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螺杆钻具常见故障及预防措施分析

发表时间：2020/10/20 来源：《基层建设》2020年第19期作者：张旭

[导读] 摘要：近些年随着临盘钻井工区降本增效，提速增产的要求，新的钻井技术“一趟钻”大规模应用，使得螺杆钻具的使用频率大幅度增加，因此对螺杆钻具的使用提出了更高更精细的要求。

        西南石油工程有限公司临盘钻井分公司山东德州 253000
        摘要：近些年随着临盘钻井工区降本增效，提速增产的要求，新的钻井技术“一趟钻”大规模应用，使得螺杆钻具的使用频率大幅度增加，因此对螺杆钻具的使用提出了更高更精细的要求。除开生产厂家在设计和制造方面的缺陷，而人为操作因素逐渐成为引起螺杆钻具故障和井下事故的主要原因。本文的主要目的就是针对螺杆钻具的结构和运作机理分析螺杆钻具常见故障和相关联施工状态，讨论相应的预防措施以提高生产效率和现场工作安全性。
        关键词：螺杆钻具；结构机理；常见故障；预防措施
        螺杆钻具主要为控制井身轨迹的井下动力钻具，将钻井液液体压能转变为机械能带动钻头高速旋转实现破岩目的。
        1 结构机理
        螺杆钻具整体结构由旁通阀总成、防掉总成、液马达总成、万向轴总成和传动轴总成五大部分组成。
        1.1 旁通阀总成
         组成部件为阀体、阀套、阀芯、筛板、密封件及弹簧。在开泵状态下泥浆流量和压力值达到设备设定值时阀芯在阀套中克服弹簧阻力滑动下移使旁通阀关闭，钻井液由螺杆钻具内部通过钻头喷嘴返回环空。停泵或者泥浆流量、压力值低于设定值时弹簧弹力把阀芯顶回，旁通阀开启，钻井液经由旁通阀筛板返回环空，作用于起下钻时平衡钻具内外压差，提供钻井液平衡流动通道。
        1.2防掉总成
        组成部件为防掉接头、防掉锁母和防掉连杆，当发生设备事故如本体断裂、磨损脱扣时，防掉锁母座于内腔台阶上，防止部件滑脱并封堵钻井液循环通道，使泵压迅速升高，动力钻具停止工作并反馈给地面操作者采取合理措施，从而起到动力钻具防掉、防抽芯的作用。
        1.3液马达总成
        组成部件为耐磨抗腐蚀镀硬层的螺旋转子和压注橡胶螺旋衬套定子。液马达总成是能量转换装置。
        1.4 万向轴总成
        连接传动轴并传递扭矩，是设备受交变力最复杂的组成部分，需要把螺旋转子的偏心运动转换成传动轴的定轴转动。
        1.5传动轴总成
        传递扭矩带动钻头旋转破岩。
        钻井现场使用普遍的是单弯螺杆，弯接头部分带有扶正套，弯曲度越大，设备造斜能力越强，能随时进行增斜，降斜以及扭方位等操作，在需要稳斜井段则需要和转盘，顶驱等地面旋转设备配合实现复合钻进工作，加大了动力钻具的使用强度，使设备故障率明显提高。
        2 常见故障分析
                                                                                     表1

