一起南美顶驱故障简析川渝顶驱浅井应用

杨先国, 肖 尧, 肖惠玲, 肖 军

（1.中石化西南工程有限公司湖南钻井分公司, 湖南长沙 410005；2.湖南省有色地质勘查局二一四队, 湖南株洲 412007）

2019年1月10 日石化油服国工所属的一台钻机在进行下套管过程中发生一起顶驱中心管上推造成顶驱损坏故障。笔者因为工作关系参与了该事件的调查处理过程。2019年底因为工作关系笔者调回国内, 发现国内在一些重点井也开始使用顶驱。但由于对于顶驱的情况缺乏了解, 出现了一些不当的使用, 并先后引发了一些设备故障。这里笔者结合自己的经历做一下对比分析, 供同行参考。

1 南美顶驱故障简介

2019年1 月, 我项目钻机作业的南美国家一口井一开下13-3/8″套管；井深：6060.05ft；下套管深度：4440ft。下套管过程中有些遇阻, 现场接顶驱循环时顶驱中心管上窜, 漏油漏泥浆。经顶驱工程师检查发现顶驱主轴已经上窜, 钟型罩变形、鹅颈管脱落、电磁阀损坏多个、润滑油泵损坏、风机风道损坏、齿轮盘变形、顶驱主轴承载环处漏齿轮油严重。

经调查发现是因为下套管循环中顶驱中心管受到向上的推力（参见图1）, 超过了顶驱中心管驱动齿轮轴承压盖连接（12根M15小螺栓, 厂家建议额定载荷25t）额定载荷, 造成顶驱损坏（参见图2）[1]。

图2 顶驱损坏示意图

如图1所示, 当时套管队是使用了倒装的试压皮碗插在套管内进行循环, 该方案在该国一直使用也没有出现过任何异常。直到此次事件, 我通过计算试压皮碗上的上推力, 926PSI的循环压力作用于试压皮碗下端面, 产生了52.63t的上推力, 明显高于厂家建议的上推额定载荷。

图1 顶驱下套管循环示意图

2 国内顶驱在浅井段使用情况

笔者在国内新疆工区连续工作有12年之久, 2009年因为工作关系调离新疆工区的时候, 当时我所在的项目六台钻机没有一台配套顶驱。2019年重新回到国内工区的时候, 我们在川渝项目的四台钻机已全部配套使用了顶驱, 在新疆的几台钻机也部分使用了顶驱。由于部分顶驱采用租赁使用的方式, 作为钻井施工主体单位的井队往往对顶驱的情况了解不多, 因此造成了一些作业低效率的施工过程, 这里做一些简单对比分析。

由于涉及到部分其他单位的资料, 这里的井号均以数字标识。

2.1 潼南合川的情况对比

从图3中我们可以清晰地看出三口井进度区别很大。由于我们关注的重点在于顶驱的使用, 因此我们主要将关注点放在与顶驱有关的操作方面, 即钻进与设备维修。图4即为三口井的一开特种作业时间进度对比图[2-4]。

图3 一开进度对比图

图4 一开特种作业进度对比图

经对比我们不难看出, 3#井在一开钻进进度方面明显快于其他两口井；但3#井在一开特种作业开始期间（即完成测井的工作时间长）的进度则明显低于另外两口井。为了进一步明确3#井一开特种作业前期的工作内容, 我们通过调阅其生产日志, 并结合现场施工人员沟通了解, 该井施工井队在一开完成钻进后好甩出顶驱送修。我们没有收集到这三个井队一开的钻时曲线, 但我们也可以通过三口井一开施工方案及作业进度情况了解一下其中的原因。见表1。

表1 潼南合川地区导管与一开施工方案对比

对比施工方案, 我们看到作业参数方面3#井泵压明显高于另外两口井, 钻具组合上也均使用了螺杆和水力加压器, 开钻钻压与1#井相当而高于2#井。其它的区别并不明显, 结果是机械钻速高出另外两口井一倍以上。结合南美顶驱损坏的情况, 我们可以肯定的是3#井钻井参数偏高直接造成了顶驱的损坏, 具体各井队的顶驱工况差异情况我们不得而知。

