螺杆钻具损坏落井原因分析

郭衍茹 练章华 陈世春,2 魏臣兴 阳 星

（1.西南石油大学，成都 610500；2.渤海钻探工程有限公司塔里木钻井分公司，塔里木 841000）

螺杆钻具损坏落井原因分析

郭衍茹1练章华1陈世春1,2魏臣兴1阳 星1

（1.西南石油大学，成都 610500；2.渤海钻探工程有限公司塔里木钻井分公司，塔里木 841000）

螺杆钻具在使用过程中会发生诸多损坏落井事故，其原因不仅与材料处理、加工工艺和技术水平有关，还与钻井方式、钻井参数、施工人员技术水平以及保养维护有关。应加强从螺杆钻具的设计到使用等一系列过程的监督，从而制造出性能佳、寿命长的高效螺杆钻具，提高钻井速度，减少事故发生率以及事故处理时间，降低钻井成本。

螺杆钻具；落井；脱扣；断扣

随着勘探开发的深入，向更深地层找油找气成为趋势，但井深的增加导致摩阻的增大，使常规转盘钻井的方式不能满足井下钻头高效破岩的动力要求，同时不光滑的井眼轨迹也为下钻以及后续的下套管作业带来了困难。在此情况下，螺杆钻具以它动力强劲、易于操作等特点在深井定向井、水平井中得到广泛应用。但在螺杆钻具大量使用的过程中，由于材料因素、加工因素和使用保养不当等造成螺杆钻具提前损坏也时有发生，轻则费时费工打捞上来，重则填井侧钻，甚至导致埋井，损失巨大。因此，充分统计分析螺杆钻具损坏落井的形式和原因，引起螺杆钻具的设计者、制造者和使用者的重视显得尤为重要。

1 螺杆钻具的组成

螺杆钻具一般由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成组成［1］（图1）。旁通阀总成由阀体、阀座等组成，钻进时阀门关闭，停钻或起钻时打开阀门，使钻杆内部与环空连通，减少起下钻激动压力，同时防止卸钻杆时钻杆内钻井液溅到钻台上。

图1 螺杆钻具的组成

马达总成由一根表面镀有耐磨材料的转子和内衬螺杆壳体内的橡胶定子组成，主要作用是将液压转化为旋转动能，提供给钻头来破碎岩石。

万向轴总成主要由壳体和万向轴组成，其中万向轴有花瓣式万向轴和挠性万向轴，主要作用是将转子的行星运动转化为定轴转动，同时传递扭矩和转子的下推力、重力。

传动轴总成由壳体、传动轴、上下推力轴承、径向轴承组成，主要作用是将扭矩和功率传递给钻头，同时承受钻头破岩引起的激振力以及转子、万向轴重力和下推力。

2 螺杆钻具损坏落井原因

（1）壳体脱扣

在定向钻进时，转盘不转，只有螺杆钻具转动。在液压作用下转子顺时针转动输出扭矩，同时根据作用力和反作用力的关系，转子会对定子产生逆时针扭矩，此时起到紧扣作用，但包含定子的外壳、钻铤、稳定器等与井壁接触的钻具部位处产生的顺时针摩擦力将会对钻具有松扣的趋势。根据章扬烈的反转理论［2］可知，在井下钻具纯滚动条件下，反转转速与钻柱转速的关系如下：

式中：d—回转体外径；D—井眼直径；np—钻柱的反转转速；nr—钻柱的自转转速；ns—钻柱的弯曲应力频率。

图2 钻柱反转运动示意图

一般螺杆钻具转速在150～180r/min，比转盘转速(60r/min)大的多，其反转运动更为剧烈，所承受的交变弯曲应力频率也会更大。而井下钻具是带滑动的滚动，还存在无规律的跳离和敲击井壁现象，震松丝扣，进一步加大了螺杆钻具壳体脱扣的发生。

复合钻进时，螺杆钻具外壳与井壁的摩擦力虽起到紧扣作用，但由于存在着反转运动以及跳离敲击井壁现象，也会对脱扣断扣起到一定的影响。当螺杆钻具在高速转动下，由于砂卡或轴承损坏等突然卡死，瞬时力也会导致螺杆钻具松扣。

（2）壳体断扣

螺杆钻具接头除了材料处理不当、加工质量不过关产生材料缺陷或应力集中导致断扣外，钻井参数施加不当，操作过程不平稳都会带来螺杆钻具断裂落井事故。长期以来钻铤接头都是以弯曲强度比来评价钻铤平衡连接，弯曲强度比计算公式如下［3］：

式中：BSR—弯曲强度比；ZB—内螺纹接头截面模数；ZP—外螺纹接头截面模数；D—内外螺纹接头外径，mm；d—内径（水眼），mm；b—在外螺纹端部处的内螺纹牙根直径，mm；R—距外螺纹台肩19.05mm（3/4in）处外螺纹的牙根直径，mm。

