大口徑深孔鉆具選用原則及建議

王振志，李艷麗，李曉暉

(石家莊探礦機械廠，河北石家莊 050081)

大口徑深孔鉆具選用原則及建議

王振志，李艷麗，李曉暉

(石家莊探礦機械廠，河北石家莊 050081)

為了適應深孔鉆探的需要，減少孔內事故的發生，闡述了深孔鉆具的選用原則，對鉆鋌、鉆桿、轉換接頭、方鉆桿的選用方法進行了具體介紹，并就經常遇到的鉆柱切口問題、臨界鉆壓和轉速問題提出了建議，為施工單位進行合理的鉆具選用和組合提供了參考。

深孔鉆具;鉆桿;鉆鋌;方鉆桿;轉換接頭

1 概述

隨著資源形勢的緊張，無論是水源地開發、地熱鉆探還是煤層氣開采，鉆孔均在向深部發展。在深孔鉆探中，孔內事故時有發生，其中70%～80%是鉆具事故。這些事故的發生又與鉆具選用緊密相關，本文旨在對直井深孔鉆探中的常用鉆具選用問題進行分析和探討。

所謂鉆具，是指方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、接頭、穩定器、減震器以及在特定鉆井條件下使用的其他井下工具的統稱，習慣上往往把方鉆桿、鉆桿、轉換接頭、鉆鋌稱為鉆具。在鉆井過程中，上述鉆具連接起來組成的井管串稱為鉆柱。鉆具組合應遵循以下原則:第一，簡單原則，鉆具結構應力求簡單、簡化，最大限度地減少螺紋、臺肩和切口數量，盡量選擇標準鉆具;第二，合理原則，首先選擇的鉆具規格要合理，用小規格能完成的，不選大規格的，以節約投資，降低消耗;第三，鉆具匹配要合理，整個鉆柱過渡平滑。

2 幾種鉆具的選用方法

2.1 鉆鋌的選用

2.1.1 鉆鋌直徑的確定

鉆鋌直徑決定著井眼的有效直徑，為了保證所鉆井眼能使套管或套銑筒的順利下入，鉆鋌中最下部一段的外徑不應小于允許最小外徑D允(D允=2×套管接箍外徑－鉆頭直徑)。如鉆頭直徑為222.2 mm，選用177.8 mm的套管，接箍外徑為194.5 mm，則D允=2×194.5－222.2=166.8 mm，可選用171.4或177.8 mm的鉆鋌，當鉆鋌柱中采用了穩定器時，可以選擇稍小直徑的鉆鋌。鉆鋌柱中選用的最大外徑應以保證在可能發生的打撈作業中能被套銑為前提，在上述222.2 mm的井中，可打撈和套銑“落魚”最大外徑為181 mm，即鉆鋌直徑不能超過181 mm，但在鉆鋌直徑的選擇上也不能一味求小，如果在大井眼中使用小鉆鋌，鉆鋌的彎曲度增加，應力增大，鉆鋌極易產生疲勞破壞。另外，還加劇了鉆鋌的橫向振動和扭轉振動，加大了鉆鋌發生刺穿、粘扣和脹扣破壞的可能性。在大于241.3 mm的井眼中，應采用復合鉆鋌結構，但相鄰兩段的外徑差不應過大，一般不超過25.4 mm。

2.1.2 鉆鋌根數的確定

由于鉆鋌擔負著給鉆頭加壓的作用，因此鉆鋌根數主要是根據設計的最大鉆壓確定，目前廣泛采用的是浮力系數法。由此計算出所需鉆鋌重力Wc，再折算成鉆鋌根數。

式中:Wc——所需鉆鋌重力，kN;Wm——設計最大鉆壓，kN;St——安全系數，一般取1.15～1.25; α——井斜角，(°);K——鉆井液浮力系數，K=1－(ραs);ρα鉆井液密度，g/cm;ρs鋼材密度，為7.85 g/cm3。

