郭衍茹 練章華 陳世春,2 魏臣興 陽(yáng) 星

（1.西南石油大學(xué)，成都 610500；2.渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，塔里木 841000）

螺桿鉆具損壞落井原因分析

郭衍茹1練章華1陳世春1,2魏臣興1陽(yáng) 星1

（1.西南石油大學(xué)，成都 610500；2.渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，塔里木 841000）

螺桿鉆具在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生諸多損壞落井事故，其原因不僅與材料處理、加工工藝和技術(shù)水平有關(guān)，還與鉆井方式、鉆井參數(shù)、施工人員技術(shù)水平以及保養(yǎng)維護(hù)有關(guān)。應(yīng)加強(qiáng)從螺桿鉆具的設(shè)計(jì)到使用等一系列過(guò)程的監(jiān)督，從而制造出性能佳、壽命長(zhǎng)的高效螺桿鉆具，提高鉆井速度，減少事故發(fā)生率以及事故處理時(shí)間，降低鉆井成本。

螺桿鉆具；落井；脫扣；斷扣

隨著勘探開(kāi)發(fā)的深入，向更深地層找油找氣成為趨勢(shì)，但井深的增加導(dǎo)致摩阻的增大，使常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井的方式不能滿足井下鉆頭高效破巖的動(dòng)力要求，同時(shí)不光滑的井眼軌跡也為下鉆以及后續(xù)的下套管作業(yè)帶來(lái)了困難。在此情況下，螺桿鉆具以它動(dòng)力強(qiáng)勁、易于操作等特點(diǎn)在深井定向井、水平井中得到廣泛應(yīng)用。但在螺桿鉆具大量使用的過(guò)程中，由于材料因素、加工因素和使用保養(yǎng)不當(dāng)?shù)仍斐陕輻U鉆具提前損壞也時(shí)有發(fā)生，輕則費(fèi)時(shí)費(fèi)工打撈上來(lái)，重則填井側(cè)鉆，甚至導(dǎo)致埋井，損失巨大。因此，充分統(tǒng)計(jì)分析螺桿鉆具損壞落井的形式和原因，引起螺桿鉆具的設(shè)計(jì)者、制造者和使用者的重視顯得尤為重要。

1 螺桿鉆具的組成

螺桿鉆具一般由旁通閥總成、馬達(dá)總成、萬(wàn)向軸總成和傳動(dòng)軸總成組成［1］（圖1）。旁通閥總成由閥體、閥座等組成，鉆進(jìn)時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，停鉆或起鉆時(shí)打開(kāi)閥門(mén)，使鉆桿內(nèi)部與環(huán)空連通，減少起下鉆激動(dòng)壓力，同時(shí)防止卸鉆桿時(shí)鉆桿內(nèi)鉆井液濺到鉆臺(tái)上。

圖1 螺桿鉆具的組成

馬達(dá)總成由一根表面鍍有耐磨材料的轉(zhuǎn)子和內(nèi)襯螺桿殼體內(nèi)的橡膠定子組成，主要作用是將液壓轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，提供給鉆頭來(lái)破碎巖石。

萬(wàn)向軸總成主要由殼體和萬(wàn)向軸組成，其中萬(wàn)向軸有花瓣式萬(wàn)向軸和撓性萬(wàn)向軸，主要作用是將轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)傳遞扭矩和轉(zhuǎn)子的下推力、重力。

傳動(dòng)軸總成由殼體、傳動(dòng)軸、上下推力軸承、徑向軸承組成，主要作用是將扭矩和功率傳遞給鉆頭，同時(shí)承受鉆頭破巖引起的激振力以及轉(zhuǎn)子、萬(wàn)向軸重力和下推力。

2 螺桿鉆具損壞落井原因

（1）殼體脫扣

在定向鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)不轉(zhuǎn)，只有螺桿鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)。在液壓作用下轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)輸出扭矩，同時(shí)根據(jù)作用力和反作用力的關(guān)系，轉(zhuǎn)子會(huì)對(duì)定子產(chǎn)生逆時(shí)針扭矩，此時(shí)起到緊扣作用，但包含定子的外殼、鉆鋌、穩(wěn)定器等與井壁接觸的鉆具部位處產(chǎn)生的順時(shí)針摩擦力將會(huì)對(duì)鉆具有松扣的趨勢(shì)。根據(jù)章?lián)P烈的反轉(zhuǎn)理論［2］可知，在井下鉆具純滾動(dòng)條件下，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與鉆柱轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

式中：d—回轉(zhuǎn)體外徑；D—井眼直徑；np—鉆柱的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；nr—鉆柱的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；ns—鉆柱的彎曲應(yīng)力頻率。

