黃 兵，古光平，張 懿，楊 林，王顯林，文蘇蘇

1中國石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司2渤海石油裝備制造有限公司渤海能克鉆桿有限公司

0 引言

隨著全球油氣需求量的增加，國內(nèi)各大油田在起下鉆作業(yè)過程中，采用雙吊卡或者手提式鉆桿卡瓦的作業(yè)方式已無法滿足石油鉆井提速的要求。由于氣動鉆桿卡瓦具有安裝和操作方便、氣動升降、自動化程度高、能夠降低工人勞動強(qiáng)度及大幅提高起下鉆速度的優(yōu)點(diǎn)，因此，國內(nèi)各大鉆探公司均開始推廣使用氣動鉆桿卡瓦［1-2］。然而，氣動鉆桿卡瓦的使用雖然能夠提高鉆井效率、保證鉆井安全，但仍存在鉆桿管體被擠毀的情況，本文主要針對一起使用氣動鉆桿卡瓦時鉆桿被擠毀的失效事故進(jìn)行原因分析，找出導(dǎo)致鉆桿管體被擠毀變形的主要因素，制定應(yīng)對措施。

1 鉆桿管體發(fā)生擠毀變形的工況

某井在起下鉆作業(yè)過程中，發(fā)現(xiàn)井口段?139.7 mm規(guī)格鉆桿變形（該批鉆桿為全新鉆桿并抽檢合格）。該井在鉆進(jìn)至井深5 947.43 m時，循環(huán)鉆井液，進(jìn)行短程起下鉆，井段5 512.05～5 947.43 m；短起時，第一柱與第二柱鉆桿之間緊扣，使用DB型吊鉗卸扣兩次卸掉，第二柱鉆桿為座卡鉆具，緊、卸扣過程均使用側(cè)開式氣動鉆桿卡瓦。第一次卸扣時，鉆柱被拉彎，第二次卸扣順利釋放扭矩。起出后發(fā)現(xiàn)第二柱單根坐卡位置出現(xiàn)變形，隨后起出三柱鉆桿均發(fā)現(xiàn)坐卡位置有嚴(yán)重變形，后改用雙吊卡起下鉆，逐根檢查鉆桿情況，共倒換出嚴(yán)重變形鉆桿3根，輕微變形鉆具6根。

擠毀變形鉆桿為?139.7 m S135鋼級鉆桿，壁厚為9.17 mm。鉆桿變形位置管體截面呈水滴狀（圖1），對其中3根嚴(yán)重變形的鉆桿外型尺寸進(jìn)行測量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 變形管體截面形狀示意圖

表1 變形鉆桿管體外型尺寸測量數(shù)據(jù)

2 鉆桿管體抗擠毀能力理論分析

2.1 氣動鉆桿卡瓦工作原理

鉆桿管體擠毀變形的鉆井平臺采用的是側(cè)開三片式氣動卡瓦，氣動卡瓦安裝在平臺上方補(bǔ)芯的一側(cè)（圖2）。工作時，氣動鉆桿卡瓦的氣缸推動卡瓦體沿卡瓦座從一側(cè)下行，卡瓦體推動井口的鉆桿柱向中心位置收攏，卡瓦體繼續(xù)下行，卡瓦牙板咬入管體表面。氣動鉆桿卡瓦的氣缸運(yùn)動動作由司鉆通過操作臺直接控制［3-5］。

圖2 現(xiàn)場側(cè)開三片式氣動鉆桿卡瓦

2.2 鉆桿管體抗擠毀能力校核

由于GB/T 24956—2010國家標(biāo)準(zhǔn)中鉆桿擠毀壓力計算公式以某個D/t（外徑/壁厚比值）的范圍為基礎(chǔ)，而此次被擠毀鉆桿的外徑為139.7 mm，壁厚為9.17 mm，該鉆桿D/t值為15.23，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)推薦使用塑性區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的最小擠毀壓力公式［6］：

式中：Ym—材料服強(qiáng)度，MPa。

擠毀變形鉆桿規(guī)格為?139.7 mm，D/t比值為15.23，鋼級S135。根據(jù)表2，將查詢各系數(shù)值帶入公式（1），可得到該規(guī)格鉆桿理論最小擠毀壓力為87.42 MPa，即當(dāng)管體表面壓力≥87.42 MPa時，則存在鉆桿管體被擠毀的風(fēng)險。

表2 不同鉆桿的的D/t范圍及各系數(shù)值

2.3 氣動卡瓦夾持鉆桿管體徑向受力情況分析

當(dāng)氣動卡瓦完全抱緊鉆桿管體的過程中，管體受力情況如圖3所示。

圖3 氣動卡瓦夾持鉆桿管體受力示意圖

氣動卡瓦工作時，卡瓦與夾持的鉆桿柱形成的系統(tǒng)是處于一個受力的平衡狀態(tài)［7-8］，氣動卡瓦在坐標(biāo)軸上x和y方向上的合力為零，即：

其中：

式中：μ—補(bǔ)芯斜錐面與氣動卡瓦體背錐面之間的摩擦系數(shù)，由于鋼與鋼之間接觸無潤滑狀態(tài)時摩擦系數(shù)為0.15，有潤滑狀態(tài)時摩擦系數(shù)為0.1～0.12，井口操作人員在使用氣動卡瓦時通常會在卡瓦斜面上涂抹少量護(hù)絲油進(jìn)行潤滑，因此，此處μ取鋼—鋼接觸有潤滑狀態(tài)時的最大摩擦系數(shù)0.12進(jìn)行校核。

