特殊螺纹在牛东潜山超深井钻井中的应用

崔　露，徐明磊，王东明，李嗣洋，杨　恺，付　潇

（1.渤海钻探工程技术研究院，河北任丘062552；2.华北油田公司勘探部，河北任丘062552；3.中国石油物资公司，北京100029）

特殊螺纹在牛东潜山超深井钻井中的应用

崔露*1，徐明磊1，王东明2，李嗣洋3，杨恺1，付潇1

（1.渤海钻探工程技术研究院，河北任丘062552；2.华北油田公司勘探部，河北任丘062552；3.中国石油物资公司，北京100029）

牛东潜山是华北油田在渤海弯盆地深层潜山勘探又一成功探索。牛东1井测试试油取得了日产油642.91m3、日产天然气56.26×104m3的重大突破。地温高、机械钻速慢、钻井周期长及井下复杂事故多等因素严重制约了牛东潜山勘探进程。同时，井下复杂事故多是牛东潜山勘探一个高风险环节，因此，超深探井对入井钻具要求极高。通过牛东1钻探表明：在钻井过程中钻具通常承受拉、压、弯、扭、液力等载荷,螺纹连接部位在交变弯曲下易产生应力集中，给安全钻井带来很大风险。华北油田分公司在牛东地区深层钻井过程中，2口井发生钻具事故5起，通过对失效原因进行统计分析后，采用新型螺纹降低了钻具失效的风险。

牛东潜山；井下复杂；钻具；特殊螺纹

牛东潜山区块是中国东部地区发现的最深油气藏。牛东潜山圈闭构造位于渤海湾盆地霸县凹陷西部，其西以牛东断层为界，与牛驼镇凸起相毗邻，东接霸县洼西槽，构造面积530km2。该区块钻遇地层从上至下依次是为平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组及雾迷山组等地层。2010年股份公司在牛东潜山部署了牛东1井，测试试油取得了日产油642.91m3、日产天然气56.26×104m3的重大突破，打开了冀中坳陷深潜山勘探的新局面。通过牛东1井实际钻探情况证实：地温高、机械钻速慢、钻井周期长及井下复杂事故多等因素严重制约了牛东潜山勘探进程。为了加快牛东潜山预探评价一体化工程进展，牛东潜山地区深探井、超深探井数量越来越多。然而，钻井工程是油气勘探开发过程中的一个高风险的关键环节，为了实现集团公司8个月完成一口井的指示，牛东潜山日后部署的3口井在井深更深的情况下，优化了井身结构，增加技套下深，给钻井施工特别是钻具带来了极大风险。

1　事故分析

自2010年实施钻具管理以来，由于超深井钻具长期使用，高温疲劳不断累积，3口井共发生钻具事故5起，其中钻铤螺纹断裂发生4起，钻杆断裂1起，以小钻铤（4-3/4″）断裂事故为主。

针对钻具失效进行统计分析发现：钻具失效主要集中在钻杆和钻铤，且钻杆和钻铤事故主要是由于螺纹断裂造成的失效造成的。

钻具螺纹断裂与螺纹本身结构有关，螺纹连接中的所有啮合螺纹的等效应力不是平均分布的，而是呈浴盆曲线，在螺纹连接两端的最后1～2牙螺纹啮合处所受的等效应力最大［1］，如图1所示。因此，螺纹连接部位是大刚度钻具的薄弱部位，也是钻具失效的多发点［2］。虽然接头螺纹应力槽提高螺纹连接部位的承载能力，减少螺纹接头的疲劳失效，提高螺纹连接的疲劳寿命，但是应力槽在修扣时切修量较大，造成钻具长度减小速度快，造成资源的大量浪费。

2　特殊螺纹的原理和优点

针对钻具大量老化，钻具事故高发的现象，经过大量分析认为，通过改变螺纹形式能够有效降低螺纹疲劳速度，决定引进特殊螺纹，钻铤统一采用LET螺纹，4-3/4″钻铤改为LET或双台肩螺纹。

