定向鉆硬巖正擴(kuò)工藝鉆桿刺漏原因分析及應(yīng)對(duì)措施

劉艷輝，王 佐，李 松，張 寧，劉 鎏

1.中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北廊坊 065000

2.中國(guó)石油管道局工程有限公司市場(chǎng)開發(fā)中心，河北廊坊 065000

在硬巖地層正擴(kuò)穿越施工中，由于鉆桿在自身直徑3倍以上的孔洞內(nèi)，承受大的推力和扭矩，導(dǎo)致施工中鉆桿極易發(fā)生刺漏、斷裂等失效問題，給定向鉆施工帶來諸多安全隱患[1]。國(guó)內(nèi)某硬巖穿越工程在正擴(kuò)施工前期，發(fā)生了多頻次的、嚴(yán)重的鉆桿失效問題，影響了正常的施工進(jìn)度，增加了施工成本。為了降低硬巖地層采用正擴(kuò)工藝時(shí)鉆桿的失效率，基于鉆桿無損檢測(cè)結(jié)論，對(duì)硬巖地層采用正擴(kuò)工藝的鉆桿刺漏原因進(jìn)行分析，并從鉆桿規(guī)格型號(hào)、動(dòng)力鉆具選配、新型液力推進(jìn)器選用等方面進(jìn)行改進(jìn)，解決了鉆桿刺漏及斷裂問題，取得了良好效果。

1 工程概況

某定向鉆穿越工程屬國(guó)家掛牌督辦的隱患治理工程，穿越實(shí)長(zhǎng)1 700 m，連續(xù)穿越11座山峰及溝谷，穿越地層主要為微風(fēng)化花崗巖，部分穿越中風(fēng)化花崗巖，巖石抗壓強(qiáng)度100 MPa以上。由于施工地域狹窄，只能采用正擴(kuò)工藝實(shí)施擴(kuò)孔作業(yè)，如圖1所示。

圖1 采用正擴(kuò)工藝穿越硬巖地層

2 施工中出現(xiàn)的鉆桿失效問題

鉆桿失效是指鉆桿在施工過程中發(fā)生刺漏、斷裂、脫扣等，導(dǎo)致鉆桿無法實(shí)現(xiàn)其自身功能，從而不得不暫停施工，需進(jìn)行問題處理。

2.1 鉆桿刺漏

在進(jìn)行第一級(jí)正擴(kuò)過程中，擴(kuò)孔至1 100 m時(shí)，泥漿壓力由4 MPa突然下降至0.5 MPa，懷疑鉆具有泥漿泄漏情況發(fā)生。回抽鉆桿進(jìn)行檢查，在距離入土點(diǎn)660 m位置，發(fā)現(xiàn)鉆桿桿體中間部位有2 cm左右的孔洞，卸掉損壞鉆桿，接上完好鉆桿，開泵注入泥漿，測(cè)試泥漿壓力正常，繼續(xù)實(shí)施擴(kuò)孔作業(yè)。這種突然泄壓的情況發(fā)生了2次，抽出鉆桿檢查均出現(xiàn)了刺漏的現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 鉆桿刺漏

2.2 鉆桿斷裂

當(dāng)擴(kuò)孔至1 330 m時(shí)，出現(xiàn)泥漿壓力降低情況，現(xiàn)場(chǎng)人員立即采取措施，回抽鉆桿，但泥漿壓力突然降至為0，拉力極小，判斷鉆具有斷裂情況發(fā)生。回抽鉆桿發(fā)現(xiàn)斷裂點(diǎn)，位于距離鉆桿公接頭2.1 m處，桿體出現(xiàn)環(huán)形裂縫，有水力沖切現(xiàn)象。

3 原因分析

針對(duì)出現(xiàn)的問題，現(xiàn)場(chǎng)組織對(duì)該批次鉆桿進(jìn)行無損檢測(cè)。作業(yè)流程嚴(yán)格執(zhí)行API RP7G標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)鉆桿兩端過渡區(qū)和絲扣進(jìn)行清理，鉆桿依次進(jìn)行鋼印標(biāo)識(shí)，測(cè)量母接頭的外徑和公接頭的內(nèi)徑，管體中間部位進(jìn)行超聲波測(cè)厚，對(duì)接頭進(jìn)行目視檢測(cè)，對(duì)管體進(jìn)行電磁探傷（EMI）。操作之前用試管進(jìn)行調(diào)試，以確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性。將波形顯示異常的區(qū)域清理干凈，而后進(jìn)行磁粉探傷，管體過渡區(qū)采用熒光磁粉探傷（MPI）。檢測(cè)結(jié)果顯示管體在刺漏位置附近還有多處疲勞裂紋，且鉆桿桿體有較明顯的彎曲變形。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，排除了鉆孔孔眼曲率半徑小、泥漿固相含量高的可能性，根據(jù)鉆桿檢測(cè)結(jié)果并結(jié)合工程實(shí)際，分析鉆桿刺漏原因如下：