        2.1 旁通阀总成故障
        旁通阀总成本身开闭频繁，加上钻井液腐蚀及钻井液固相磨蚀，易造成阀芯、阀套、阀体相关表面损伤，导致阀芯卡死无法关闭或复位开启，严重时会引起筛板位置刺漏。
        2.2马达总成故障
        马达转子腐蚀或转子轴向弯曲变形。钻井液有害固相含量高颗粒大会引起液马达定子橡胶损坏，导致扭矩输出降低，机械钻速和定向作业达不到施工要求，脱胶掉块还易堵塞钻头水眼。
        2.3马达砂卡
        部分动力钻具经拆检发现内部空间有大量压实固体物，原因是钻井液净化和悬浮能力不达标，施工途中停止循环时间久导致泥沙沉淀或操作者未按操作规程要求，在下钻过程中速度过快，井眼环空中的钻井液倒灌进动力钻具内部，造成钻柱砂卡。
        2.4万向轴、传动轴总成故障
        万向轴总成受交变力复杂工作强度大。万向轴、传动轴总成存在正常工作磨损，导致轴承断裂轴承部件卡死，主要决定因素是制造工艺和材料。
        2.5传动轴总成下短节松
        螺杆钻具在使用过程中，转盘、顶驱等地面旋转设备会施加顺时针扭矩于钻柱，螺杆钻具驱动接头自转在钻头加压状态下会施加反向扭矩于钻柱，特别在井深较大时加上井壁摩阻，地面旋转设备停止运行后或定向钻进工况憋泵后，自锁设备没有平稳释放钻柱扭矩时，上提钻具设备自锁功能失去作用钻柱会逆时针飞速倒转，产生强大的反向冲击力。在定向钻进工况井壁托压瞬时释放时，冲击载荷会触发螺杆钻具的过载保护功能使螺杆钻具制动，钻柱将受到巨大的反向扭矩。各种情况引发的反向扭矩过大，冲击载荷过强有使钻柱松扣、倒脱的巨大风险。
        2.6各部分壳体断裂
        螺杆钻具受到腐蚀、疲劳损伤、冲击载荷会降低设备强度导致本体的损坏、裂纹和断裂。
        3 事故案例
        临盘工区盘58-斜159井，该井钻至井深2538米，由于钻井液润滑性、粘度等性能达不到施工要求，定向施工时钻压突然由10t托压瞬时释放至2t，泥浆泵保险阀被憋开，泵房修理时司钻提出转盘面一根单根活动钻具，重新开泵泵压下降6MPa，下放钻具遇阻，循环钻井液后起钻完，发现螺杆钻具抽芯，万向轴、扶正器及钻头落井，落鱼长1.5米。后经反复井下对扣打捞操作失败，填眼侧钻。
        在了解螺杆钻具结构机理后，针对常见故障分析出原因，排除各种制造工艺和材料缺陷因数，提出相应对策在操作使用方面降低故障率，提高螺杆钻具使用寿命和施工安全性。
        4 预防措施
        4.1钻井液性能
        钻井液是钻井工程的血液，严格控制钻井液性能符合施工设计要求，切不可抢工期心存侥幸心理盲目施工，加强与钻台操作人员沟通，及时发现并分析问题，减少因钻井液性能引起的设备和井下复杂情况。
        4.2使用参数
        螺杆钻具使用过程中，需要结合施工设计标准和螺杆钻具使用手册的各项参数标准，合理选用钻井泵钢套尺寸优化钻井液排量以减小螺杆钻具使用负载，钻进钻压、井口旋转设备转速不能使螺杆钻具过载使用。
        4.3操作要求
        螺杆钻具入井前做好入井检查并记录，做好设备和仪器井口测试。下钻时平稳操作，注意下放速度和中途开泵循环，尤其在复杂地层、砂桥、井眼台阶等井段，钻具遇阻卡时不得倒转钻具。钻具接近井底前小排量开泵，开泵前确认钻具处于自由状态，正常后倒大排量循环，清理井底沉砂。起钻时注意起升速度不得过快和提升吨位超限，防止挂卡、缩径井段钻具倒扣或芯轴落井。起钻完后用压缩空气把旁通阀总成吹干净，制动螺杆钻具本体顺时针转动驱动接头排尽钻井液，防止冻结和腐蚀。钻进前记录循环泵压，钻头接触井底时要缓慢，钻进中要认真掌握钻压和泵压的变化使螺杆钻具输出扭矩稳定，严禁溜顿冲击，不能以倒转的方式调整定向工具面，在钻具释放反扭矩前不得提起钻具，定向施工如钻压加不到位，采用改善泥浆性能及转盘划眼方式解除，禁止盲目加压和溜顿送钻，防止托压瞬时释放造成冲击载荷。注意观察地面情况变化，及时分析判断井下问题正确采取合适措施。
        5 结论
        通过对螺杆钻具结构机理的认识和常见故障原因分析，在生产工作中采取相应的预防措施，在人为操作使用因数上降低螺杆钻具故障率，增加使用寿命和施工安全性，提高生产效益。
        参考文献
        [1]姜维寨，王秋成，《复合钻井工艺中的钻头和螺杆钻具故障预报》。录井技术，2004.
        [2]陈湖滨，刘同富，《影响螺杆钻具工作寿命的使用因数分析》。钻采工艺，2007.