?101.6 mm煤層氣鉆井專用鉆桿研制與應用

陳長青，王顯林，李毅平，張德旺，王青林，張曉慧，李德偉

(1．渤海石油裝備制造有限公司 渤海能克鉆桿公司，河北 青縣062658； 2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002； 3．渤海石油裝備制造有限公司 防腐分公司，河北 青縣062658；4.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457)①

?101.6 mm煤層氣鉆井專用鉆桿研制與應用

陳長青1，王顯林1，李毅平2，張德旺1，王青林1，張曉慧3，李德偉4

(1．渤海石油裝備制造有限公司 渤海能克鉆桿公司，河北 青縣062658； 2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002； 3．渤海石油裝備制造有限公司 防腐分公司，河北 青縣062658；4.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457)①

針對煤層氣鉆井井眼小、曲率大、煤層松散的特點，提出煤層氣鉆井專用鉆桿的設計思路。通過減小接頭外徑、采用接頭與管體等徑設計，增大了井眼環空間隙，提升了煤層鉆井顆粒的攜帶能力，提高了井壁穩定性；通過1∶16的錐度設計、非對稱牙型角設計、減小螺紋牙高、增大螺紋牙根圓角半徑、在雙臺肩結構基礎上增加公接頭大端長度，降低了螺紋應力集中，研制出?101.6 mm高抗扭、高抗疲勞的煤層氣鉆井專用鉆桿。在鄭試1平-5H井使用效果良好，在定向造斜和水平鉆井過程中均表現優良的使用性能。

煤層氣；鉆桿；等徑；接頭

我國煤層氣資源豐富，位居世界第三[1]。目前，煤層氣的開采一般有2種方式：一是井下瓦斯抽放系統抽出；二是地面鉆井開采[2]。隨著煤層氣開采技術的發展，煤層氣地面鉆井開采方式得到進一步的應用。由于受熱源疊加變質和多期構造強烈改造的影響，我國的煤層氣儲層普遍表現為低儲層壓力、低滲透率和低飽和度的特征，推進了定向水平井技術在煤層氣開采領域的應用，從而對用于煤層氣開采的鉆桿提出了更高的要求。因此，開發煤層氣鉆井的專用鉆桿是適應生產需求、提高煤層松散段孔壁穩定性、減少卡鉆事故、降低經濟損失的有效方法。

1 等徑結構設計

煤層氣的地面開發主要包括地面垂直井和定向水平井技術[3]。針對我國煤層氣儲層低儲層壓力、低滲透率和低飽和度的特征，定向水平井技術成為提高煤層氣單井產量的重要手段。與常規油氣開采不同，煤層氣開采定向水平鉆進是在煤層中進行，然而煤層比較脆，而且存在著互相垂直的天然裂縫，在這種脆性地層中鉆進極易引起井下垮塌、卡鉆等復雜事故，甚至井眼報廢[4]。

圖1 煤層氣鉆井專用鉆桿結構

2 BHXT31型接頭設計

由于煤層埋藏比較淺，同時井眼的曲率較大，鉆桿在煤層氣開采過程中承受較大轉矩，因此鉆桿易發生疲勞破壞，導致井下事故[7]。接頭外徑減小至?101.6 mm(4英寸)，使用常規的API數字型螺紋，接頭抗扭強度為15.8 kN·m，與?101.6 mm(4英寸)管體抗扭比為0.36，不能滿足煤層氣開采對鉆桿抗扭強度的需求。因此，必須開發新型高抗扭、高抗疲勞接頭來滿足煤層氣鉆井專用鉆桿的性能要求。

2.1 特殊結構

2.1.1 螺紋錐度

目前，小規格油氣開發鉆桿普遍使用API數字型螺紋，錐度為1∶6。通過計算，相同規格的鉆桿接頭，減小螺紋錐度能夠有效增大基面節徑，由此提高緊扣轉矩。由于基面節徑增大，接頭內徑也可相應增大，有利于降低壓耗，因此，BHXT31型接頭將螺紋錐度設計為1∶16，提高接頭的抗扭能力。

