螺杆钻具断落事故处理与预防探讨--中国期刊网

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螺杆钻具断落事故处理与预防探讨

发表时间：2020/12/23 来源：《基层建设》2020年第24期作者：王佑林

[导读] 摘要：螺杆钻具又名定排量马达（PDM），是一种容积式井下动力钻具，也是当前运用最为广泛的一种井下动力钻具。

        中石化江钻石油机械有限公司湖北武汉 430223
        摘要：螺杆钻具又名定排量马达（PDM），是一种容积式井下动力钻具，也是当前运用最为广泛的一种井下动力钻具。当前低油价背景下，螺杆钻具重复利用成为各大油服公司降本增效的有效手段，因此螺杆钻具大修工作量随之增加。
        关键词：螺杆钻具；断落事故；处理；预防；
        引言
        螺杆钻具作为一种容积式动力钻具，具有良好的输出硬特性，是当前应用最广泛的井下动力钻具之一。随着钻井深度和井下温度的不断提高，特别是在地质超深钻探、高温地热井等高温场合，常规螺杆钻具的橡胶定子的耐温局限性，无法满足钻井需求，螺杆钻具的耐温性是其研究的热点所在。全金属螺杆钻具由于采用金属定子，使其具有良好的耐温性，国内外对这项新型钻具均进行了科技攻关，目前已经在钻井现场得到了成功应用。
        1螺杆钻具的构成
        螺杆钻具是以钻井液为主要动力的井下动力钻具，钻井液由泥浆泵泵出后经由钻柱进入钻具马达，马达端头形成的压力差推动转子旋转，再通过万向轴及传动轴将扭矩和转速传递给钻头，实现钻进。其中旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成分别发挥钻井液流向控制、输出动力、改变方向、荷载传递等功能。旁通阀位于螺杆钻具最顶部，包括阀体、阀芯、阀套、弹簧、阀口、密封件及挡圈等部件，旁通阀是螺杆钻具的对外接口，控制钻井液流向。万向轴总成是螺杆钻具造斜导向的关键部件，传动轴总成是主要的承载部件。
        2螺杆钻具工作原理及特性
        钻井作业时，高压钻井液通过钻杆注入螺杆钻具，流经旁通阀总成后，进入螺杆钻具马达总成，螺杆钻具的马达是由定子与转子组成，定子和转子的螺旋表面相互啮合形成空间共轭曲面，共轭曲面上形成多个封闭且可容纳高压钻井液流通的密封腔，其高压腔和低压腔不断转换，从而利用钻井液水力静压能驱动转子在定子内作行星运动，产生转速和扭矩，最终，由底端的万向轴总成和传动轴总成将螺杆马达产生的扭矩和转速不间断地传递给钻头，从而驱动底部钻头完成破岩过程。螺杆钻具的马达属于容积式马达，其理论转速仅跟排量Ｑ有关，而与钻压无关，若固定流量，则理论转速基本不变；理论扭矩与入口和出口的压力差ΔＰ呈正线性相关。而涡轮钻具虽然是全金属结构，但其为非容积式钻具，转速高、扭矩小，过载能力差、钻头阻力矩过大会造成“制动”。相比于涡轮钻具，螺杆钻具具有硬机械特性，输出扭矩和转速成反比，且可方便地面通过泵压观测底部钻具状态，十分适合钻井，如能实现全金属结构，克服高温应用难题，则具有良好的应用前景。
        3螺杆钻具断落事故原因
        3.1螺杆钻具外筒壳体脱扣
        螺杆钻具外筒壳体由定子壳体、万向节壳体、传动轴壳体通过螺纹连接而成，在定向钻进过程中，转盘不动，螺杆钻具转动，在钻井液内驱动式液压马达作用下转子顺时针转动，输出扭矩并对定子产生逆时针扭矩，具有拧紧作用。但定子外壳、钻铤及稳定器等钻具部位在与井壁接触的过程中所产生的顺时针摩擦力容易引发万向节壳体和传动轴壳体连接处发生脱扣，导致转子、万向节、传动轴落井。螺杆钻具在150~180r/min的转速下比转盘转速大，所发生的反转运动及所承受的交变弯曲应力频率也更大。但井下钻具滑动式滚动过程中还会出现跳离和击打井壁等现象，加剧螺扣的松动和螺杆钻具壳体的脱扣。复合钻进过程中钻具外壳和井壁的摩擦能起到紧扣作用，但因可能的反转运动及跳离和击打井壁，会加剧脱扣断扣。螺杆钻具高速转动时发生砂卡、轴承损坏等，瞬间卡死产生的瞬时震荡力也会加剧螺杆钻具松扣脱扣。
        3.2万向轴断裂
        螺杆钻具中的万向轴主要发挥将转子行星运动转化为定轴转向，并承担扭矩及转子下推力的作用。活瓣式万向轴由活瓣、内外球座及连接杆构成.万向轴的活瓣瓣齿因承受主要的交变应力及挤压应力，很容易折断。在交变应力及冲蚀磨蚀等综合作用下，挠性万向轴发生断裂损坏。
        3.3传动轴折断
        作为螺杆钻具的重要组成部分，传动轴主要将来自万向轴的扭矩、功率向钻头传递，并承受着转子、万向轴重力及转子下推力。根据传动轴的结构，其顶部和下部所存在薄弱面在交变荷载影响下极容易断裂。此外，传动轴推力轴承组还要承担钻头跳钻引发的冲击力，容易引发轴承组损坏，钢球及轴承盘变形破裂，滑道崩塌。

