螺杆钻具断落事故处理与预防探讨

王检军

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司国际工程公司， 四川 成都 610051）

1 螺杆钻具的构成

螺杆钻具是以钻井液为主要动力液的井下动力钻具，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。螺杆钻具构成情况如图1所示，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。

图1 螺杆钻具的构成

2 螺杆钻具断落事故原因

2.1 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[1]。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。

2.2 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。

2.3 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、功率向钻探传递，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（见图2），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。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[2]。

图2 传动轴结构

2.4 转子断裂抽芯

钻杆内部的钻井液扭矩和功率经由马达输出，并将岩屑携带出地面，通过固相控制设备进行钻井液处理后再次注入钻杆，此时的钻井液肯定含有一定数量的固相物质，在其下钻至停钻时打开旁通阀，固相物质进入钻具内部便会冲蚀、腐蚀定子、转子、传动轴、万向轴等，钻井液中所包括的氯离子进一步腐蚀钻具内件，导致其强度降低，在扭矩和交变应力的共同影响下，最终导致钻具断裂抽芯落井。

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。

2.5 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，见图3。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 螺杆钻具断落事故处理

螺杆钻具结构复杂，构成部件多，为进行螺杆钻具断落事故有效处理，应当从上述钻具断落事故原因出发，加强打捞工具及方法的选择。

3.1 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[3]。再下入打捞筒打捞转子端部，捞获后泵压无显著变化。

3.2 采用最佳紧扣扭矩

螺杆钻具钻铤紧扣扭矩不应过大或过小，应根据钻井参数及钻具尺寸确定最佳紧扣扭矩值，若扭矩偏小，则无法产生足够的接头台肩弹性压缩以防止台肩面分离；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

3.3 使用加重钻杆

对于弯曲井眼、钻杆工作量巨大井眼段，通过使用加重钻杆降低钻具应力，防止钻具断落事故发生。具体而言，对于弯曲井眼段采用刚度较大、耐磨性强的加重钻杆能有效减少钻柱磨损及由此引发的疲劳破坏，在钻铤与钻杆过渡段采用加重钻杆，也可以缓解断面刚度变化，减少应力集中，防止疲劳破坏与钻具断落。

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。

3.4 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。

4 结论

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

[1] 陈石. 螺杆钻具失效原因分析与技术对策探讨[J].石油和化工设备，2019，22(11)：57-58.

[2] 廖贵鹏，赵广慧，梁政，等. 螺杆钻具传动轴接头表面裂纹断裂性能研究[J].应用力学学报，2020，37(1)：258-264+486.

[3] 邱自学，王璐璐，徐永和，等. 页岩气钻井螺杆钻具的研究现状及发展趋势[J].钻采工艺，2019，42(2)：36-37+48+3.