API SPEC 7G规范中推荐平衡连接时弯曲强度比BSR=2.5∶1.0，而通常钻铤内、外螺纹的弯曲强度比应控制在3.2∶1.0～1.9∶1.0。对于同样是井下钻具的一部分的螺杆钻具，其螺纹接头95.6%都是不平衡连接［4］，如Φ203mm螺杆钻具的旁通阀壳体与马达壳体接头，根据式（3）可知弯曲强度比为0.8∶1.0，其值明显超出规定范围，旁通阀壳体和马达壳体连接内螺纹抗疲劳性能弱［5］，特别是管柱内部受到冲蚀或管柱外径受到磨损时，其弯曲强度比偏离此范围更为严重，也更易导致螺杆钻具断扣事故的发生。当复合钻进时，螺杆钻具的旋转加大了螺杆钻具断扣事故的发生。

（3）转子断裂抽芯

钻井液流经钻杆内部，通过马达输出扭矩和功率，然后钻井液携带岩屑到地面，经过固相控制设备处理后钻井液被重新注入钻杆内，钻井液中或多或少含有一定量的坚硬固相颗粒，或者在下钻或停钻过程中旁通阀打开，都会使环空中的坚硬耐磨的固相颗粒进入螺杆钻具内部，这些固相颗粒会对马达的定转子、万向轴、传动轴进行啃咬、冲蚀、腐蚀等，使其表面保护层剥落、变薄。并且钻井液中存在的氯离子，将使这些零部件产生腐蚀［6］，加大加深剥落坑，使其强度降低，在扭矩和交变应力作用下断裂破坏，进一步导致螺杆钻具抽芯落井。

同时钻深井时，为了减少摩阻，常用油基钻井液，橡胶定子在油基钻井液中浸泡，易使其提前老化、膨胀或收缩。井底温度也会对橡胶定子产生严重影响，常规螺杆钻具为丁腈橡胶，要求井底温度在120℃以下，耐高温螺杆钻具定子为氢化丁腈橡胶［7］，必须在150℃以下才能正常工作，故在深井钻探中，使用螺杆钻具时不可停钻过久。在转子旋转作用下，橡胶定子剥落，堵塞流道，使螺杆钻具卡死，无功率输出，此时的瞬时力对上提损坏的螺杆钻具时发生抽芯是个重要的影响因素。

（4）万向轴断裂

万向轴主要作用是将转子的行星运动转变为定轴转动，同时承受扭矩和转子的下推力。在运动过程中，花瓣式万向轴的花瓣承受着较高的交变应力和接触挤压力，易屈服断裂，导致花瓣断裂。挠性万向轴在交变应力和冲蚀磨蚀联合作用下同样也会提前损坏。

（5）传动轴断裂

传动轴将万向轴输送来的扭矩和功率传递给钻探，同时承受转子下推力和转子、万向轴的重力。传动轴顶部和下部都存在着薄弱面，在交变载荷作用下易断裂，这类断裂事故在现场也时有发生［8-10］，同时传动轴止推轴承要承受钻头跳钻的冲击力，对轴承等造成损坏，钢球、轴承盘严重变形或破裂，滑道崩裂。在综合因素的影响下，螺杆钻具发生断落事故，其中涉及到螺杆制造的材质选择、使用者的技术水平以及螺杆钻具井下工作环境等，如在国内某油田的定向钻进过程中，采用一根新的1.25°马达，入井纯钻时间74h既发生传动轴扭断导致PDC钻头、马达接头和传动轴落井，落鱼长0.87m。分析失效的主要原因：一是螺杆钻具本身材质不过关；二是造斜井段井眼曲率变化大，井斜角达61°；三是导向钻进时钻压偏大，导致螺杆钻具制动扭矩过大，使螺杆钻具传动轴疲劳破坏。

3 结 论

（1）螺杆钻具的损坏落井，不仅与材料处理、加工工艺和技术水平有关，还与现场人员操作技术水平、钻进方式、钻井参数密不可分。在螺杆钻具整个流程中，各部门企业应加强交流和信息反馈，严把材料质量关，严谨加工装配，严格按照推荐操作参数使用，对入井螺杆钻具做好探伤和跟踪记录，延长螺杆钻具使用寿命。

（2）螺杆钻具断裂落井是多个不利因素综合作用的结果，钻井液的冲蚀、砂卡，钻井参数施加不当以及施加不平稳等因素。在目前螺杆钻具设计、材料质量、加工水平的条件下，使用过程中应严格控制钻井液的固相含量，尽量减少停钻时间，出井螺杆钻具应及时清理、修理归档。同时加强培训，使操作人员对螺杆钻具使用性能了如指掌，从而充分发挥螺杆钻具性能，提高钻井速度，降低建井成本。

[1]苏义脑.螺杆钻具研究及应用[M].北京:石油工业出版社,2001.

[2]章扬烈.钻柱运动学与动力学[M].北京:石油工业出版社,2001.

[3]SY/T 6288-2007.钻杆和钻铤选用作法[S].

[4]张根旺.对《螺杆钻具》标准中有关连接螺纹的探讨[J].石油工业技术监督，2007（6）：10-12.

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[8]宫吉青,陈湖滨,何元君，等.螺杆钻具井下事故的处理与预防[J].石油钻探工艺，2001，29(6):34-35.

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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

国家自然科学基金项目(50774063)

郭衍茹（1989-），女，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为CAD/CAE/CFD和管柱力学。