2.1.2 特殊雙臺肩結構

首先，在公螺紋小端和內螺紋端各增加1個副臺肩，當接頭初步上緊時，主臺肩接觸，進一步上緊螺紋時，副臺肩接觸并發生彈性變形。此時，主臺肩提供密封和承受較大轉矩，副臺肩承受部分轉矩，使雙臺肩接頭能夠承受更高的抗扭強度。其次，在雙臺肩結構基礎上，增加公接頭大端長度，并且公母螺紋均設計有延長段，類似彈簧效應，對加工公差敏感降低，在使用過程中變形相容性較好，能夠在鉆桿彎曲時明顯降低公螺紋最末端完全扣處的應力水平和應力集中，在相同彎矩下，大幅提升鉆桿的疲勞壽命[8]。

經計算，BHXT31型接頭抗扭強度達到26.3 kN·m，與?101.6 mm(4英寸)管體抗扭比為0.6，滿足煤層氣開采對鉆桿抗扭強度的需求。接頭結構如圖2所示。

圖2 BHXT31型接頭結構

2.2 螺紋牙型

由于API接頭螺紋采用半錐角為30°的對稱設計，鉆桿在使用過程中，最末尾處螺紋牙根的應力集中、缺口效應嚴重，減應力槽不能從根本上解決疲勞或脆性斷裂問題。要減少螺紋的疲勞斷裂，必須大幅降低缺口(螺紋)疲勞敏感系數。計算公式為：

(1)

(2)

通過式(2)可以看出，降低螺紋扣根疲勞敏感性的途徑可以通過減小螺紋牙高和增大扣根圓角半徑來實現。除此之外，將螺紋牙型角設計為非對稱結構，螺紋兩側形成承載面和導向面，當鉆桿受載時，螺紋應力集中點由螺紋根部向承載面轉移，延長螺紋使用壽命[9]。因此，通過采用非對稱牙型角設計、減小螺紋牙高、增大扣根圓角半徑，設計出高抗疲勞的BHXT31型特殊螺紋牙型，具體螺紋設計參數如表1所示。

表1 API數字型與BHXT31型螺紋設計參數對比

2.3 高性能材料

由于接頭外徑減小比例較大，為保證接頭具有足夠的抗拉、抗扭能力，要求接頭材料強度必須達到933 MPa(135 ksi)級，常規829 MPa(120 ksi)級接頭材料已無法滿足要求，因此必須開發高性能接頭材料。通過化學元素的調整，經理論設計和多次試驗，確定BHXT31型接頭材料化學成分如表2所示。

表2 BHXT31型接頭化學成分 wB%

通過熱處理工藝優化，BHXT31型接頭材料屈服強度為940 MPa(136 ksi)，抗拉強度為1 010 MPa(147 ksi)，屈強比為0.93，斷面收縮率為59.5%，斷后延伸率為19.7%，如圖3所示。應力應變曲線屈服點與Rp0.2規定非比例延伸屈服強度之間有明顯屈服平臺。-20℃條件下，接頭橫向沖擊功平均值為105 J，最大力平均值為28 kN，起裂功平均值為34 J，裂紋擴展功平均值為71 J，能夠有效阻止前期裂紋擴展，延長接頭使用壽命。

圖3 應力-應變關系曲線

3 現場應用

為驗證?101.6 mm(4英寸)煤層氣鉆井專用鉆桿在多分支水平井施工中的使用效果，將首批煤層氣鉆井專用鉆桿應用于鄭試1平-5H井進行試驗。鄭試1平-5H井是華北油田公司在山西煤層氣項目所部署的第三口科學實驗井，位于山西省沁水縣端氏鎮，構造位置為沁水盆地南部晉城斜坡鄭莊區塊。該井結合多分支井與“U”型井的特點，是迄今為止施工工藝最復雜、技術含量最高的一口井[10]。

由于煤層氣鉆井專用鉆桿特殊的結構設計，接頭與管體外徑尺寸一致，與分支及脈支井所使用的API普通油氣鉆桿對比，接頭外徑由普通油氣鉆桿的?127mm(5英寸)減至?101.6 mm(4英寸)，井眼環空面積增大，環空流速放緩，減小了對儀器及環空井壁的沖刷，提高了煤層松散段孔壁穩定性，成功避免由于煤層垮塌導致的卡鉆等復雜事故的發生。接頭采用特殊的高抗扭、高抗疲勞螺紋結構設計，保證煤層氣鉆井專用鉆桿在較小接頭外徑的情況下具有足夠的抗扭能力。通過分支井及脈支井的使用驗證，煤層氣鉆井專用鉆桿在定向造斜和水平鉆井過程中均體表現優良的使用性能，完井后鉆桿表面及螺紋均無損傷，如圖5～6所示。