聯(lián)立方程組（2）和方程（3）可得到：

式中：Q—鉆桿管體所受徑向力，N；p—單片卡瓦體所承受鉆桿的載荷，N；G—?dú)鈩涌ㄍ唧w背錐面所受支反力，N；F—?dú)鈩涌ㄍ弑冲F面所受摩擦力，N；α—?dú)鈩涌ㄍ弑冲F斜角，錐度為1∶3。

根據(jù)起下鉆錄井曲線可知，該井校準(zhǔn)基重24 t，井底懸重222 t，最大坐卡重量198 t。根據(jù)上述公式計算，當(dāng)井底懸掛最大懸重時，氣動卡瓦正常抱緊鉆桿，鉆桿管體所受卡瓦徑向力Q為8 475 kN。經(jīng)現(xiàn)場測量，單塊卡瓦牙板長70 mm，寬26 mm，實(shí)際接觸弧長26.15 mm，整個卡瓦共54塊牙板。若氣動卡瓦正常抱緊鉆桿管體時有效夾持面積為0.098 8 m2，管體單位面積承受壓強(qiáng)為85.74 MPa，小于管體抗擠毀強(qiáng)度87.42 MPa，即理論上正常使用氣動卡瓦抱緊198 t懸重鉆柱時不會將管體擠毀變形。

3 鉆桿管體抗擠變形原因分析

通過現(xiàn)場尺寸測量及擠毀變形形貌觀察，管體受損部位截面呈水滴狀，由此可知管體被卡瓦夾持時受力不均，“水滴”尖端兩側(cè)受壓力過大導(dǎo)致夾緊變形，短起第一柱卸扣時鉆柱被拉彎，是鉆柱離開支撐面導(dǎo)致受力不均勻的主要原因［9-10］。

3.1 鉆具輕微變形原因（鉆桿動力鉗卸扣）

氣動卡瓦在正常的卡持位置時，管體、卡瓦和補(bǔ)芯應(yīng)同心；當(dāng)鉆桿管體中心位置發(fā)生偏移時，卡瓦與管體接觸面發(fā)生變化，出現(xiàn)夾偏現(xiàn)象（圖4），氣動卡瓦臨近兩列卡瓦牙咬入管體。管體、氣動卡瓦兩者不同心的情況下，鉆柱懸重施加下拉力，假如僅由咬入管體的兩列板牙對管體產(chǎn)生徑向力，徑向力達(dá)到6 633 kN，由于管體表面承載面積過小僅0.020 75 m2，局部壓強(qiáng)達(dá)到319.7 MPa，遠(yuǎn)超過管體抗擠毀強(qiáng)度87.42 MPa，導(dǎo)致管體產(chǎn)生變形。根據(jù)現(xiàn)象形貌顯示（圖5），實(shí)際咬痕形貌與上述推斷相符。

圖4 氣動鉆桿卡瓦夾偏示意圖

圖5 擠毀變形鉆桿表面板牙咬痕形貌圖

3.2 鉆具嚴(yán)重變形原因（DB吊鉗卸扣）

氣動鉆桿卡瓦卡持過程中受力不均勻，是造成鉆桿變形的直接原因，而導(dǎo)致受力不均勻的主要原因?yàn)榫诙毋@桿卸扣時，在坐卡的情況下，鉆柱同時受到DB吊鉗卸扣時產(chǎn)生的回向力，相當(dāng)于在鉆柱一側(cè)再施加一個橫向力作用，增加了單側(cè)卡瓦牙板所承受的壓強(qiáng)，最終超過鉆具抗外擠強(qiáng)度，造成鉆桿嚴(yán)重變形。此外，通過調(diào)查，實(shí)測井口偏移度為25 mm，超過川慶鉆探公司的《氣動卡瓦使用管理規(guī)定》中要求的≤20 mm的要求，未能確保鉆桿座卡的平穩(wěn)且居中，也是導(dǎo)致受力不均勻的間接原因。

3.3 氣動鉆桿卡瓦推薦值偏高

在現(xiàn)場了解過程中，鉆井隊得到的氣動鉆桿卡瓦推薦該型鉆桿的最大起下鉆噸位為230 t，而從公式（1）～（4）可以看出最大起下鉆噸位與摩擦系數(shù)、外徑/壁厚比值等因素的取值相關(guān)，不同的取值計算結(jié)果不一樣，如考慮安全因素保守取值，則最大起下鉆噸位為230 t偏高。

4 應(yīng)對措施

考慮實(shí)測起下鉆鉆具井口偏移度部分超過川慶鉆探公司的《氣動卡瓦使用管理規(guī)定》中要求的≤20 mm的要求、鉆具卸扣過程中受力不均等因數(shù)，取安全系數(shù)0.9，氣動鉆桿卡瓦推薦該型鉆桿的最大起下鉆噸位為180 t，在川東鉆探公司后續(xù)井氣動卡瓦使用過程未出現(xiàn)過鉆桿夾持部分變形。

5 結(jié)論與建議

（1）氣動鉆桿卡瓦最大座卡重量應(yīng)考慮設(shè)備安裝質(zhì)量、鉆具新舊程度及足夠的安全系數(shù)。

（2）加強(qiáng)氣動卡瓦的日常檢查和維護(hù)，確保鉆桿坐卡的平穩(wěn)且居中，確保每塊板牙均與鉆具接觸，必要時及時校正井口，有問題時應(yīng)消除后再使用，保證安全運(yùn)行。

（3）堅持動力鉗卸扣，卸不開扣時及時采用吊卡坐卡后用DB吊鉗卸扣。

（4）在坐卡噸位較高時及時轉(zhuǎn)換為用吊卡起下鉆，確保安全使用鉆具。