有的施工隊伍因擔心發生粘吸卡鉆而少用鉆鋌，此時鉆柱上拉壓均衡的中性點將上移，中性點以下部位的鉆桿就會增長，承受壓力后極易產生彎曲。由于鉆桿在工作中承受拉伸、壓縮、扭轉與彎曲交變應力的聯合作用，也非常容易產生疲勞破壞，而鉆桿管體兩端加厚部位受截面變化的影響是應力集中的位置，因此大多數鉆桿的破壞都發生在距接頭1.2 m的范圍內。一旦發生斷裂，施工隊往往會把查找問題的重點放在鉆桿上，其實是由于鉆鋌配置不當引發的受力問題所導致，所以鉆鋌的配置在施工中是鉆具匹配的關鍵問題之一，不容忽視。

2.1.3 鉆鋌內徑和螺紋的選擇

在API標準中，鉆鋌內徑和螺紋已經標準化了，除非特殊需要，不應選擇其他尺寸的內徑和螺紋，因為這里有一個平衡連接問題，即內外螺紋的彎曲強度比BSR=2.50時的連接，此時內外螺紋抗疲勞性大致相當，被認為是最安全的連接，根據鉆井條件，可接受的BSR范圍為3.20～1.90。

式中:BSR——彎曲強度比;ZB——內螺紋截面模量;ZP——外螺紋截面模量;D——內螺紋接頭外徑，mm;b——接頭內徑，mm;R——外螺紋端部處內螺紋根部直徑，mm;d——距外螺紋密封臺肩19.05 mm外螺紋根部直徑，mm。

由上式可以看出，內徑及螺紋參數的改變，均影響彎曲強度比的大小，千萬不能把鉆桿接頭的螺紋連接照搬到鉆鋌上。如有細扣鉆桿中121 mm接頭的連接螺紋為NC38、內徑為68 mm，而121 mm鉆鋌的標準螺紋為NC35、內徑為50.8 mm。如果把121 mm鉆鋌的螺紋改為NC38，經計算，其彎曲強度比為1.802，不能達到平衡連接效果，內螺紋抗疲勞性能偏小，容易造成內螺紋疲勞斷裂，同樣地，如果把鉆鋌內徑加大，則容易造成外螺紋的疲勞折斷。

2.1.4 鉆鋌應力釋放槽的選擇

API鉆鋌螺紋的主要缺點是內外螺紋長度不同，以NC50螺紋為例(見圖1)，外螺紋最大長度為

114.3mm，內螺紋最小長度為118 mm，兩螺紋連接后，內螺紋根部處形成突然減小的截面，出現較高的交變應力，而且非常集中，從而降低螺紋的強度。另外內螺紋根部暴露在泥漿中，受到泥漿的渦流沖擊和腐蝕，容易形成尖銳切口，加深應力集中而發生破壞，實際發生內螺紋斷裂的部位也都在此處。鉆鋌接頭外螺紋臺肩面幾乎支撐著所有的彎曲應力，最大彎曲應力發生在內螺紋接頭和外螺紋接頭的最后一道螺紋附近，斷裂也易從外螺紋接頭的最后一道螺紋發生。鑒于以上情況，筆者認為在螺紋的臺肩轉角處開應力釋放槽能夠有效緩解連接部位的應力集中，使密封面上的接觸壓力不再集中在公扣臺肩轉角處，而是比較均勻地分布在整個密封面上，增大了接觸面積，提高了螺紋的抗載荷能力(見圖2)。但這種鉆鋌也有其缺點，就是一旦出現螺紋損傷，很難進行二次修扣，所以如果在鉆進中容易出現螺紋損傷，比如在比較硬的巖層中，筆者不建議采用帶應力釋放槽的鉆鋌，如果認為有條件使用應力釋放槽時，一定要嚴格執行操作規范，使用合格絲扣油，對螺紋進行有效保護。

