防掉裝置失效案例和244mm螺桿直井段安全使用探討

劉彥青

摘要： 螺桿鉆具目前廣泛應用于鉆井作業的各個階段，有多種規格型號的系列工具滿足不同井型和鉆進目的，作為一種井下動力工具，螺桿不僅能減少井下鉆具的磨損，增加鉆頭的轉速和扭矩，與轉盤或頂驅同時使用還能大幅提高機械鉆速，顯著提高鉆井的經濟效益。除滿足定向井、水平井和開窗側鉆施工的需要外，目前還常常應用于直井段配合PDC鉆頭提速，本文由最近發生的一起244mm螺桿事故展開討論，對其使用過程中的注意事項進行分析和探討，以期達到安全提速增效的目的。

關鍵字：244mm螺桿事故防掉裝置失效直井段安全使用

1. 前言

本文通過對近期發生在17-1/2"井眼直井段的一起9-5/8"螺桿事故進行介紹和分析，來引出此種尺寸螺桿在安全使用方面的討論，希望能使相關方引起重視，廠家通過改進措施提高產品質量，顧客通過熟悉產品構造與工作特點來合理使用，避免或減少事故的發生，真正達到在安全的前提下提速增效的意圖。

2. 螺桿事故簡介

事故井上層20"套管下深115.5m，17-1/2"井眼在泥漿轉型順利完成后，于1522m起鉆換鉆頭時下入244mm直螺桿（用保護套替代本體438mm欠扶）準備鉆650m井段到設計中完井深，鉆具組合為：17-1/2"PDC×0.43m +9-5/8"螺桿×8.83m +9"浮閥×0.53m +9"鉆鋌×9.13m +17-3/8"扶正器×1.93m + 9"鉆鋌×8.91m +轉換接頭×0.92m +8"鉆鋌×62.9 m+8"震擊器×10.3 m +轉換接頭×0.93 m +5"加重鉆桿×139.71 m +轉換接頭×0.57 m + 5-1/2"鉆桿。

2018年4月13日15：00下鉆至井底建立循環，鉆進時參數：鉆壓50-100KN，頂驅轉速50-60rpm，排量3.8-4.0m3/min，泵壓19MPa，扭矩2-20Kn.m。泥漿性能：密度1.29g/cm3 ，粘度43s。

4月14日1：40鉆進至井深1539.67m時瞬時扭矩劇增，頂驅蹩停，繼而壓力級別設置為27MPa的保險凡爾憋開，動力機組停機，井場停電。

動力恢復后，上提鉆具重新開泵，3.5m3/min排量泵壓約14MPa，幾乎沒有扭矩，鉆時慢。檢修泥漿泵后嘗試不同鉆壓，基本無扭矩，鉆進至1544米時，由于機械鉆速異常，8：45決定起鉆檢查鉆頭，井下循環時間為17.86小時，純鉆7.94小時。

起鉆正常無阻卡顯示，起出螺桿發現只有定子部分出井，外筒從定子下端連接螺紋處開扣，轉子連同下部螺桿及鉆頭落井，落魚為鉆頭0.43m+螺桿下部3.48m+轉子部分約5.22m，長約9.13m。下圖1為防掉接頭出井情況，圖2為定子部分和上部防掉接頭平躺在井場，圖3為定子底部脫扣端照片。

螺桿防掉裝置未起作用，而且沒有在卸開的接頭內發現防掉桿及防掉螺母和擋板，圖4為入井前拍攝的防掉接頭內部情況，圖5為防掉螺母與擋板，圖6為防掉裝置的示意圖。

3. 事故處理過程

經三次打撈未果，因現場無合適打撈工具且為了通井，第一次下入起出來的螺桿定子，第二次為13-3/8"套管自制的撈筒，第三次為改制的更大尺寸類壁鉤工具，根據第二次打撈作業時的下入深度和起出工具上的痕跡并結合錄井資料，確認事故井深實際為1539.67m，類壁鉤工具入井打撈過程中扭矩大，擔心變形后難以起出上層套管，為避免事故復雜化，決定打水泥塞側鉆。

修塞后4月20日10：00于1360m下入2.5°彎接頭配合244mm直螺桿側鉆至1376m起鉆、換1.5°單彎螺桿配406mm欠尺寸扶正器于4月26日5：00鉆至井深1546m，17：00起鉆至井口，換常規鐘擺鉆具組合。