2.1LET螺纹的原理和特点

（1）LET螺纹的原理。钻铤公扣大端最后的啮合螺纹根部的疲劳裂纹是疲劳失效的最常见的方式之一，这种失效主要是该处螺纹齿根应力集中所引起，以往的一些研究和实践表明，大约30%的钻铤公扣载荷由大端最后啮合承受，这也是该处容易发生疲劳断裂的原因。LET螺纹技术就是通过降低公扣末端啮合齿高度以改善螺纹受力情况，降低公扣末端应力集中，以延长钻铤螺纹疲劳寿命。

图1　螺纹连接部位的应力分布图

图2　LET螺纹与普通API螺纹对比

（2）LET螺纹的特点：

①普通API钻具螺纹啮合后螺纹牙处应力因无释放空间得不到有效释放，而LET螺纹在后3扣将牙高切除1～2mm，为应力释放提供了空间，同时切除部分牙高后，又不影响螺纹使用强度。

②修扣时只需切头16～24mm左右，与通常修扣的切头一致，不会缩短钻铤使用寿命。

③由于LET螺纹结构上的特殊性，其疲劳极限比API标准接头的疲劳极限高约1倍；在弯曲应力2.7kN·m作用下，疲劳寿命比API标准接头高了近3倍。

④LET螺纹只需对外螺纹进行加工，内螺纹无需做任何改动，不影响其与普通螺纹的互换。

2.2双台肩螺纹的原理和特点

（1）双台肩螺纹的原理。普通API接头抗扭强度由外台肩的接触面积、直径和公接头螺纹的中径处的厚度来决定，这些受接头外径和公接头水眼尺寸的限制。双台肩接头存在2个台肩：一个是外台肩，另一个是内台肩。内台肩起到增加抗扭强度的作用，使钻杆接头水眼适当增大后，还能确保接头的抗扭强高于管体的抗扭强度。在双台肩接头旋合后，外台肩顶上，内台肩留有很小的间隙，以确保外台肩能起到密封作用，当上扣达到一定扭矩后内台肩顶上，当达到上扭矩后，内台肩的抗扭强度起作用。

图3　双台肩螺纹与普通API螺纹对比

（2）双台肩螺纹的特点：

①增加了螺纹抗扭强度，尤其对6-1/2″以下小钻铤，极大降低了螺纹失效的几率；

②通径设计降低流动阻力，提高水里性能；

③可以和普通API螺纹连接，不影响使用性能；

④切修量与普通API螺纹一致，不会缩短钻铤使用寿命。

3　特殊螺纹实施效果及经济效益

钻具实施专项管理以来，钻具检测质量明显提高，钻具检测有伤率提高到近10个百分点，自实施特殊螺纹以来，钻具回收检验有伤率明显下降，API螺纹前期有伤率明显下降，说明螺纹疲劳周期延长，完井结束后钻具螺纹仍没有达到疲劳极限，降低了钻具断裂的风险。

根据统计2012年全年4月统计。自实施特殊螺纹以来牛东2井小钻铤事故为0，极大降低了钻具螺纹断裂的风险。

4　结论

（1）LET螺纹能够有效的释放后3扣的应力，降低螺纹的疲劳速度，提高钻具螺纹的使用可靠性；

（2）双台肩螺纹可以改善螺纹载荷的分布，并减少局部的应力集中［3］。

［1］杨龙.复杂深井钻柱安全性研究［C］//第六届全国石油钻井院所长会议论文集.

［2］王新虎，冯耀荣，等.钻具螺纹接头牙载荷计算方法的探讨［J］.石油机械，1998，26（8）：49-53.

［3］王文云，等.钻铤螺纹失效分析及解决措施［J］.石油矿场机械，2007，36（12）：45-48.

TE931

B

1004-5716（2016）08-0092-03

2015-08-21

2015-08-27

崔露（1984-），男（汉族），湖北天门人，工程师，现从事钻井工艺方面的研究及现场服务工作。