圖2 鉆柱反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖

一般螺桿鉆具轉(zhuǎn)速在150～180r/min，比轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速(60r/min)大的多，其反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)更為劇烈，所承受的交變彎曲應(yīng)力頻率也會(huì)更大。而井下鉆具是帶滑動(dòng)的滾動(dòng)，還存在無(wú)規(guī)律的跳離和敲擊井壁現(xiàn)象，震松絲扣，進(jìn)一步加大了螺桿鉆具殼體脫扣的發(fā)生。

復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，螺桿鉆具外殼與井壁的摩擦力雖起到緊扣作用，但由于存在著反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及跳離敲擊井壁現(xiàn)象，也會(huì)對(duì)脫扣斷扣起到一定的影響。當(dāng)螺桿鉆具在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，由于砂卡或軸承損壞等突然卡死，瞬時(shí)力也會(huì)導(dǎo)致螺桿鉆具松扣。

（2）殼體斷扣

螺桿鉆具接頭除了材料處理不當(dāng)、加工質(zhì)量不過(guò)關(guān)產(chǎn)生材料缺陷或應(yīng)力集中導(dǎo)致斷扣外，鉆井參數(shù)施加不當(dāng)，操作過(guò)程不平穩(wěn)都會(huì)帶來(lái)螺桿鉆具斷裂落井事故。長(zhǎng)期以來(lái)鉆鋌接頭都是以彎曲強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)鉆鋌平衡連接，彎曲強(qiáng)度比計(jì)算公式如下［3］：

式中：BSR—彎曲強(qiáng)度比；ZB—內(nèi)螺紋接頭截面模數(shù)；ZP—外螺紋接頭截面模數(shù)；D—內(nèi)外螺紋接頭外徑，mm；d—內(nèi)徑（水眼），mm；b—在外螺紋端部處的內(nèi)螺紋牙根直徑，mm；R—距外螺紋臺(tái)肩19.05mm（3/4in）處外螺紋的牙根直徑，mm。

API SPEC 7G規(guī)范中推薦平衡連接時(shí)彎曲強(qiáng)度比BSR=2.5∶1.0，而通常鉆鋌內(nèi)、外螺紋的彎曲強(qiáng)度比應(yīng)控制在3.2∶1.0～1.9∶1.0。對(duì)于同樣是井下鉆具的一部分的螺桿鉆具，其螺紋接頭95.6%都是不平衡連接［4］，如Φ203mm螺桿鉆具的旁通閥殼體與馬達(dá)殼體接頭，根據(jù)式（3）可知彎曲強(qiáng)度比為0.8∶1.0，其值明顯超出規(guī)定范圍，旁通閥殼體和馬達(dá)殼體連接內(nèi)螺紋抗疲勞性能弱［5］，特別是管柱內(nèi)部受到?jīng)_蝕或管柱外徑受到磨損時(shí)，其彎曲強(qiáng)度比偏離此范圍更為嚴(yán)重，也更易導(dǎo)致螺桿鉆具斷扣事故的發(fā)生。當(dāng)復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，螺桿鉆具的旋轉(zhuǎn)加大了螺桿鉆具斷扣事故的發(fā)生。

（3）轉(zhuǎn)子斷裂抽芯

鉆井液流經(jīng)鉆桿內(nèi)部，通過(guò)馬達(dá)輸出扭矩和功率，然后鉆井液攜帶巖屑到地面，經(jīng)過(guò)固相控制設(shè)備處理后鉆井液被重新注入鉆桿內(nèi)，鉆井液中或多或少含有一定量的堅(jiān)硬固相顆粒，或者在下鉆或停鉆過(guò)程中旁通閥打開(kāi)，都會(huì)使環(huán)空中的堅(jiān)硬耐磨的固相顆粒進(jìn)入螺桿鉆具內(nèi)部，這些固相顆粒會(huì)對(duì)馬達(dá)的定轉(zhuǎn)子、萬(wàn)向軸、傳動(dòng)軸進(jìn)行啃咬、沖蝕、腐蝕等，使其表面保護(hù)層剝落、變薄。并且鉆井液中存在的氯離子，將使這些零部件產(chǎn)生腐蝕［6］，加大加深剝落坑，使其強(qiáng)度降低，在扭矩和交變應(yīng)力作用下斷裂破壞，進(jìn)一步導(dǎo)致螺桿鉆具抽芯落井。

同時(shí)鉆深井時(shí)，為了減少摩阻，常用油基鉆井液，橡膠定子在油基鉆井液中浸泡，易使其提前老化、膨脹或收縮。井底溫度也會(huì)對(duì)橡膠定子產(chǎn)生嚴(yán)重影響，常規(guī)螺桿鉆具為丁腈橡膠，要求井底溫度在120℃以下，耐高溫螺桿鉆具定子為氫化丁腈橡膠［7］，必須在150℃以下才能正常工作，故在深井鉆探中，使用螺桿鉆具時(shí)不可停鉆過(guò)久。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)作用下，橡膠定子剝落，堵塞流道，使螺桿鉆具卡死，無(wú)功率輸出，此時(shí)的瞬時(shí)力對(duì)上提損壞的螺桿鉆具時(shí)發(fā)生抽芯是個(gè)重要的影響因素。