针对这个区块的这几口井的情况, 我了解到的是表层地层硬度偏硬, 钻头齿吃入后切削需要的钻压偏高, 如果吃入后无法顺利完成切削势必造成钻具垂直跳动对顶驱形成向上的冲击力, 正如南美顶驱事故原理一样, 对中心管以上的设备形成冲击损坏。但在随后的现场工作中, 通过另一个区块井的一开现场施工, 让我对该观点有了一些新的认识。

2.2 威页永页的情况对比

由于多方面原因, 我项目施工的上述1#、2#井开钻我均不在现场, 对其分析只能通过相关数据整理分析。而威页第二轮井开钻的时候, 我正好在项目上出差, 因此可以准确了解实际操作及转盘面的反应情况。

通过本轮威页1#井及2#井实钻（两口井在出导管后的部分井段钻进时我均在钻台上）, 结合永页一口井实钻情况反馈, 基本可以确定这样的情况：

（1）软地层钻进过程中的钻具震动主要是侧向摆动/晃动, 没有或极少与钻具方向一致的垂直振动。

（2）威页1#井50～70m井段钻进过程中明显侧向摆动明显（钻压超过2t的情况下, 无明显钻压时也没有明显摆动）, 排量提到57L左右（160mm/170mm缸套各一台泵单泵95冲左右共计190冲左右, 150冲左右摆动明显）后摆动基本消失；而威页2#井双泵170mm缸套共150冲左右也没有明显摆动。

2.3 相比威页2#井, 威页1#井排量高而泵压低, 原因在钻头水眼和螺杆钻具上

威页1#井PDC钻头使用16mm×6+18mm水眼组合, 螺杆钻具使用立林5LZ244螺杆；威页2#井PDC钻头使用12.7mm×7水眼组合, 螺杆钻具使用德州5LZ244螺杆。

通过本轮在威页驻井, 个人认为钻具摆动等不规则运动造成主要原因是因为螺杆钻具输出无法满足钻头钻进切削要求造成的。建议软地层一开前期钻进（井深低于100m）, 包括导管施工如果使用螺杆钻具必须保证螺杆的正常功率输出, 如果发现钻台面上钻具摆动明显影响加钻压, 可以通过提高排量解决。另外钻头水眼的选用和螺杆厂家及螺杆钻具新旧的选择, 也是避免钻具摆动提高钻速必须考虑的因素。

最终三口井一开前期钻时基本上控制在3min以内, 没有出现高钻时。

3 结论

结合上面两个地区的一开施工情况对比, 参照南美顶驱事故, 我们可以得出如下结论：

（1）一开钻进前期可以考虑使用螺杆, 没有螺杆钻具提高钻头转速, 可能会因为顶驱转动速度与钻头受力产生冲击跳动同频共振造成顶驱等设备损坏, 这在威页永页地表软地层是可以确定的。

（2）软地层需要确保螺杆正常功率输出, 否则可能造成螺杆脉动输出造成钻具径向振动（摆动）影响钻压加到钻头上, 同时容易损坏顶驱等设备。如果发现钻具跳动明显, 可以考虑提高排量或者更换螺杆。

（3）软地层钻进前期作业效率与钻铤重量关系不明显, 威页地区一开前期4t左右的钻压就可以实现钻时不超过2min/m的钻速。

（4）关于硬地层导管与一开前期施工钻具振动避免与钻井效率提升, 还需要进一步确认钻具组合、钻头选型与钻井参数优化情况, 当然前提是需要消减螺杆钻具造成的径向振动（摆动）。必要的情况下可以考虑一开前期或者一开使用方钻杆钻进, 避免因为钻具振动等造成顶驱的损伤。

（5）硬地层浅层钻进, 大尺寸钻铤及钻具总重量的提升, 可以作为一个减轻振动和提速提效的一个方向, 该方向及是否合适使用水力加压器等工具均有待进一步分析评判, 尤其是对顶驱设备的影响情况。

（6）近期, 石油化油服又通报了一起顶驱导轨断裂下砸造成人身伤亡事故, 也说明了目前国内行业整体对其使用管理有盲区, 需要引起行业重视。