過螺紋連接后再通過焊接方式連接，此結(jié)構(gòu)與鋼體鉆頭制造時鉆頭冠部和鉆頭接頭的連接方式相同，結(jié)構(gòu)安全可靠。通過螺紋和焊接方式連接后，施工扭矩通過螺紋端面的配合面?zhèn)鬟f，與之前直接通過焊口傳遞相比更加安全，另外焊口僅起連接防掉作用，受力狀態(tài)更加合理。

4 材質(zhì)缺陷引起的井下事故

基本情況：旋沖螺桿鉆具是一種配合隨鉆儀器使用的定向井、水平井提速工具，該工具將螺桿鉆具與沖擊工具一體化設(shè)計，當鉆井液進入工具推動定向動力機構(gòu)中的馬達轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在振動沖擊機構(gòu)產(chǎn)生高頻振動和水力脈沖，將轉(zhuǎn)速、扭矩以及高頻沖擊有效地傳遞給鉆頭，增加鉆頭的破巖效率，提高機械鉆速。為了將旋沖螺桿鉆具的彎點距縮短，以滿足定向造斜施工的要求，將動力機構(gòu)中的馬達輸出軸進行了優(yōu)化，縮短了輸出軸尺寸。

旋沖螺桿鉆具配合215.9mm JKP-6 PDC鉆頭施工時，鉆壓14～20t，突然鉆速變慢，無進尺，泵壓下降1MPa，工具使用時間46h，起鉆檢查發(fā)現(xiàn)旋沖螺桿鉆具傳動軸可用手輕松轉(zhuǎn)動，現(xiàn)場判斷傳動軸或萬向軸出現(xiàn)問題。工具返回車間拆解，發(fā)現(xiàn)旋沖螺桿鉆具輸出軸斷裂，如圖8所示，另外旋沖螺桿鉆具下TC軸承磨損較嚴重。

原因分析：一是定向鉆進時下TC軸承磨損后間隙變大，輸出軸防掉部位受側(cè)向力大。二是傳動軸斷裂位置本身存在缺陷，如圖9所示，鋼材出廠時未通過嚴格檢驗，加工時也未能進行嚴格的毛坯料探傷檢驗，在井下工作時，缺陷逐漸擴大，最終導致斷裂。

解決措施：嚴格控制鋼材質(zhì)量，進料時要求廠家提供探傷合格報告；加工前要進行嚴格的毛坯料探傷檢驗；加工后根據(jù)工件特點，要再次進行探傷檢驗，包括超聲波探傷和磁粉探傷等。另外改進旋沖螺桿鉆具下TC軸承，增加扶正面長度，增加其耐磨程度，改善旋沖螺桿鉆具輸出軸受力狀態(tài)，改變其受力點位置。

5 結(jié)論

（1）螺紋失效引起井下事故的因素包括螺紋受力面強度低、螺紋本身缺陷等，可通過增加螺紋截面厚度和螺紋定期檢測的方法避免。

（2）鋼球懸掛防掉結(jié)構(gòu)失效引起的井下事故，可通過改進結(jié)構(gòu)，將絲堵焊接，或?qū)_擊總成下裝方案改進為沖擊總成上裝內(nèi)嵌式方案來避免。

（3）焊接結(jié)構(gòu)失效引起的井下事故，可將兩個焊接零件間加工螺紋的方式來增加強度，從而避免因焊接失效引起的井下事故。

（4）材質(zhì)缺陷引起的井下事故，可通過鋼材出廠前探傷、毛坯料探傷和成品零件探傷三個環(huán)節(jié)來避免材質(zhì)本身缺陷，從而保證成品零件質(zhì)量，最終避免因材質(zhì)缺陷引起的井下事故。