圖1 未帶應力釋放槽的NC50螺紋

圖2 帶應力釋放槽的NC50螺紋

2.1.5 關于螺旋鉆鋌

在普通圓鉆鋌外圓柱面上加工3條右旋的螺旋槽，以減少與井壁的接觸面積，即是螺旋鉆鋌。螺旋鉆鋌具有普通圓鉆鋌的作用，但又克服了圓鉆鋌的不足。不僅其質量比普通圓鉆鋌減輕4%，而且具有良好的防卡鉆作用。從粘附卡鉆力的計算式就可以看出螺旋鉆鋌防粘卡的作用。粘附卡鉆力的計算式為:

式中:F——卡鉆力;ΔP——壓差力;Ac——鉆具與井壁間的接觸面積;Ct——鉆具與泥餅間的摩擦系數。

顯然可見，減小Ac就可減小卡鉆力。由于螺旋鉆鋌表面加工有凹形螺旋槽，使Ac顯著減小，即鉆井時鉆鋌與井壁的接觸面積減小，保證泥漿在鉆鋌四周循環流動，有利于鉆鋌在各方向上靜壓力的平衡。這就是螺旋鉆鋌可以防止壓差粘附卡鉆的原理。

在定向鉆井中，因井眼有一定的傾斜角，再加上鉆具自身重力作用，鉆具形成壓差粘附卡鉆的可能性就更大。因此，在定向井使用螺旋鉆鋌，是防止壓差粘附卡鉆的一種好方法。另外，螺旋槽還有助于油浴解卡時油的滲透，萬一卡鉆，能盡快使事故得以解除。

2.2 鉆桿的選用

對于常規鉆探方法而言，鉆桿直徑可參照表1確定。

表1 常用鉆具的匹配

2.2.1 鉆桿鋼級的選擇

石油系統常用E75、G105和S135三種鋼級的鉆桿，地質、水利系統常使用R780鋼級作為E75鋼級鉆桿的替代品。在滿足提升強度要求條件下，應優先選用低鋼級的鉆桿。因為高鋼級的鉆桿只是靜強度高，但在實際鉆井施工中，其腐蝕疲勞強度并不比低鋼級鉆桿高，而且它對介質更敏感，腐蝕疲勞強度下降大，因此應引起施工人員的足夠注意。采用低鋼級鉆桿，不僅價格便宜，而且即使發生刺漏也不致立即斷裂，便于及時發現采取措施，減少鉆具事故發生。對于必須使用高鋼級的含腐蝕性介質鉆井中，建議使用內涂層鉆桿，以提高鉆桿使用壽命。

2.2.2 鉆桿接頭通孔問題

標準鉆桿接頭外螺紋對管體的扭屈比為0.9左右，這樣鉆桿連接成鉆柱后整體強度基本一致，沒有薄弱環節。因此，無論何種鋼級鉆桿，建議按標準訂制，考慮到特殊鉆探工藝需求時，應慎重確定。如使用G級127mm鉆桿進行煤層氣參數井鉆探時，為了滿足取心提升時間的要求，必須使用繩索取心鉆具，鉆桿通徑必須大于94 mm，此時外螺紋與管體的扭屈比為0.65，顯然外螺紋成了鉆柱上的“弱徑”，極易發生失效現象，如改為E級桿體，則扭屈比變為0.92，可以滿足使用要求。

2.2.3 母接頭吊卡臺肩問題

母接頭吊卡臺肩有18°和90°兩種，推薦選擇18°臺肩，特別是在進行定向鉆探時，這種臺肩根部應力集中系數遠小于90°臺肩根部應力集中系數，不易萌生裂紋，安全系數高。此時，相配合的吊卡型式必須隨之改變，切不可用90°臺肩吊卡改制。

2.2.4 外平鉆桿問題

圖3 反循環用外平鉆桿

由于接頭外徑與管體外徑相同，接頭螺紋只能按外徑設計成相應規格的NC31螺紋，接頭外螺紋對管體的扭屈比僅為0.27。因此，這類鉆桿不能傳遞大扭矩，不能用于牙輪鉆頭鉆探，只能用于空氣潛孔錘鉆進時起連接作用。

