特殊螺紋在牛東潛山超深井鉆井中的應用

崔　露，徐明磊，王東明，李嗣洋，楊　愷，付　瀟

（1.渤海鉆探工程技術研究院，河北任丘062552；2.華北油田公司勘探部，河北任丘062552；3.中國石油物資公司，北京100029）

特殊螺紋在牛東潛山超深井鉆井中的應用

崔露*1，徐明磊1，王東明2，李嗣洋3，楊愷1，付瀟1

（1.渤海鉆探工程技術研究院，河北任丘062552；2.華北油田公司勘探部，河北任丘062552；3.中國石油物資公司，北京100029）

牛東潛山是華北油田在渤海彎盆地深層潛山勘探又一成功探索。牛東1井測試試油取得了日產油642.91m3、日產天然氣56.26×104m3的重大突破。地溫高、機械鉆速慢、鉆井周期長及井下復雜事故多等因素嚴重制約了牛東潛山勘探進程。同時，井下復雜事故多是牛東潛山勘探一個高風險環節，因此，超深探井對入井鉆具要求極高。通過牛東1鉆探表明：在鉆井過程中鉆具通常承受拉、壓、彎、扭、液力等載荷,螺紋連接部位在交變彎曲下易產生應力集中，給安全鉆井帶來很大風險。華北油田分公司在牛東地區深層鉆井過程中，2口井發生鉆具事故5起，通過對失效原因進行統計分析后，采用新型螺紋降低了鉆具失效的風險。

牛東潛山；井下復雜；鉆具；特殊螺紋

牛東潛山區塊是中國東部地區發現的最深油氣藏。牛東潛山圈閉構造位于渤海灣盆地霸縣凹陷西部，其西以牛東斷層為界，與牛駝鎮凸起相毗鄰，東接霸縣洼西槽，構造面積530km2。該區塊鉆遇地層從上至下依次是為平原組、明化鎮組、館陶組、東營組、沙河街組及霧迷山組等地層。2010年股份公司在牛東潛山部署了牛東1井，測試試油取得了日產油642.91m3、日產天然氣56.26×104m3的重大突破，打開了冀中坳陷深潛山勘探的新局面。通過牛東1井實際鉆探情況證實：地溫高、機械鉆速慢、鉆井周期長及井下復雜事故多等因素嚴重制約了牛東潛山勘探進程。為了加快牛東潛山預探評價一體化工程進展，牛東潛山地區深探井、超深探井數量越來越多。然而，鉆井工程是油氣勘探開發過程中的一個高風險的關鍵環節，為了實現集團公司8個月完成一口井的指示，牛東潛山日后部署的3口井在井深更深的情況下，優化了井身結構，增加技套下深，給鉆井施工特別是鉆具帶來了極大風險。

1　事故分析

自2010年實施鉆具管理以來，由于超深井鉆具長期使用，高溫疲勞不斷累積，3口井共發生鉆具事故5起，其中鉆鋌螺紋斷裂發生4起，鉆桿斷裂1起，以小鉆鋌（4-3/4″）斷裂事故為主。

針對鉆具失效進行統計分析發現：鉆具失效主要集中在鉆桿和鉆鋌，且鉆桿和鉆鋌事故主要是由于螺紋斷裂造成的失效造成的。

鉆具螺紋斷裂與螺紋本身結構有關，螺紋連接中的所有嚙合螺紋的等效應力不是平均分布的，而是呈浴盆曲線，在螺紋連接兩端的最后1～2牙螺紋嚙合處所受的等效應力最大［1］，如圖1所示。因此，螺紋連接部位是大剛度鉆具的薄弱部位，也是鉆具失效的多發點［2］。雖然接頭螺紋應力槽提高螺紋連接部位的承載能力，減少螺紋接頭的疲勞失效，提高螺紋連接的疲勞壽命，但是應力槽在修扣時切修量較大，造成鉆具長度減小速度快，造成資源的大量浪費。

2　特殊螺紋的原理和優點

針對鉆具大量老化，鉆具事故高發的現象，經過大量分析認為，通過改變螺紋形式能夠有效降低螺紋疲勞速度，決定引進特殊螺紋，鉆鋌統一采用LET螺紋，4-3/4″鉆鋌改為LET或雙臺肩螺紋。