（1） 鉆桿規(guī)格為6-5/8 in（1 in=25.4 mm），擴(kuò)孔尺寸為20 in，在較大的環(huán)空空間內(nèi)（孔洞直徑為6-5/8 in鉆桿桿體直徑的3倍），鉆桿在承受300 kN推力的情況下容易發(fā)生彎曲，同時(shí)鉆桿承受扭矩，在復(fù)雜的堅(jiān)硬巖石地層中，正擴(kuò)的進(jìn)尺速度平均為2.6 m/h。由于鉆桿處于彎曲應(yīng)力狀態(tài)，桿體局部受拉或受壓，在長(zhǎng)時(shí)間的復(fù)雜循環(huán)交變載荷作用下，鉆桿桿體容易出現(xiàn)疲勞裂紋。環(huán)形孔隙越大，彎曲應(yīng)力頻率越高，出現(xiàn)疲勞裂紋的風(fēng)險(xiǎn)越大[2-4]。

（2）采用動(dòng)力擴(kuò)孔時(shí)，較常規(guī)反向擴(kuò)孔泥漿壓力高出2～3 MPa以上，且泥漿排量大、流速高，長(zhǎng)時(shí)間沖刷裂紋處，造成鉆桿刺漏現(xiàn)象發(fā)生[5-6]，并很快導(dǎo)致鉆桿斷裂。

4 改進(jìn)措施及效果

（1）更換為抗推、抗扭強(qiáng)度大的鉆桿。在第二級(jí)30 in擴(kuò)孔過程中，將原S135的6-5/8 in鉆桿更換為S135的7-5/8 in鉆桿（孔洞直徑為6-5/8 in鉆桿桿體直徑的4.5倍，為7-5/8 in鉆桿桿體直徑的3.9倍），鉆桿桿體壁厚由原來的9.19 mm增加到10.9 mm，抗推強(qiáng)度提高35%，抗扭強(qiáng)度提高45%，鉆桿的整體能力得到了較大的提升。

（2）使用大尺寸的動(dòng)力馬達(dá)，降低鉆桿推力[7]。選用C7LZ244×7.0泥漿馬達(dá)，根據(jù)該馬達(dá)工作參數(shù)要求，選用2臺(tái)泥漿泵同時(shí)運(yùn)行，滿足3 m3/min以上的泥漿排量要求，動(dòng)力鉆具泥漿壓力控制在5.0MPa，扭矩控制在400 kN·m以內(nèi)。

（3）在泥漿馬達(dá)上端加裝液力推進(jìn)器。液力推進(jìn)器采用液力柔性加壓的方式，將泥漿液力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，有效解決了正擴(kuò)工藝中鉆壓（推力）不易施加的難題，為巖石擴(kuò)孔器提供穩(wěn)定的鉆壓（推力），進(jìn)而提高了擴(kuò)孔效率，有效降低了鉆機(jī)負(fù)荷，鉆桿承受的鉆壓（推力）也隨之從300 kN減小到150 kN，從而大幅降低了鉆桿出現(xiàn)疲勞裂紋的機(jī)率。

5 結(jié)束語

正向擴(kuò)孔工藝在采用7-5/8 in大直徑鉆桿、加裝動(dòng)力鉆具和液力推進(jìn)器等鉆具組合方式后，通過泥漿馬達(dá)持續(xù)為擴(kuò)孔器提供穩(wěn)定擴(kuò)孔切削動(dòng)力，液力推進(jìn)器柔性加壓為擴(kuò)孔器提供穩(wěn)定鉆壓，減少了卡鉆、跳鉆現(xiàn)象，從而降低了直接作用于鉆桿的推力和扭矩，有效延長(zhǎng)了鉆具使用壽命，同時(shí)使擴(kuò)孔軌跡更平滑。采取以上措施后，后續(xù)擴(kuò)孔過程中未發(fā)生鉆桿刺漏情況，達(dá)到了預(yù)期的效果。