2.2.5 雙臺肩鉆桿接頭

所謂雙臺肩，是指鉆桿接頭有2個臺肩面，如圖4所示。當接頭初步擰緊時，其主臺肩接觸，而在公扣前端和母扣的次臺肩有一間隙。在上緊扣時，較長的公扣與相應的母扣發生彈性變形，使次臺肩相應接觸。像常規接頭那樣，主臺肩起密封作用，主臺肩、螺紋和次臺肩均承受扭矩。這種接頭的優點在于抗扭強度高，一般地，API雙臺肩螺紋抗扭強度比常規接頭的抗扭強度高30%左右。因此在施工中，可以根據工藝需要，在接頭外徑不變時增大內徑，減少壓力損失，節約泵功率;或者在內徑一定時降低外徑或鉆桿規格，從而降低孔內鉆柱重力以節省投資。這種接頭的不足是價格高于常規接頭，一般推薦在超深井或定向鉆進中使用。

圖4 雙臺肩連接示意圖

2.3 轉換接頭的選用

轉換接頭有同徑式(A型)和異徑式(B型)2種。作為鉆柱中的重要連接部分，轉換接頭的機械性能應高于被連接件的機械性能，而且還應注意以下幾個方面。

(1)轉換接頭連接的鉆具。當其直徑差大于15 mm時，在淺井中可以采用A型或B型接頭，當井深超過2000 m時，應采用B型接頭。

(2)A型轉換接頭外徑應與大尺寸連接件的標準外徑一致，B型接頭外徑應分別與其連接件的外徑一致;轉換接頭內徑應與兩端連接部件中內徑較小者一致。

(3)為了防止鉆柱疲勞破壞，鉆柱轉換區的過渡要力求平緩，建議轉換接頭大端螺紋與小端螺紋的抗彎強度比也要保證在1.9～3.20之間，不同規格的螺紋鉆具能否用轉換接頭連接在一起時，應核算其彎曲強度比，如73 mm鉆桿與165.1 mm鉆鋌之間就不可使用NC31與NC46直接轉換，因為經過計算可知，NC31螺紋ZB=87374，ZP=35802; NC46螺紋ZB=318027，ZP=120510;其彎曲強度比為318027/87374=3.64、120510/35802=3.36，超過了3.20的極限，須在中間另加較大規格的鉆桿。

2.4 方鉆桿的選用

由于方鉆桿受到的拉力和扭矩最大，因此應盡量選用較大尺寸的方鉆桿。目前，常用的有108 mm ×108 mm和133 mm×133 mm兩種，建議2000 m以淺井選108 mm×108 mm方鉆桿，超過2000 m的鉆井選用133 mm×133 mm方鉆桿。為了受力合理和操作方便，一般應使其下接頭外徑與其相連接的鉆桿接頭外徑相近。參見表1。

3 關于鉆具組合中的幾個問題

3.1 鉆柱切口問題

在石油鉆探中，鉆具的擰卸、提升使用的是“三吊一卡”，而地質巖心鉆探和水文水井鉆探中早已習慣了墊叉+提引器擰提方式，即在鉆柱外圓上銑刨切口，這在淺井鉆探中是實用的，但孔深增大后，這種方式的弊病就逐漸顯現出來。

3.1.1 切口效應問題

任何一種切口都會造成鉆具局部應力集中，降低截面抗彎模量，削弱鉆具的抗彎強度。以159 mm鉆鋌為例，如在其表面銑削深度14.5 mm的切口，其截面抗彎模量由 378583 mm3降為 204352 mm3，降低了46%。

