使用氣動卡瓦鉆桿變形原因分析

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，國內各大油田在起下鉆作業過程中，采用雙吊卡或者手提式鉆桿卡瓦的作業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度及大幅提高起下鉆速度的優點，因此，國內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行原因分析，找出導致鉆桿管體被擠毀變形的主要因素，制定應對措施。

1 鉆桿管體發生擠毀變形的工況

某井在起下鉆作業過程中，發現井口段?139.7 mm規格鉆桿變形（該批鉆桿為全新鉆桿并抽檢合格）。該井在鉆進至井深5 947.43 m時，循環鉆井液，進行短程起下鉆，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。起出后發現第二柱單根坐卡位置出現變形，隨后起出三柱鉆桿均發現坐卡位置有嚴重變形，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根嚴重變形的鉆桿外型尺寸進行測量，具體數據如表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據

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開三片式氣動卡瓦，氣動卡瓦安裝在平臺上方補芯的一側（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，卡瓦體繼續下行，卡瓦牙板咬入管體表面。氣動鉆桿卡瓦的氣缸運動動作由司鉆通過操作臺直接控制［3-5］。

圖2 現場側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國家標準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，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，根據標準應推薦使用塑性區內產生的最小擠毀壓力公式［6］：

式中：Ym—材料服強度，MPa。

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

表2 不同鉆桿的的D/t范圍及各系數值

2.3 氣動卡瓦夾持鉆桿管體徑向受力情況分析

當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是處于一個受力的平衡狀態［7-8］，氣動卡瓦在坐標軸上x和y方向上的合力為零，即：

其中：

式中：μ—補芯斜錐面與氣動卡瓦體背錐面之間的摩擦系數，由于鋼與鋼之間接觸無潤滑狀態時摩擦系數為0.15，有潤滑狀態時摩擦系數為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絲油進行潤滑，因此，此處μ取鋼—鋼接觸有潤滑狀態時的最大摩擦系數0.12進行校核。

聯立方程組（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—氣動卡瓦體背錐面所受支反力，N；F—氣動卡瓦背錐面所受摩擦力，N；α—氣動卡瓦背錐斜角，錐度為1∶3。

根據起下鉆錄井曲線可知，該井校準基重24 t，井底懸重222 t，最大坐卡重量198 t。根據上述公式計算，當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。經現場測量，單塊卡瓦牙板長70 mm，寬26 mm，實際接觸弧長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為85.74 MPa，小于管體抗擠毀強度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”尖端兩側受壓力過大導致夾緊變形，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、卡瓦和補芯應同心；當鉆桿管體中心位置發生偏移時，卡瓦與管體接觸面發生變化，出現夾偏現象（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生徑向力，徑向力達到6 633 kN，由于管體表面承載面積過小僅0.020 75 m2，局部壓強達到319.7 MPa，遠超過管體抗擠毀強度87.42 MPa，導致管體產生變形。根據現象形貌顯示（圖5），實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，而導致受力不均勻的主要原因為井口段鉆桿卸扣時，在坐卡的情況下，鉆柱同時受到DB吊鉗卸扣時產生的回向力，相當于在鉆柱一側再施加一個橫向力作用，增加了單側卡瓦牙板所承受的壓強，最終超過鉆具抗外擠強度，造成鉆桿嚴重變形。此外，通過調查，實測井口偏移度為25 mm，超過川慶鉆探公司的《氣動卡瓦使用管理規定》中要求的≤20 mm的要求，未能確保鉆桿座卡的平穩且居中，也是導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、外徑/壁厚比值等因素的取值相關，不同的取值計算結果不一樣，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 應對措施

考慮實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定》中要求的≤20 mm的要求、鉆具卸扣過程中受力不均等因數，取安全系數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井氣動卡瓦使用過程未出現過鉆桿夾持部分變形。

5 結論與建議

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

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

（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換為用吊卡起下鉆，確保安全使用鉆具。