圖4 使用后鉆桿表面無損傷形貌

圖5 使用后螺紋無損傷形貌

4 結論

1) 煤層氣鉆井專用鉆桿通過特殊的結構設計，采用接頭與管體等外徑形式，能夠增大煤層氣鉆井環空間隙，提升煤屑攜帶能力，提高煤層松散段孔壁穩定性，有效減少卡鉆事故，直接降低經濟損失。

2) 煤層氣鉆井專用鉆桿采用BHXT31型接頭型式，通過1∶16的錐度設計，有效增大基面節徑，由此提高緊扣轉矩。通過采用非對稱牙型角設計、減小螺紋牙高、增大扣根圓角半徑、并且在雙臺肩結構基礎上，增加公接頭大端長度(公母螺紋均設計有延長段)，有效降低公螺紋最末端完全扣處的應力水平和應力集中，在相同彎矩下，大幅提升鉆桿的疲勞壽命。

3) 煤層氣鉆井專用鉆桿在鄭試1平-5H井分支及脈支井使用效果良好，在定向造斜和水平鉆井過程中均表現優良的使用性能。

[1] 接銘訓，葛曉丹，彭朝陽，等.中國煤層氣勘探開發工程技術進展與發展方向[J].天然氣工業，2011，31(12)：63-65.

[2] 郭大立，貢玉軍，李曙光，等.煤層氣排采工藝技術研究和展望[J].西南石油大學學報：自然科學版，2012，34(2)：91-98.

[3] 陳庭根，管志川.鉆井工程理論與技術[M].東營：中國石油大學出版社，2000.

[4] 安俊，劉豐，楊萬忠，等.結合CHW14井實例淺談水平井事故預防措施[J].中國高新技術企業，2010(33)：139-141.

[5] 饒孟余.煤層氣井排采技術分析[J].中國煤層氣，2010，7(1)：22-25.

[6] 祖峰.D2-19大位移定向井鉆井應用技術[J].西部探礦工程，2002(1)：67-69.

[7] 楊陸武.中國煤層氣水平井開發的理論與實踐[C]//煤層氣學術研討會論文集，2006.

[8] 朱亦鋼.一種隨機變化載荷的疲勞損傷累計方法[J].機械強度，2004，26(1)：20-25.

[9] 李 斌，楊智春，于哲峰.鉆柱接頭扣型改進設計的有限元分析[J].機械強度，2006，28(5)：28-30.

[10] 劉伯修.煤層氣井壓裂工藝及其對設備性能的要求[J].石油機械，2011，39(Z)：56-58.

Development and Application of 4” Special Drill Pipe for CBM Drilling

CHEN Changqing1，WANG Xianlin1，LI Yiping2，ZHANG Dewang1， WANG Qinglin1，ZHANG Xiaohui3，LI Dewei4

(1.BohaiNKKDrillPipeCompany，BohaiEquipmentManufacturing，Qingxian062658，China； 2.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China； 3.CoatingBranch，BohaiEquipmentManufacturingCo.，Ltd.，Qingxian062658，China； 4.BohaiEquipmentManufacturingCo.，Ltd.，Tianjin300457，China)

Since CBM drilling has the characteristics of small hole，big curvature，and loose coal seam，the design idea of CBM drilling special drill pipe was put forward.It enlarged borehole annular clearance，improved coal seam drilling particles carrying capacity，and improved the stability of borehole wall by reducing joint diameter，using the design of joint and pipe body with equal diameter.It reduced the thread of stress concentration，by using the design of 1∶16 taper，asymmetric tooth type angle，decreasing the height of thread，increasing the root radius，increasing the PIN cylinder length on the basis of structure of double shoulder.The CBM drilling special drill pipe was developed with high torque and high fatigue.The application results show that the CBM drilling special drill pipe was well used in Zheng 1 draw -5H well.It has great performance in the process of directional deflection and horizontal drilling.

coal bed methane (CBM)；drill pipe；equal diameter；joint

2016-09-30 作者簡介：陳長青(1973-)，男，河北武邑人，高級工程師，1997年畢業于中國石油大學(華東)，從事鉆桿及油套管的研發制造工作，E-mail：chenchangq@cnpc.com.cn。

1001-3482(2017)02-0074-04

TE931.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.017