4. 事故原因分析

4.1 螺桿鉆具結構原理

螺桿鉆具通常是一種把液體壓力能轉換為機械能的容積式井下動力工具。由鉆井泵將鉆井液泵入鉆具水眼流經馬達總成時，轉子在壓力鉆井液的驅動下繞定子軸線旋轉，馬達產生的扭矩和轉速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而實現鉆井作業。

螺桿鉆具馬達總成的性能參數是其主要性能參數，輸出扭矩與馬達壓降成正比，輸出轉數與輸入鉆井液流量成正比，隨負荷的增加，螺桿輸出轉數降低很少，通過控制地面上的壓力表讀數和鉆井泵的排量就控制住了井下螺桿的扭矩和轉速。

螺桿鉆具工作時的實際輸出扭矩，取決于鉆壓的大小。鉆進中，螺桿鉆具帶動鉆頭做順時針旋轉的同時，在鉆具的殼體上產生反扭矩，反扭矩的大小為輸出扭矩與摩擦損失扭矩之和，反扭矩通過螺桿鉆具殼體傳遞到鉆柱上，從而引起螺桿鉆具馬達以上部分連接螺紋的緊扣，馬達以下部分連接螺紋的松扣。

4.2 防掉總成結構原理

防掉總成的作用是當異常原因造成螺桿鉆具殼體斷裂或脫扣時防止落井并同時使泵壓升高以便操作人員及時發現問題避免造成事故。起出的防掉接頭頸部有明顯的一圈凹槽.，而正常使用后的接頭此處應該沒有任何磨損.

4.3 事故原因分析推論

由于落魚未被成功打撈，只能借助于錄井相關資料進行分析并得出以下推論供參考。錄井曲線的組成主要由數值被五等分的兩大部分及右側的時間記錄、最后一欄為井深記錄和平均鉆時0-50min/m的曲線。第一部分綠色線表示扭矩值、藍色線為大鉤位置、黑色線為大鉤載荷、紅色線為鉆壓值，數值代表鉆頭位置；第二部分橘黃色線為泵排量、紅色線為泵壓、黑色線代表出口流量百分比，其余三條表示三臺泵的泵沖。

4.3.1 地層巖性變化導致鉆進扭矩變化幅度大

從下面相對應的數據及曲線截圖可以看到，從1525.1m至1526.1m鉆進的17分鐘內，扭矩有5次接近設置的20Kn.m上限，最低1-2Kn.m，變化幅度大且頻繁，可能造成早期定子下端連接扣松動。

4.3.2 鉆進過程中泵壓波動給異常情況判斷帶來干擾

下面這張截圖是13日16：45-17：35的鉆進記錄，從中可以看出三臺泵泵沖不變條件下，50分鐘內泵壓波動六次且最大達500-600psi，3號泵停開一次。

第二張截圖記錄時間段是20：35-21：15，從中可以看出在泵沖不變、排量穩定的前提下，泥巖段因可鉆性差，隨鉆壓（最左側紅線）增加泵壓反而逐漸降低，期間泵壓也有較大幅度波動，且停開泵一次來改善鉆井泵上水狀況。

4.3.3 操作不規范導致錯過復雜情況被發現的時機

由于操作人員水平有限，采取措施不當，長時間的井下情況不正常沒有得到足夠重視，認為工具入井時間短、不應該有問題，從下面對應的數據和曲線截圖可以看到，從23：45到14日0：55這段時間內，泵壓變化達700psi有三次，可操作上卻從開始停開泵時上提鉆具0.5m左右逐漸變成了鉆具不提離井底，失去了早期防掉裝置起作用的最佳時間段。

5. 結論

5.1 優選適合區塊鉆井需求的螺桿鉆具是正常生產的安全基礎；

5.2 掌握工具結構原理并按規程操作是減少事故發生的技術保障；

5.3 合理判斷異常情況原因并及時采取正確措施是事故的防范手段；

5.4 廠家根據現場使用反饋信息做技術改進是實現雙贏的必要途徑。

參考文獻

[1] 螺桿鉆具使用說明書. 渤海裝備中成機械制造分公司/立林石油機械有限公司