顶驱主轴裂纹故障分析与建议

向 伟，汪阳凯

（中国石化西南石油工程有限公司重庆钻井分公司，重庆 400042）

顶驱主轴裂纹故障分析与建议

向 伟，汪阳凯

（中国石化西南石油工程有限公司重庆钻井分公司，重庆 400042）

近几年，随着钻井顶驱使用越来越多，为进一步降低使用成本，国产顶驱开始占用很大比例，但国产顶驱出现主轴裂纹断裂事故较多，因此，从主轴裂纹事故中分析原因，提出改进措施。

顶驱；主轴；裂纹；冲击负载

为进一步提高钻井工程的安全性、加快钻井装备的自动化、数字化，钻井施工越来越多队伍开始使用顶驱，从进口Varco、Canrig及Tesco顶驱到国产北石、黑龙江景宏顶驱。顶驱在自动化施工、钻具扭矩控制及井下作业安全方面优点极为突出。

1 顶驱主轴损坏情况

重庆钻井分公司自2007年使用顶驱起到2016年11月止，发生顶驱主轴事故有5起，具体情况见下：

1）2012年4月新深201井北石顶驱主轴接头刺漏。

2）2015年7月永页1井景宏顶驱主轴探伤发现裂纹。

3）2016年2月昆仑101井景宏顶驱主轴发现刺漏并检查出裂纹。

4）2016年4月顺北1-5井景宏顶驱主轴接头刺漏并检查发现裂纹。

5）2016年10月马井1井景宏顶驱主轴探伤发现裂纹。

以上主轴裂纹2-3项是同一台顶驱，而且永页1井、昆仑101井、顺北1-5井发生故障顶驱为2014年出厂产品，施工不到3口井，统计顶驱使用载荷最大为300t。

经咨询了解，广西钻井分公司3台北石顶驱探伤检测出主轴接头裂纹，更换过3根主轴。四川钻井分公司景宏顶驱出现过1次主轴接头刺漏故障。

以上数据表明，近几年使用的顶驱主轴发生故障基本上是国产顶驱。

2 顶驱主轴故障现象

重庆钻井分公司3起顶驱主轴事故在现场使用过程中，事故苗头是主轴接头漏浆，进而检查出接头裂纹，另2起主轴裂纹是通过接头探伤发现。检查资料如下：

缺陷位置Location 缺陷埋工件部位编号Work piece Position Number备注Remarks藏深度H Dep(mm)缺陷尺寸Length(mm)最高反射波波幅及区域Amplitude返修结果Repair result最终评级Final AppraisaX Y 1# 0 110 110 20 不合格2# 0 80 70 2.4 不合格

检验部位及缺陷位置详见检测部位示意图：Asforinspection and defect positions，please see schematic diagram of detection position.

3 故障原因分析

顶驱主轴接头螺纹在钻具的最顶端，拉伸负载最大，冲击载荷，交变频繁受力，导致顶驱主轴接头最为关键。以上几列主轴接头裂纹均为顶驱负荷最大最薄弱的环节——主轴接头螺纹。裂纹多为主轴公扣径向螺纹裂纹，集中在螺纹齿底应力集中部位。所以顶驱主轴失效主要原因是近几年钻井施工负载加大导致顶驱主轴承载能力（安全裕量）不足。分析影响顶驱主轴寿命的因素如下：

3.1 现场使用方面的因素对顶驱主轴的影响

超深井施工负荷大，钻具结构变化。近几年，很多井队逐步使用139.7mm的钻具代替原来的127.0mm的钻具，导致顶驱负载变大；井深结构也由原来的四开、五开制井深结构变为二开、三开制井深结构导致顶驱负载加大。

冲击负载对顶驱主轴影响大，最近几年顶驱从开钻就开始使用，表层钻井施工的冲击负荷对顶驱主轴接头及轴承寿命影响大。

主轴频繁进行IBOP的拆卸更换影响接头寿命。

上扣扭矩无法准确把握。主轴接头采用631扣型，外径为197mm接头，该处上扣扭矩要求为：最小为72kN·m，而实际上扣扭矩为40kN·m；顶驱最大瞬时扭矩也不能满足上卸扣需求，再加上主轴的拉伸、弯曲应力导致主轴接头失效。

3.2 顶驱主轴本身原因

虽然从API加工工艺及材质等报告分析主轴无质量问题，但通过诸多国产顶驱主轴裂纹事故统计可以看出，国产500T顶驱主轴远远不能满足300t钻具动载荷的需求。大庆景宏及北石顶驱负载安全裕量不足，还得依靠生产制造厂进一步提高材料及加工工艺促进顶驱负载能力。

4 预防及改进措施

4.1 现场使用预防方面

加强完井或中完期间的探伤检测，尤其是井内负载大，处理过复杂情况的顶驱，更应该提前进行接头探伤检查。钻柱丝扣防松机构尤其要注意检查预紧，使用扭矩扳手对丝扣防松装置进行预紧，检查间隙是否合适，及时更换钳牙，确保锁紧装置有效。加强顶驱IBOP拆卸上扣扭矩管理监测。

4.2 生产制造改进才能促进顶驱主轴本质安全

改进接头螺纹扣型，顶驱主轴目前主要使用6 5/8 REG扣型，该型螺纹主要为平牙底结构，存在应力集中；现在API推荐优先采用数字型螺纹（NC扣型），该类型螺纹特点是圆形牙底，应力集中小，可以增强接头螺纹使用寿命；建议对该部位接头螺纹进行改进。同时建议对公扣做LET螺纹处理（LET螺纹只需要对外螺纹后三扣将牙高切除1至2mm。为应力提供了释放空间，同时切除部分牙高后，不影响螺纹使用强度），该工艺在西北油田应用效果较为突出，LET螺纹接头疲劳极限较API标准接头极限提高1.13倍，弯曲应力提高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

向伟（1970—），男，四川双流人，高级技师，主要从事石油钻井相关工作。