唐啸驰
中石化江钻石油机械有限公司 湖北 武汉 430223
摘要：随着我国油田开发规模的不断扩大，定向井、水平井和特种工艺井也越来越多，螺杆钻具在钻井过程中的应用也越来越广泛。由于目前国内螺杆钻具制造技术的限制，井下钻具断裂、坠落等事故时有发生，影响钻井效率。本文深入分析了螺杆钻具井下事故的类型和原因，提出了预防措施和处理方法，为防止类似钻井事故的发生提供了指导和借鉴。
关键词：螺杆钻具；断落事故；处理；预防
1螺杆钻具断落事故原因
1.1螺杆钻具外筒壳体脱扣
螺杆钻具外壳体由旁通阀壳体、防掉壳体、马达壳体、万向节壳体及传动轴壳体组成，通过螺纹连接。在定向钻井的过程中,转盘带动钻杆及螺杆钻具旋转,在钻井液的驱动下马达转子顺时针旋转，输出扭矩。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，加剧螺纹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。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。
1.2螺杆钻具外筒壳体断扣
螺杆钻具外筒壳体断扣的原因有材料缺陷、加工工艺不当、应力集中、钻井参数选取不当、操作不平稳等。通常情况下，钻铤连接的平衡度通过钻铤接头弯曲强度比进行评价，《钻具构件检验推荐操作规程》推荐的平衡连接弯曲强度比应为2.5:1.0，但实际中钻铤内弯曲强度比通常控制在3.2:1.0~2.0:1.0，螺杆钻具螺纹接头大部分为不平衡连接，降低了旁通阀壳体与马达壳体连接处螺纹的抗疲劳性能，尤其是管柱内受到冲蚀及管柱外径磨损后，不平衡性加剧，引发螺杆钻具断扣事故。
1.3传动轴断裂
传动轴是螺杆钻具的重要组成部分，主要将万向轴的扭矩和功率传递给钻具，承受转子、万向轴重力和转子下推力。从传动轴的结构(见图1)来看，在交变载荷的影响下，传动轴顶部和底部的弱表面很容易断裂。此外，传动轴的止推轴承组要承受钻头跳动造成的冲击力，容易造成轴承组损坏，钢球和轴承盘变形断裂，滑动体坍塌。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°弯角马达，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。
1.4转子断裂抽芯
钻杆内部钻井液通过电机输出转矩和功率,通过钻井液固相控制设备处理后再次喷射,故钻井液必须包含一定量的固相材料。固相物质进入马达将腐蚀定子,转子,传动轴,万向轴等。钻井液中的氯离子腐蚀转子，使其强度进一步下降，在扭矩和交变应力的共同影响下，最终导致转子断裂落井。
为降低深井钻进过程中的摩阻，通常将橡胶定子浸泡于油基钻井液，这必然加剧定子老化与膨胀，在井底高温的不利影响及转子旋转作用下，橡胶定子发生破裂和剥落，阻塞流道，卡死钻具，所产生的瞬时力往往导致螺杆钻具上提抽芯。
1.5万向轴断裂
螺杆钻具的万向轴主要起到将转子的行星运动转化为定轴运动的作用，并承担转子的扭矩和下推力的作用。活瓣式万向轴由活瓣、内外球座及连接杆构成，见图2。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。
图1传动轴结构
图2万向轴结构
2螺杆钻具断落事故处理
螺杆钻具结构复杂，零件繁多。为了有效地处理螺杆钻具事故，应根据事故原因，加强打捞工具和打捞方法的选择。
2.1螺杆钻具外筒壳体脱扣处理
螺杆钻具外筒壳体脱扣后，落鱼细长，由于万向轴活瓣以上均为柔性结构，落鱼躺下井壁，所以，进鱼头是外筒壳体脱扣处理的关键。在下段螺纹和壳体螺纹一致且打捞长度超出起出壳体总长度的捞筒外焊引鞋，将捞筒上部和钻杆连接并下入井口对扣，以减小进鱼和出鱼困难。对扣过程中传动轴壳体可能转动，为保证对扣牢固，应通过加钻压拧扣，落鱼捞获后泵压显著上升。再下入打捞筒打捞转子端部，捞获后泵压无显著变化。
2.2采用最佳紧扣扭矩
螺杆钻铤的锁紧力矩不应过大或过小。最佳锁紧扭矩应根据钻削参数和钻具尺寸来确定。如果扭矩太小，就不能产生足够的关节肩的弹性压缩来防止肩面分离。若扭矩过大，则会产生超接头屈服强度，进而引发公接头伸长和母接头膨胀变形。螺杆钻具钻头推荐紧扣扭矩见表1。如果井底预估扭矩较高，应采取参考值上限或在参考值上限上增加10%。
表1钻头紧扣扭矩参考表
2.3使用加重钻杆
对于弯曲井眼和孔段钻杆工作量大的井眼，使用较重的钻杆可以降低钻具的应力，防止钻具断裂和掉落事故的发生。具体而言，较重的钻杆，刚性高、耐磨性强，可以有效降低在井筒弯曲段造成的钻柱磨损和疲劳损伤。在钻铤和钻杆过渡段使用较重的钻杆，还可以减轻钻杆段刚度变化，减少应力集中，防止疲劳失效和钻具断裂和坠落。
在螺杆钻具使用一定时间后，即便未出现损伤也应进行定期探伤，并根据钻具类型及性能确定探伤周期，正常使用情况下，新旧钻杆探伤周期分别为纯钻时间4500h和2200h，加重钻杆为纯钻时间1200h，钻铤为600h，方钻杆为2200h。
2.4使用减震器等减震功能井下工具
对于硬地层及软硬交错地层通常出现跳钻及无法加压钻进等现象，跳钻所产生的轴向、径向冲击荷载对钻头有巨大危害，若使用减震器以及悬浮器、液力推进器等具有减震功能的井下工具就能有效避免钻具断落损坏。
3 结束语
国内定向井和水平井钻井都需要使用螺杆钻具,考虑到目前国内螺杆钻具制造技术水平,断落事故难以完全消除,特别是深井、超深水井和高温高压井,螺杆的尺寸很小,使用时间短,故障率较高。螺杆钻具的连接螺纹应优化紧扣扭矩,配合使用较重的钻杆降低钻柱磨损及疲劳损伤,或使用减震器和其他井下工具增强减震功能以减轻冲击载荷。
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