高爱庭 陆恒 张晨开 董黎明
中石化江汉石油工程有限公司钻井西部分公司 841600
摘要：西北工区设计井深较深，地层地质复杂, 地层层序较多, 其岩性、压力和温度变化大, 机械钻偏低，使用螺杆钻具是提速提效的重要手段，分析螺杆钻具断裂原因，提高其使用安全，具有重要意义。
关键词：顺北 螺杆 断裂 失效 预控
对西北工区顺北区块失效的螺杆工具进行分析，选取具有代表性的井下失效工具进行研究。以顺北某井失效的244mm的螺杆为例，从现场使用情况出发，根据事故发生的原因定位，围绕传动轴壳体断裂分析，通过对底部钻柱动力学仿真分析，在相同的钻具组合情况下，对有无扶正器、螺杆弯角以及不同尺寸的井眼对244 mm螺杆钻具受力进行数值模拟分析，得出螺杆失效原因。
1、断裂螺杆的基本情况
2020年某月20:51钻至井深3040.65m，发现憋泵，2#泵销钉切断，停泵更换安全阀销钉，20:56开泵立压发生异常,（单泵29spm开泵，泵压19.5MPa；正常钻进时双泵180spm，泵压18MPa），决定起钻检查螺杆，起钻完，发现244mm江钻螺杆传动轴外壳公扣断裂，落鱼最大直径245mm,总长度8.2m、芯子长7.88m直径162mm、传动轴头直径245mm（螺杆内部马达总成与防掉总成连接处断裂）。钻进时钻具组合：φ374.65mmPDC+φ244m螺杆+9″钻铤*1根+φ372mm扶正器+9″钻铤*2根+731*630+8″钻铤*1根+仪器接头+8″钻铤*11根+随钻震击器+8″钻铤*2根+631*BHDH550+139.7mm非标钻杆
落鱼草图如下：
2、螺杆在井下的受力状态分析
（1）有无扶正器对 244 mm螺杆钻具在311.2mm井眼受力状态对比分析
在相同的钻具组合情况下，通过对底部钻柱动力学仿真分析，对有无扶正器对244mm螺杆钻具受力进行数值模拟分析，具体结果如下：
通过以上分析可以得出：有无扶正器相比，虽然无下扶正器螺杆钻具所受平均轴向力、平均弯矩均降幅明显，但轴向、扭矩与弯矩幅值增大 1-3 倍，因此，无扶正器的螺杆钻具更加容易产生疲劳失效。
（2）不同弯角对 244mm螺杆在311.2mm井眼受力状态对比分析
在相同的钻具组合情况下，通过对底部钻柱动力学仿真分析，对不同弯角对 244mm螺杆在311.2mm井眼受力状态对比分析，具体结果如下：
通过以上分析可以得出：对比不同弯角螺杆钻具的受力特性（直井段，无下扶正器）数值分析结果，随着弯角的增大，平均轴向力、扭矩稍显增大，但相对来说变化幅度较小，但弯矩幅值增加明显。为此，大弯角螺杆在直井段承受更大的弯矩幅值变化，弯矩波动频率更大，井下安全风险显著增加。
（3）244mm螺杆钻具在不同井眼中使用受力状态对比分析
在相同的钻具组合情况下，通过对底部钻柱动力学仿真分析，对244mm螺杆钻具在不同井眼中使用受力状态对比分析，具体结果如下：
通过以上分析可以得出：井眼尺寸越大，螺杆钻具所受的轴向力、弯矩越小，但轴向力、扭矩和 弯矩幅值增大，螺杆钻具失效风险加大。在374.65mm井眼下，244mm螺杆钻具的轴向力幅值相比311.2mm井眼增加41%，扭矩值幅度增加35%，弯矩幅值增加140%。螺杆钻具更容易在应力薄弱环节（螺杆壳体公扣等部位）产生疲劳断裂。
（4）螺杆失效的初步原因分析：
244mm 1.25°单弯螺杆配合374.65mm大尺寸钻头使用，使得井底横向摆振增大，产生较大交变载荷，导致传壳发生疲劳断裂失效，是螺杆传动轴壳体断裂的主要原因。不排除螺杆传动轴壳体材质存在一定程度的缺陷，导致本次螺杆断裂。
3、认识及建议：
（1）使用 244mm规格的螺杆钻具，建议使用扶正器，减小螺杆弯角，比如：0.5°及 0.75°，以减少螺杆钻具扭振载荷，增加疲劳寿命。
（2）在 374.65mm及以上井眼中建议增加螺杆钻具的本体直径，可以最直接的提高钻具疲劳强度，如采用 286mm螺杆钻具。
（3）为了应对顺被区块极端复杂的工况，建议将防掉杆、螺杆本体改进更加高等级的材料，增加抗弯扭、抗疲劳能力。
参考文献
[1]谭逢林. 螺杆钻具在油气钻井中的理论分析和应用选型[D].西南石油大学,2017.
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[3]郑斌. 螺杆钻具的失效分析及对策方案研究[D].东北石油大学,2017.