2.1LET螺紋的原理和特點

（1）LET螺紋的原理。鉆鋌公扣大端最后的嚙合螺紋根部的疲勞裂紋是疲勞失效的最常見的方式之一，這種失效主要是該處螺紋齒根應力集中所引起，以往的一些研究和實踐表明，大約30%的鉆鋌公扣載荷由大端最后嚙合承受，這也是該處容易發生疲勞斷裂的原因。LET螺紋技術就是通過降低公扣末端嚙合齒高度以改善螺紋受力情況，降低公扣末端應力集中，以延長鉆鋌螺紋疲勞壽命。

圖1　螺紋連接部位的應力分布圖

圖2　LET螺紋與普通API螺紋對比

（2）LET螺紋的特點：

①普通API鉆具螺紋嚙合后螺紋牙處應力因無釋放空間得不到有效釋放，而LET螺紋在后3扣將牙高切除1～2mm，為應力釋放提供了空間，同時切除部分牙高后，又不影響螺紋使用強度。

②修扣時只需切頭16～24mm左右，與通常修扣的切頭一致，不會縮短鉆鋌使用壽命。

③由于LET螺紋結構上的特殊性，其疲勞極限比API標準接頭的疲勞極限高約1倍；在彎曲應力2.7kN·m作用下，疲勞壽命比API標準接頭高了近3倍。

④LET螺紋只需對外螺紋進行加工，內螺紋無需做任何改動，不影響其與普通螺紋的互換。

2.2雙臺肩螺紋的原理和特點

（1）雙臺肩螺紋的原理。普通API接頭抗扭強度由外臺肩的接觸面積、直徑和公接頭螺紋的中徑處的厚度來決定，這些受接頭外徑和公接頭水眼尺寸的限制。雙臺肩接頭存在2個臺肩：一個是外臺肩，另一個是內臺肩。內臺肩起到增加抗扭強度的作用，使鉆桿接頭水眼適當增大后，還能確保接頭的抗扭強高于管體的抗扭強度。在雙臺肩接頭旋合后，外臺肩頂上，內臺肩留有很小的間隙，以確保外臺肩能起到密封作用，當上扣達到一定扭矩后內臺肩頂上，當達到上扭矩后，內臺肩的抗扭強度起作用。

圖3　雙臺肩螺紋與普通API螺紋對比

（2）雙臺肩螺紋的特點：

①增加了螺紋抗扭強度，尤其對6-1/2″以下小鉆鋌，極大降低了螺紋失效的幾率；

②通徑設計降低流動阻力，提高水里性能；

③可以和普通API螺紋連接，不影響使用性能；

④切修量與普通API螺紋一致，不會縮短鉆鋌使用壽命。

3　特殊螺紋實施效果及經濟效益

鉆具實施專項管理以來，鉆具檢測質量明顯提高，鉆具檢測有傷率提高到近10個百分點，自實施特殊螺紋以來，鉆具回收檢驗有傷率明顯下降，API螺紋前期有傷率明顯下降，說明螺紋疲勞周期延長，完井結束后鉆具螺紋仍沒有達到疲勞極限，降低了鉆具斷裂的風險。

根據統計2012年全年4月統計。自實施特殊螺紋以來牛東2井小鉆鋌事故為0，極大降低了鉆具螺紋斷裂的風險。

4　結論

（1）LET螺紋能夠有效的釋放后3扣的應力，降低螺紋的疲勞速度，提高鉆具螺紋的使用可靠性；

（2）雙臺肩螺紋可以改善螺紋載荷的分布，并減少局部的應力集中［3］。

［1］楊龍.復雜深井鉆柱安全性研究［C］//第六屆全國石油鉆井院所長會議論文集.

［2］王新虎，馮耀榮，等.鉆具螺紋接頭牙載荷計算方法的探討［J］.石油機械，1998，26（8）：49-53.

［3］王文云，等.鉆鋌螺紋失效分析及解決措施［J］.石油礦場機械，2007，36（12）：45-48.

TE931

B

1004-5716（2016）08-0092-03

2015-08-21

2015-08-27

崔露（1984-），男（漢族），湖北天門人，工程師，現從事鉆井工藝方面的研究及現場服務工作。