一起南美頂驅(qū)故障簡析川渝頂驅(qū)淺井應(yīng)用

楊先國, 肖 堯, 肖惠玲, 肖 軍

（1.中石化西南工程有限公司湖南鉆井分公司, 湖南長沙 410005；2.湖南省有色地質(zhì)勘查局二一四隊(duì), 湖南株洲 412007）

2019年1月10 日石化油服國工所屬的一臺鉆機(jī)在進(jìn)行下套管過程中發(fā)生一起頂驅(qū)中心管上推造成頂驅(qū)損壞故障。筆者因?yàn)楣ぷ麝P(guān)系參與了該事件的調(diào)查處理過程。2019年底因?yàn)楣ぷ麝P(guān)系筆者調(diào)回國內(nèi), 發(fā)現(xiàn)國內(nèi)在一些重點(diǎn)井也開始使用頂驅(qū)。但由于對于頂驅(qū)的情況缺乏了解, 出現(xiàn)了一些不當(dāng)?shù)氖褂? 并先后引發(fā)了一些設(shè)備故障。這里筆者結(jié)合自己的經(jīng)歷做一下對比分析, 供同行參考。

1 南美頂驅(qū)故障簡介

2019年1 月, 我項(xiàng)目鉆機(jī)作業(yè)的南美國家一口井一開下13-3/8″套管；井深：6060.05ft；下套管深度：4440ft。下套管過程中有些遇阻, 現(xiàn)場接頂驅(qū)循環(huán)時頂驅(qū)中心管上竄, 漏油漏泥漿。經(jīng)頂驅(qū)工程師檢查發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)主軸已經(jīng)上竄, 鐘型罩變形、鵝頸管脫落、電磁閥損壞多個、潤滑油泵損壞、風(fēng)機(jī)風(fēng)道損壞、齒輪盤變形、頂驅(qū)主軸承載環(huán)處漏齒輪油嚴(yán)重。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是因?yàn)橄绿坠苎h(huán)中頂驅(qū)中心管受到向上的推力（參見圖1）, 超過了頂驅(qū)中心管驅(qū)動齒輪軸承壓蓋連接（12根M15小螺栓, 廠家建議額定載荷25t）額定載荷, 造成頂驅(qū)損壞（參見圖2）[1]。

圖2 頂驅(qū)損壞示意圖

如圖1所示, 當(dāng)時套管隊(duì)是使用了倒裝的試壓皮碗插在套管內(nèi)進(jìn)行循環(huán), 該方案在該國一直使用也沒有出現(xiàn)過任何異常。直到此次事件, 我通過計算試壓皮碗上的上推力, 926PSI的循環(huán)壓力作用于試壓皮碗下端面, 產(chǎn)生了52.63t的上推力, 明顯高于廠家建議的上推額定載荷。

圖1 頂驅(qū)下套管循環(huán)示意圖

2 國內(nèi)頂驅(qū)在淺井段使用情況

筆者在國內(nèi)新疆工區(qū)連續(xù)工作有12年之久, 2009年因?yàn)楣ぷ麝P(guān)系調(diào)離新疆工區(qū)的時候, 當(dāng)時我所在的項(xiàng)目六臺鉆機(jī)沒有一臺配套頂驅(qū)。2019年重新回到國內(nèi)工區(qū)的時候, 我們在川渝項(xiàng)目的四臺鉆機(jī)已全部配套使用了頂驅(qū), 在新疆的幾臺鉆機(jī)也部分使用了頂驅(qū)。由于部分頂驅(qū)采用租賃使用的方式, 作為鉆井施工主體單位的井隊(duì)往往對頂驅(qū)的情況了解不多, 因此造成了一些作業(yè)低效率的施工過程, 這里做一些簡單對比分析。

由于涉及到部分其他單位的資料, 這里的井號均以數(shù)字標(biāo)識。

2.1 潼南合川的情況對比

從圖3中我們可以清晰地看出三口井進(jìn)度區(qū)別很大。由于我們關(guān)注的重點(diǎn)在于頂驅(qū)的使用, 因此我們主要將關(guān)注點(diǎn)放在與頂驅(qū)有關(guān)的操作方面, 即鉆進(jìn)與設(shè)備維修。圖4即為三口井的一開特種作業(yè)時間進(jìn)度對比圖[2-4]。

圖3 一開進(jìn)度對比圖

圖4 一開特種作業(yè)進(jìn)度對比圖

經(jīng)對比我們不難看出, 3#井在一開鉆進(jìn)進(jìn)度方面明顯快于其他兩口井；但3#井在一開特種作業(yè)開始期間（即完成測井的工作時間長）的進(jìn)度則明顯低于另外兩口井。為了進(jìn)一步明確3#井一開特種作業(yè)前期的工作內(nèi)容, 我們通過調(diào)閱其生產(chǎn)日志, 并結(jié)合現(xiàn)場施工人員溝通了解, 該井施工井隊(duì)在一開完成鉆進(jìn)后好甩出頂驅(qū)送修。我們沒有收集到這三個井隊(duì)一開的鉆時曲線, 但我們也可以通過三口井一開施工方案及作業(yè)進(jìn)度情況了解一下其中的原因。見表1。

表1 潼南合川地區(qū)導(dǎo)管與一開施工方案對比

對比施工方案, 我們看到作業(yè)參數(shù)方面3#井泵壓明顯高于另外兩口井, 鉆具組合上也均使用了螺桿和水力加壓器, 開鉆鉆壓與1#井相當(dāng)而高于2#井。其它的區(qū)別并不明顯, 結(jié)果是機(jī)械鉆速高出另外兩口井一倍以上。結(jié)合南美頂驅(qū)損壞的情況, 我們可以肯定的是3#井鉆井參數(shù)偏高直接造成了頂驅(qū)的損壞, 具體各井隊(duì)的頂驅(qū)工況差異情況我們不得而知。

