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水井钻探中钻具的选配及损坏预防措施许刘万（中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000）摘 要：水文水井钻探作为开采地下水资源的重要手段之一，近年来除各种水文水井钻机迅速发展外，与之配套的各类钻具也在不断更新换代，用户对钻探中钻具的选配也有了明确的认识，并对损坏预防高度重视。我们通过与广大用户日常生产施工密切联系，该文就相关的具体问题进行阐述，以利于提高钻进效率，延长钻具寿命。关键词：水井钻探；钻具选配；损坏预防1 前言水井钻探技术和工艺方法的发展，每一个环节都离不开钻具的选配。在此我们把钻井过程中用的主动钻杆、钻杆、钻铤、变丝接头、扶正器、钻头等一般统称为钻具。在20世纪80年代以前由于水井钻探的深度还比较浅，选用的钻杆多为我国自行镦粗加工的细扣式，接头可换，规格有60、73、89mm，钻杆长度6m左右。后因大量集中开采浅层地下水资源，天然补给速度低于过分开采速度，以及浅层水受到各种污染等因素影响，地下水开发利用愈来愈深，加之地热井的开发利用，不同类型的深水井钻机和工艺方法研究，一系列科研成果转化，水井钻探配套钻具出现了新的突破。现已由原来的有细扣钻杆逐步变化为与石油钻井接轨的摩擦焊式无细扣钻杆。管材的加工参照和等效采用API标准，依照石油钻杆接头螺纹量规（GB/T4749-1993）和石油钻杆接头螺纹（GB/T9253.1-1999）以及石油有关标准进行严格要求生产。经过近年来的不断努力，开发制造的各种钻杆、钻铤已进行批量生产，而且基本上取代了原来有些借用石油从国外进口的某种钻杆和钻铤完成深水井施工。从目前看不管石油钻井及水井施工，所配钻具大多数都已走向国产化道路，也已达到国外产品水平，以API标准衡量实现了同进口产品的互换性。同时石油钻进所用的某种钻机、泥浆泵，在深水井和地热井钻探中也得到应用，尤其配套的方钻杆、钻杆、钻铤、扶正器、各种牙轮钻头、复合片钻头，附属工具等厂家均已市场化，这就为水井钻探施工向石油钻井学习创造了许多条件。但是在水井钻探工艺推广应用最多的气动潜孔锤和气举反循环两种高效钻进技术，近年来也逐步向我国石油钻井方面推广，加之国外有关全液压动力头车装钻机进入中国市场，使得我国各个领域的钻探机具配套多样化，特别是水井钻探技术方面，钻机种类多，工艺方法多，钻具选配多。所以，钻具作为水井钻探中的重要工具，钻进中钻具的受力情况及其在孔内的工作状态是极其复杂的。钻具的选配好坏，在一定程度上影响着钻进工作效率、质量和经济效果。在有些情况下，钻进工作能否采用更理想的规程，以获得更高的效率，有时往往不是受制于钻探设备和钻头，而是受制于钻具的强度、刚性及其稳定性，如果钻具的刚性差、稳定性差，弯曲和振动，这些都会成为导致钻孔弯曲的重要原因；有些孔内事故，也是与钻具选配有关，包括螺纹连接部位的质量有关。因此，从理论和实践上，根据钻具选配的特点和要求，以及对钻具损坏预防，连接螺纹的特殊性进行分析，这对于水井钻探来说具有非常重要的意义。2 钻具的受力状态及材料和接头扣型代号对比在钻井过程中，钻具都是在起下钻和正常钻进两种工序中交替工作的。提钻时钻具受拉，而在钻进时就比较复杂，处于受拉、压、扭等状态。由于工作状态和受力极为复杂，钻具在孔内好像一根旋转轴。在自重产生的轴向压力下，下边就会弯曲，因受井眼的限制就会出现多次弯曲，而上部由于旋转产生的离心力，再加上扭矩的作用，整个钻具近似于螺旋形曲线进行复杂的旋转运动。为了使钻具的设计、生产加工达到要求，既要保证管材机械性能，又要保证螺纹连接的强度、耐磨性和寿命，两者必须综合平衡，不可偏废。从目前我国各个钻杆生产厂家的选材来看，有用鞍钢、大冶DZ系列的，有用宝钢产STM-R780的，有用上海宝钢和天津大无缝按API标准生产的E、X、G、S钢级的。但考虑到水井工程施工愈来愈深对钻杆的质量要求，现用户基本上都按API标准来订购钻杆，其性能见表1。表1 API钻杆拉伸性能钢级最小屈服强度/MPa最大屈服强度/MPa最小抗拉强度/MPa延伸率/E-75517724689625000A0.2/U0.9X-95655862724G-105724931793S-13593111381000另外选择接头用钢及制定的热处理工艺，是根据我国石油管材研究中心的试验结果，推荐的接头选材及与之对应的热处理生产工艺见表2。接头类型互换对照见表3。表2 推荐的接头选材及热处理工艺规 格材 料热处理钻杆接头40CrMnMo、40CrNiMo、36 CrNiMo4箱式炉840870淬火，570630回火后水冷转换接头127mm35CrMo、42CrMo、40CrMnMo127196.4mm40CrMnMo、40CrNiMo、36 CrNiMo4203.2279.4mm40CrNiMo、36 CrNiMo4表3 接头类型互换对照表数字型接头可以互换的API标准接头数字型接头可以互换的API标准接头NC2623/8IF（内平）NC404FH（贯眼）NC3127/8IF（内平）NC464IF（内平）NC3831/2IF（内平）NC5041/2IF（内平）对于用户来说，水井的钻进深度，必须参考不同壁厚和钢级的钻杆抗拉、抗扭、抗内压和抗外挤的强度数据，以及钻杆接头材料的匹配，方能保证钻杆质量及施工的顺利进行。