（4）萬(wàn)向軸斷裂

萬(wàn)向軸主要作用是將轉(zhuǎn)子的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄝS轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)承受扭矩和轉(zhuǎn)子的下推力。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，花瓣式萬(wàn)向軸的花瓣承受著較高的交變應(yīng)力和接觸擠壓力，易屈服斷裂，導(dǎo)致花瓣斷裂。撓性萬(wàn)向軸在交變應(yīng)力和沖蝕磨蝕聯(lián)合作用下同樣也會(huì)提前損壞。

（5）傳動(dòng)軸斷裂

傳動(dòng)軸將萬(wàn)向軸輸送來(lái)的扭矩和功率傳遞給鉆探，同時(shí)承受轉(zhuǎn)子下推力和轉(zhuǎn)子、萬(wàn)向軸的重力。傳動(dòng)軸頂部和下部都存在著薄弱面，在交變載荷作用下易斷裂，這類斷裂事故在現(xiàn)場(chǎng)也時(shí)有發(fā)生［8-10］，同時(shí)傳動(dòng)軸止推軸承要承受鉆頭跳鉆的沖擊力，對(duì)軸承等造成損壞，鋼球、軸承盤(pán)嚴(yán)重變形或破裂，滑道崩裂。在綜合因素的影響下，螺桿鉆具發(fā)生斷落事故，其中涉及到螺桿制造的材質(zhì)選擇、使用者的技術(shù)水平以及螺桿鉆具井下工作環(huán)境等，如在國(guó)內(nèi)某油田的定向鉆進(jìn)過(guò)程中，采用一根新的1.25°馬達(dá)，入井純鉆時(shí)間74h既發(fā)生傳動(dòng)軸扭斷導(dǎo)致PDC鉆頭、馬達(dá)接頭和傳動(dòng)軸落井，落魚(yú)長(zhǎng)0.87m。分析失效的主要原因：一是螺桿鉆具本身材質(zhì)不過(guò)關(guān)；二是造斜井段井眼曲率變化大，井斜角達(dá)61°；三是導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)鉆壓偏大，導(dǎo)致螺桿鉆具制動(dòng)扭矩過(guò)大，使螺桿鉆具傳動(dòng)軸疲勞破壞。

3 結(jié) 論

（1）螺桿鉆具的損壞落井，不僅與材料處理、加工工藝和技術(shù)水平有關(guān)，還與現(xiàn)場(chǎng)人員操作技術(shù)水平、鉆進(jìn)方式、鉆井參數(shù)密不可分。在螺桿鉆具整個(gè)流程中，各部門(mén)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)交流和信息反饋，嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)謹(jǐn)加工裝配，嚴(yán)格按照推薦操作參數(shù)使用，對(duì)入井螺桿鉆具做好探傷和跟蹤記錄，延長(zhǎng)螺桿鉆具使用壽命。

（2）螺桿鉆具斷裂落井是多個(gè)不利因素綜合作用的結(jié)果，鉆井液的沖蝕、砂卡，鉆井參數(shù)施加不當(dāng)以及施加不平穩(wěn)等因素。在目前螺桿鉆具設(shè)計(jì)、材料質(zhì)量、加工水平的條件下，使用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制鉆井液的固相含量，盡量減少停鉆時(shí)間，出井螺桿鉆具應(yīng)及時(shí)清理、修理歸檔。同時(shí)加強(qiáng)培訓(xùn)，使操作人員對(duì)螺桿鉆具使用性能了如指掌，從而充分發(fā)揮螺桿鉆具性能，提高鉆井速度，降低建井成本。

[1]蘇義腦.螺桿鉆具研究及應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

[2]章?lián)P烈.鉆柱運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

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Analysis of the Causes of the Damage and Falling in the Well of the Screw Drill

GUO Yan-ru1LIAN Zhang-hua1CHEN Shi-chun1，2WEI Chen-xing1YANG Xing1
（1.Southwest Petroleum University,Chengdu 610500；2.Tarimu Drilling Company,Bohai Drilling and Exploration Co.Ltd.,Tarimu 841000）

The screw drills may be damaged and then fall in the well when being in use.The damage may relate to the material,processing technique and the manufacturing technology of the drills.Such things as the way of well-drilling,drilling parameters,the skills of the workers and equipment maintenance can also damage the drills.The process from the design to the use of the screw drills should be supervised in order to make drills with good function and durance.Then,the speed of drilling can be raised，the accidents can be lowered，the time to deal with the faults can be decreased.At last,the cost of drilling can be reduced.

screw drill；falling in the well；trip；off button

TE921

A

1673-1980（2011）06-0145-03

2011-07-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50774063)

郭衍茹（1989-），女，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)镃AD/CAE/CFD和管柱力學(xué)。