針對這個區(qū)塊的這幾口井的情況, 我了解到的是表層地層硬度偏硬, 鉆頭齒吃入后切削需要的鉆壓偏高, 如果吃入后無法順利完成切削勢必造成鉆具垂直跳動對頂驅(qū)形成向上的沖擊力, 正如南美頂驅(qū)事故原理一樣, 對中心管以上的設(shè)備形成沖擊損壞。但在隨后的現(xiàn)場工作中, 通過另一個區(qū)塊井的一開現(xiàn)場施工, 讓我對該觀點(diǎn)有了一些新的認(rèn)識。

2.2 威頁永頁的情況對比

由于多方面原因, 我項(xiàng)目施工的上述1#、2#井開鉆我均不在現(xiàn)場, 對其分析只能通過相關(guān)數(shù)據(jù)整理分析。而威頁第二輪井開鉆的時候, 我正好在項(xiàng)目上出差, 因此可以準(zhǔn)確了解實(shí)際操作及轉(zhuǎn)盤面的反應(yīng)情況。

通過本輪威頁1#井及2#井實(shí)鉆（兩口井在出導(dǎo)管后的部分井段鉆進(jìn)時我均在鉆臺上）, 結(jié)合永頁一口井實(shí)鉆情況反饋, 基本可以確定這樣的情況：

（1）軟地層鉆進(jìn)過程中的鉆具震動主要是側(cè)向擺動/晃動, 沒有或極少與鉆具方向一致的垂直振動。

（2）威頁1#井50～70m井段鉆進(jìn)過程中明顯側(cè)向擺動明顯（鉆壓超過2t的情況下, 無明顯鉆壓時也沒有明顯擺動）, 排量提到57L左右（160mm/170mm缸套各一臺泵單泵95沖左右共計190沖左右, 150沖左右擺動明顯）后擺動基本消失；而威頁2#井雙泵170mm缸套共150沖左右也沒有明顯擺動。

2.3 相比威頁2#井, 威頁1#井排量高而泵壓低, 原因在鉆頭水眼和螺桿鉆具上

威頁1#井PDC鉆頭使用16mm×6+18mm水眼組合, 螺桿鉆具使用立林5LZ244螺桿；威頁2#井PDC鉆頭使用12.7mm×7水眼組合, 螺桿鉆具使用德州5LZ244螺桿。

通過本輪在威頁駐井, 個人認(rèn)為鉆具擺動等不規(guī)則運(yùn)動造成主要原因是因?yàn)槁輻U鉆具輸出無法滿足鉆頭鉆進(jìn)切削要求造成的。建議軟地層一開前期鉆進(jìn)（井深低于100m）, 包括導(dǎo)管施工如果使用螺桿鉆具必須保證螺桿的正常功率輸出, 如果發(fā)現(xiàn)鉆臺面上鉆具擺動明顯影響加鉆壓, 可以通過提高排量解決。另外鉆頭水眼的選用和螺桿廠家及螺桿鉆具新舊的選擇, 也是避免鉆具擺動提高鉆速必須考慮的因素。

最終三口井一開前期鉆時基本上控制在3min以內(nèi), 沒有出現(xiàn)高鉆時。

3 結(jié)論

結(jié)合上面兩個地區(qū)的一開施工情況對比, 參照南美頂驅(qū)事故, 我們可以得出如下結(jié)論：

（1）一開鉆進(jìn)前期可以考慮使用螺桿, 沒有螺桿鉆具提高鉆頭轉(zhuǎn)速, 可能會因?yàn)轫旘?qū)轉(zhuǎn)動速度與鉆頭受力產(chǎn)生沖擊跳動同頻共振造成頂驅(qū)等設(shè)備損壞, 這在威頁永頁地表軟地層是可以確定的。

（2）軟地層需要確保螺桿正常功率輸出, 否則可能造成螺桿脈動輸出造成鉆具徑向振動（擺動）影響鉆壓加到鉆頭上, 同時容易損壞頂驅(qū)等設(shè)備。如果發(fā)現(xiàn)鉆具跳動明顯, 可以考慮提高排量或者更換螺桿。

（3）軟地層鉆進(jìn)前期作業(yè)效率與鉆鋌重量關(guān)系不明顯, 威頁地區(qū)一開前期4t左右的鉆壓就可以實(shí)現(xiàn)鉆時不超過2min/m的鉆速。

（4）關(guān)于硬地層導(dǎo)管與一開前期施工鉆具振動避免與鉆井效率提升, 還需要進(jìn)一步確認(rèn)鉆具組合、鉆頭選型與鉆井參數(shù)優(yōu)化情況, 當(dāng)然前提是需要消減螺桿鉆具造成的徑向振動（擺動）。必要的情況下可以考慮一開前期或者一開使用方鉆桿鉆進(jìn), 避免因?yàn)殂@具振動等造成頂驅(qū)的損傷。

（5）硬地層淺層鉆進(jìn), 大尺寸鉆鋌及鉆具總重量的提升, 可以作為一個減輕振動和提速提效的一個方向, 該方向及是否合適使用水力加壓器等工具均有待進(jìn)一步分析評判, 尤其是對頂驅(qū)設(shè)備的影響情況。

（6）近期, 石油化油服又通報了一起頂驅(qū)導(dǎo)軌斷裂下砸造成人身傷亡事故, 也說明了目前國內(nèi)行業(yè)整體對其使用管理有盲區(qū), 需要引起行業(yè)重視。