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在钻井过程中，由于螺杆材质、操作水平、井下工作环境等原因引发的螺杆钻具断落事故不胜枚举。例如国内某油田定向井钻进使用1.25°马达，钻进时间69h后传动轴扭断，PDC钻头、传动轴及马达接头落井，通过分析事故发生原因得知，螺杆钻具材质缺陷，井斜角因造斜井段井眼曲率变化过大增至59°，过大的钻压增加了螺杆钻具制动扭矩，从而引发传动轴疲劳损坏。
        4螺杆钻具断落事故处理
        4.1传动轴总成拆装
        首先用吊车将传动轴总成吊至拆装架上，水帽端向着移动缸方向，用固定缸夹住传动轴大端，移动移动缸使其夹住水帽，用相应的扭矩将传动轴与水帽拆开，用吊车吊住传动轴壳体，松开固定缸，移动吊车和移动缸，使固定缸夹在距传动轴壳体上（不能家在传动轴壳体母口外圆上），移动快旋使其夹住传动轴的大端，用快旋将传动轴与水帽保留5~6扣不旋开。然后，松开移动缸与快旋，用吊车将传动轴总成吊至移动缸与固定缸之间，用移动缸使其夹在距传动轴公扣台肩面20mm处，气焊协助，均匀加热锁紧套至260℃，用固定缸夹住锁紧套，用相应扭矩将传动轴壳体与锁紧套拆开，之后，松开固定缸，移动移动缸使得固定缸夹住下短节，气焊协助，均匀加热传动轴壳体母扣端外圆100mm范围内至260℃，用相应扭矩将传动轴壳体与下短节拆开；将移动缸与固定缸松开，用吊车将传动轴总成吊至固定缸与快旋之间，将水帽端穿入固定缸，使固定缸夹在距传动轴公扣台肩面20mm处，用快旋夹住下短节并将下短节与传动轴壳体保留5~6扣不旋开。最终，吊车吊住传动轴壳体，松开固定缸与快旋，将传动轴总成吊下并放在垫木上，将传动轴吊装套筒旋在传动轴壳体上，将传动轴总成吊至冲洗区域，并将其竖直放置；将传动轴壳体吊下、依次将工装水帽、上径向轴承静套、上径向轴承动套拆下，按照次序依次将串轴承一层一层拆下，再依次拆下隔套、上护套、四个销钉，将下短节吊装筒与下短节旋紧并用吊车将其吊下，拆下吊装筒。
        4.2螺杆钻具的维护与保养
        1）螺杆钻具的现场维护及保养.螺杆钻具使用后，应立即进行检查。对可继续使用的螺杆钻具，应及时进行保养：将螺杆钻具内的泥浆排出（顺时针旋转轴头）；用高压水枪对旁通阀的阀口滤网部位进行冲洗，以免长时间搁置后，干涸泥浆将旁通阀糊死，导致旁通阀失效。使用后的旧螺杆钻具如果未经正常的维护和保养，会缩短钻具的使用寿命，造成不必要的起下钻。螺杆钻具的拆检和维修保养，应当在厂家允许且有条件的维修车间内进行。
        2)螺杆钻具的吊运和保管.螺杆钻具出厂及运输过程中的吊装，应平稳起吊。吊装过程中应避免刮伤螺杆钻具壳体。不得使用钢丝绳起吊。螺杆钻具应平放于支架上。存放期间，应保持两端的护丝完好，以防止污染物进入螺杆钻具内。
        4.3连接螺纹结构优化
        通过有限元仿真分析，对螺杆钻具整机壳体的连接螺纹进行结构优化，主要是通过螺纹部位结构优化、牙型优化等，以提高连接螺纹的强度和抗粘扣性能，最终达到减少、甚至避免连接螺纹断裂失效问题。优化结构的外螺纹抗扭和抗弯强度与现有结构的外螺纹强度相当，而内螺纹（母扣）的抗扭和抗弯强度提高30%以上。
        结束语
        国内定向井、水平井钻进都要用到螺杆钻具，考虑到当前国内螺杆钻具制造技术水平，螺杆钻具断落事故很难彻底杜绝，特别是深井超深井及高温高压井，螺杆尺寸小，使用时间短，故障率更高。当前，对于螺杆钻具断落等井下事故尚无法彻底避免，通过采用最佳紧扣扭矩、使用加重钻杆、使用减震器等具有减震功能的井下工具等措施，可以最大限度减少钻具断落事故的发生。
        参考文献
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