頂驅主軸裂紋故障分析與建議

向 偉，汪陽凱

（中國石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司，重慶 400042）

頂驅主軸裂紋故障分析與建議

向 偉，汪陽凱

（中國石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司，重慶 400042）

近幾年，隨著鉆井頂驅使用越來越多，為進一步降低使用成本，國產頂驅開始占用很大比例，但國產頂驅出現主軸裂紋斷裂事故較多，因此，從主軸裂紋事故中分析原因，提出改進措施。

頂驅；主軸；裂紋；沖擊負載

為進一步提高鉆井工程的安全性、加快鉆井裝備的自動化、數字化，鉆井施工越來越多隊伍開始使用頂驅，從進口Varco、Canrig及Tesco頂驅到國產北石、黑龍江景宏頂驅。頂驅在自動化施工、鉆具扭矩控制及井下作業安全方面優點極為突出。

1 頂驅主軸損壞情況

重慶鉆井分公司自2007年使用頂驅起到2016年11月止，發生頂驅主軸事故有5起，具體情況見下：

1）2012年4月新深201井北石頂驅主軸接頭刺漏。

2）2015年7月永頁1井景宏頂驅主軸探傷發現裂紋。

3）2016年2月昆侖101井景宏頂驅主軸發現刺漏并檢查出裂紋。

4）2016年4月順北1-5井景宏頂驅主軸接頭刺漏并檢查發現裂紋。

5）2016年10月馬井1井景宏頂驅主軸探傷發現裂紋。

以上主軸裂紋2-3項是同一臺頂驅，而且永頁1井、昆侖101井、順北1-5井發生故障頂驅為2014年出廠產品，施工不到3口井，統計頂驅使用載荷最大為300t。

經咨詢了解，廣西鉆井分公司3臺北石頂驅探傷檢測出主軸接頭裂紋，更換過3根主軸。四川鉆井分公司景宏頂驅出現過1次主軸接頭刺漏故障。

以上數據表明，近幾年使用的頂驅主軸發生故障基本上是國產頂驅。

2 頂驅主軸故障現象

重慶鉆井分公司3起頂驅主軸事故在現場使用過程中，事故苗頭是主軸接頭漏漿，進而檢查出接頭裂紋，另2起主軸裂紋是通過接頭探傷發現。檢查資料如下：

缺陷位置Location 缺陷埋工件部位編號Work piece Position Number備注Remarks藏深度H Dep(mm)缺陷尺寸Length(mm)最高反射波波幅及區域Amplitude返修結果Repair result最終評級Final AppraisaX Y 1# 0 110 110 20 不合格2# 0 80 70 2.4 不合格

檢驗部位及缺陷位置詳見檢測部位示意圖：Asforinspection and defect positions，please see schematic diagram of detection position.

3 故障原因分析

頂驅主軸接頭螺紋在鉆具的最頂端，拉伸負載最大，沖擊載荷，交變頻繁受力，導致頂驅主軸接頭最為關鍵。以上幾列主軸接頭裂紋均為頂驅負荷最大最薄弱的環節——主軸接頭螺紋。裂紋多為主軸公扣徑向螺紋裂紋，集中在螺紋齒底應力集中部位。所以頂驅主軸失效主要原因是近幾年鉆井施工負載加大導致頂驅主軸承載能力（安全裕量）不足。分析影響頂驅主軸壽命的因素如下：

3.1 現場使用方面的因素對頂驅主軸的影響

超深井施工負荷大，鉆具結構變化。近幾年，很多井隊逐步使用139.7mm的鉆具代替原來的127.0mm的鉆具，導致頂驅負載變大；井深結構也由原來的四開、五開制井深結構變為二開、三開制井深結構導致頂驅負載加大。

沖擊負載對頂驅主軸影響大，最近幾年頂驅從開鉆就開始使用，表層鉆井施工的沖擊負荷對頂驅主軸接頭及軸承壽命影響大。

主軸頻繁進行IBOP的拆卸更換影響接頭壽命。

上扣扭矩無法準確把握。主軸接頭采用631扣型，外徑為197mm接頭，該處上扣扭矩要求為：最小為72kN·m，而實際上扣扭矩為40kN·m；頂驅最大瞬時扭矩也不能滿足上卸扣需求，再加上主軸的拉伸、彎曲應力導致主軸接頭失效。

3.2 頂驅主軸本身原因

雖然從API加工工藝及材質等報告分析主軸無質量問題，但通過諸多國產頂驅主軸裂紋事故統計可以看出，國產500T頂驅主軸遠遠不能滿足300t鉆具動載荷的需求。大慶景宏及北石頂驅負載安全裕量不足，還得依靠生產制造廠進一步提高材料及加工工藝促進頂驅負載能力。

4 預防及改進措施

4.1 現場使用預防方面

加強完井或中完期間的探傷檢測，尤其是井內負載大，處理過復雜情況的頂驅，更應該提前進行接頭探傷檢查。鉆柱絲扣防松機構尤其要注意檢查預緊，使用扭矩扳手對絲扣防松裝置進行預緊，檢查間隙是否合適，及時更換鉗牙，確保鎖緊裝置有效。加強頂驅IBOP拆卸上扣扭矩管理監測。

4.2 生產制造改進才能促進頂驅主軸本質安全

改進接頭螺紋扣型，頂驅主軸目前主要使用6 5/8 REG扣型，該型螺紋主要為平牙底結構，存在應力集中；現在API推薦優先采用數字型螺紋（NC扣型），該類型螺紋特點是圓形牙底，應力集中小，可以增強接頭螺紋使用壽命；建議對該部位接頭螺紋進行改進。同時建議對公扣做LET螺紋處理（LET螺紋只需要對外螺紋后三扣將牙高切除1至2mm。為應力提供了釋放空間，同時切除部分牙高后，不影響螺紋使用強度），該工藝在西北油田應用效果較為突出，LET螺紋接頭疲勞極限較API標準接頭極限提高1.13倍，彎曲應力提高3倍。

Analysis and Suggestion on Crack Failure of Top Drive Spindle

Xiang Wei，Wang Yang-kai

In recent years，with the use of drilling top drive more and more，in order to further reduce the use of cost，domestic top drive began to take up a large proportion，but the domestic top drive in recent years there are more spindle crack fracture accident，The cause of the accident analysis，put forward improvement measures.

top drive；spindle；crack；impact load

TE922

A

1003-6490（2017）12-0097-01

2017-10-08

向偉（1970—），男，四川雙流人，高級技師，主要從事石油鉆井相關工作。