顶部驱动钻井螺纹防松装置的创新设计

2021-02-27白晓捷宋瑞宏于成龙马晓伟

西部探矿工程 2021年3期

白晓捷，宋瑞宏，于成龙，马晓伟，张磊

（1.大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413；2.大庆钻探工程公司工程技术管理处，黑龙江大庆163413）

顶部驱动技术是转盘钻机问世以来的几项重大变革（液压盘式刹车、液压钻井泵、交流变频驱动等）之一。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。使用顶驱钻井时，在起下钻具的同时可循环钻井液、转动钻具，有利于钻井中井下复杂情况和事故的处理，对深井、特殊工艺井的钻井施工非常有利。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。进入21世纪，顶驱在现代钻井工程中应用越来越广泛,浅海上钻井船或平台几乎全部装备了顶驱，陆地石油钻机也越来越多地装配顶驱。顶驱在复杂井和高难度井作业中的优势以及方便、安全、快捷的特性得到石油钻井行业的认可[1]。

1 REG螺纹松扣原因系统分析

顶驱系统结构复杂，涉及4000 余个机电零部件。顶驱主机由电水龙头、管子处理系统、滑车导轨系统、提升系统、液压控制部件、电气控制部件等组成。顶驱电水龙头下部通常设计为REG钻杆螺纹，与顶驱内防喷器（IBOP）相连，内防喷器下部再通过REG钻杆螺纹与保护接头相连，保护接头与下部钻杆母接头通过NC螺纹相连。在使用顶驱进行卸扣操作时，电水龙头提供卸扣扭矩，顶驱背钳夹紧钻杆接头母螺纹，实现钻杆接头卸扣。然而，此时内防喷器（IBOP）两侧的两个REG 钻杆螺纹虽然上扣扭矩远大于NC 螺纹，但仍然存在松扣的风险[2]。为解决此问题，作者深入学习了创新方法理论。近年来，应用比较广泛的创新方法是发明问题解决理论(TRIZ)，该理论的应用有效的结合了设计理论和方法，将设计的过程更加详细的展示出来，提高了产品研发设计的效率[3]。TRIZ方法成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。本文作者利用所学的多种创新方法对问题进行了九屏图、因果链分析，确定了主要矛盾，得出了新型螺纹防松装置的设计思路。

1.1 九屏图分析

顶驱螺纹松扣会导致现场钻井液刺漏等问题出现，造成较大的钻井工程风险。如果不能及时找到问题的原因，可能导致钻具松脱、顶驱损坏、钻井液溢出等更加严重的问题。传统的TRIZ 九屏图一般是作为一个资源分析工具使用，本文作者将九屏图做了拓展应用，将其不仅应用于资源分析，而且应用于问题分析、需求分析、创新构建。通过开展图1所示的螺纹松扣原因分析九屏图的绘制，从螺纹松扣机理、设计工程师、操作者维护三个维度进行分析，得出了需设计更加轻便、更高扭矩余量、避免误操作的外部防松装置的结论。

图1 螺纹松扣原因分析九屏图

1.2 松扣因果链分析

顶驱螺纹防松装置是顶驱内部的一个防松、易损部件。其作用是防止顶驱内部的3组螺纹接头在工作过程中松扣，由于螺纹接头是易损件，需经常更换，因此螺纹防松装置需要经常更换。如果螺纹防松装置拆装困难，将造成易损件更换困难、维修效率低。为解决上述问题，作者深入研究了因果分析法。因果分析法是利用事物发展变化的因果关系来进行预测的方法。它是以事物发展变化的因果关系为依据，抓住事物发展的主要矛盾与次要矛盾的相互关系，建立数学模型进行预测。通过开展图2 所示的鱼骨式因果链分析图的绘制，得出关键结论：在防松装置结构设计方面，应从分体式结构设计方面开展设计工作。

图2 螺纹防松装置松扣因果链分析图

2 应用TRIZ方法解决顶驱螺纹防松装置设计问题

2.1 顶驱螺纹防松装置原理

在进行顶驱保护接头的拆装时，为避免上部接头松扣，通常将上部接头的上扣扭矩加大，但由于钻井现场扭矩波动较大，会时常出现螺纹松扣的现象。为了彻底解决螺纹松扣问题，各顶驱公司均设计了螺纹防松装置。装置分上环体和下环体，该上、下环体均为两个半圆环，两个半圆环两侧结合处设有凸缘，在该凸缘处设有固定连接两个半圆环的螺栓和螺帽，上、下环体之间通过凹凸牙块相互咬合，在上、下环体的内侧设有防滑齿块。