3.1.2 扭矩不足問題

石油鉆探中普遍使用液壓大鉗作為擰卸工具，其上緊螺紋時的扭矩是可控的，對于不同規格的螺紋，可以按照不同的上緊扭矩去上緊。而使用墊叉作擰卸工具時，其上緊扭矩無法設定和測量，操作時也具有隨機性，上緊扭矩或大或小。過大時造成螺紋過量變形而失效;過小時又會造成螺紋反復上扣或臺肩分離，也會造成螺紋失效或公螺紋折斷。因此，盡量不要在鉆柱上設計切口。

3.2 與鉆具組合相關的臨界鉆壓和轉速問題

鉆壓與轉速的確定，既要根據地層、地區特點，又要考慮所用鉆頭的特性，這里提出的臨界鉆壓與臨界轉速是根據鉆具自身特點提出的特殊問題。

3.2.1 臨界鉆壓

在鉆進時，是靠下放部分鉆柱重力給鉆頭加壓的，當鉆壓較小時，下部鉆柱保持直線穩定狀態。當鉆壓增至第一次臨界鉆壓時，則下部鉆柱喪失穩定而發生彎曲，鉆頭傾斜角度大，容易產生井斜，整個鉆具受力狀態會發生變化。當鉆壓繼續增大到第二次臨界鉆壓時，鉆柱因為兩個彎曲點的出現，鉆頭的傾角變小，有利于鉆直井，鉆柱的受力狀態得到改善，因此建議劃眼時的鉆壓要小于一次臨界鉆壓，而鉆進時的鉆壓要略大于二次臨界鉆壓，但不要超過鉆鋌重力的80%，常用單一鉆柱的臨界鉆壓見表2，不同鉆具組合的臨界鉆壓要分別計算。

表2 不同鉆具組合的臨界鉆壓

3.2.2 臨界轉速

所謂臨界轉速，是指鉆柱旋轉達到這個速度時，會使鉆柱發生振動，造成鉆桿彎曲，過度磨損、迅速損傷和疲勞破壞。臨界轉速隨鉆具的長度、鉆桿尺寸、鉆鋌尺寸和井眼大小而變化。表3為各種鉆桿在不同孔深時的臨界轉速，供施工時參考。當操作者發現轉盤上的鉆桿振動異常時，應考慮變換擋位，避開臨界轉速，或更換不同的鉆具組合。

4 結語

鉆具的選用和組合與穩定器、減震器等井下鉆具的使用是密切相關的，在具體施工中應該綜合考慮它們的作用和影響。在實踐中要具體問題具體分析。合理的鉆具選用和組合是確保優質快速鉆井的重要條件，它對有效控制井斜，保證井身質量，使鉆頭工作穩定，提高鉆速，減少鉆具事故，增加鉆具的可下深度及延長鉆具的使用壽命具有重要意義。

表3 不同規格鉆桿的臨界轉速

［1］謝南屏.鉆井工程［J］.北京:石油工業出版社，1997.

［2］李鶴林，馮耀榮.石油管材與裝備失效分析案例集［M］.北京:石油工業出版社，2006.

［3］張培豐.深孔巖心鉆探問題探討［J］，探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(8).

［4］高德利，劉副江.“剛柔”鉆具組合與井斜控制分析研究［J］，探礦工程(巖土鉆掘工程)，2001，(12).

Principle of Drilling Tools Selection for Large Diameter Borehole and the Suggestions

WANG Zhen-zhi，LI Yan-li，LI Xiao-hui(Shijiazhuang Exploration Machinery Factory，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

The paper discussed the principle of drilling tools selection for deep hole to avoid downhole trouble;introduced the selection of drill collar，drill pipe，conversion joint and kelly;and put forward the reference suggestions to frequently encountered milling keyway in drill string，critical drilling pressure and rotating speed.

deep hole drill tool;drill pipe;drill collar;kelly;conversion joint

P634.4

A

1672－7428(2012)02－0014－05

2011－10－18

王振志(1963－)，男(漢族)，河北人，石家莊探礦機械廠廠長、正高級工程師，鉆探機械專業，碩士，從事鉆探設備研發工作，河北省石家莊市中山西路788號，hb_shitan@163.com。