3 钻具的选配钻具的配合是以井身结构为主要依据，同时还根据钻井设备负荷，钻机的型式、工艺方法、钻具工作条件、钻井技术要求、现场钻具供应情况，以及现场技术水平等全面考虑。3.1 不同类型钻杆的选配水井钻探用钻具常用的有四类，即根据不同类型的钻机、钻孔直径、深度、钻进工艺分为：单壁钻杆、外平单壁钻杆、双壁钻杆、外平双壁钻杆。可见进行钻具组配是一项很细致的工作。只有组配合理，才能在钻进中充分发挥高效钻进的优势。所谓钻具组配，就是选用钻杆的外径与所钻口径之间的配合关系。确定钻具组配的原则是，尽可能满足钻井液循环和排岩屑的情况下，单壁钻杆与孔径的差愈小愈好，双壁钻杆的通孔内径愈大愈好。不同类型钻机钻进的口径和深度选配的钻杆规格见表4，各种钻进工艺选配的钻具连接示意图见图1、2、3、4。表中所列主要针对钻杆适合的口径范围，钻进深度与钻杆体及接头材质有关。仅供参考。表4 不同口径、深度各种钻具配套表钻杆直径/mm钻杆型式钻杆长度/m适合钻进口径/mm钻进深度/m备 注60、73单壁有细扣式57350152100200立轴、转盘、正循环89单壁有细扣式6400216100400立轴、转盘、正循环89单壁无细扣式94501521001500立轴、转盘、正循环114、127单壁外平式94001521001200全液压动力头车装钻机、正循环127、89单壁无细扣式94501521004000转盘钻机、正循环114、127双壁外平式94001521001200全液压动力头车装钻机、反循环127（双）、89（单）双壁钻杆+单壁钻杆94001521504000转盘钻机、反循环140（双）、89（单）双壁钻杆+单壁钻杆94001523004500转盘钻机、反循环图1 转盘或立轴钻机正循环钻进工艺钻具连接示意图图2 全液压动力头钻机正循环钻进工艺钻具连接示意图图3 转盘式钻机反循环钻进工艺钻具连接示意图图4 全液压动力头钻机反循环钻进工艺钻具连接示意图3.2 钻铤直径和稳定器的选配在钻井过程中，钻铤是钻柱下部的主要组成部分，由于其壁厚大，单位长度的重量大（常用壁厚一般为2565mm，相当于钻杆的46倍，单位重量比钻杆大45倍），作用主要是用来给钻头提供钻压，并使钻杆处于受拉状态，以其大的刚度扶正钻头，减少钻柱下部的弯曲，防止钻杆折断，保持钻孔垂直。从实践中钻探工作者充分认识到用钻铤加压不仅提高了打垂直井的成功率，同时也使各种钻具事故大大减少。多年来的钻井实践证明，钻柱中合理的钻铤用量应是钻铤的重量超过所需钻压的10%30%，但考虑到选用钻机的能力大小，不一定达到。而同时匹配的钻具稳定器是钻井工程中控制井斜的必备工具。它以有效的稳定作用增加钻头寿命，提高钻井速度和井身质量，降低钻井成本。在日常钻井中钻铤和稳定器配合应用，选用最多的为整体式螺旋稳定器，按安放位置分为钻柱型和井底型两种，三螺旋棱带构造，采用优质钢材和先进的工艺方法加工而成，外径表面镶有硬质合金，具有结构简单、抗弯、抗压、刚性强、耐磨性能好、螺旋阻力小等优点。使用时稳定器推荐35只为一组。分布为上、中、下三个部位，最下边的一只为井底型，两端接头都是母扣，直接与钻头连接，确保稳定效果。最上边的一只为钻柱型，安装于钻铤第一个弯曲切点处，扶正钻铤与井孔中心。中间部位视现场情况安装13只钻柱型。有关水井钻探牙轮钻头同钻铤尺寸配合见表5，水井钻探常用牙轮钻头、整体螺旋稳定器配合见表6。表5 水井钻探常用牙轮钻头、钻铤尺寸选配表牙轮钻头尺寸钻铤外径钻杆尺寸参考基本尺寸/mm尺寸代号/in基本尺寸/mm尺寸代号/in基本尺寸/mm尺寸代号/in152200677/812112743/458931/220024077/891/2152159661/48911431/241/224129591/2115/816517861/2711412741/25295346115/8135/817820378127140551/2346445135/8171/22032288914016851/265/8注：当牙轮钻头直径确定之后，有条件的话钻铤和钻杆尺寸尽可能选上限。表6 水井钻探常用牙轮钻头、整体螺旋稳定器选配表牙轮钻头尺寸整体螺旋稳定器两端螺纹类型基本尺寸/mm尺寸代号/in工作外径/mm两端本体直径/mm内径/mm长度/mm钻柱型井底型上端下端上端下端152.46152.2121511200NC38（31/2IF）31/2REG190.571/2190.5159571600NC46（4IF）41/2REG215.981/2215.21591651787116001800NC46（4IF）NC50（41/2IF）241.391/2241.31781971600NC50（41/2IF）65/8REG311.2121/4311.2203209761800NC56（65/8REG）65/8REG444.5171/2444.5229241.320002200NC61（75/8REG）75/8REG由于水井钻探技术的迅速发展，多种钻井工艺方法已得到大力推广，其中牙轮钻进技术除石油钻井外，现已成为水井钻探更新换代的措施普遍推广应用，但按牙轮钻头的钻进技术要求，钻铤和稳定器配备必不可少，它直接影响着钻进效率的高低与钻头寿命以及成孔质量。所以对于水井钻探工作者来说，应重视施工中钻具的选配。4 钻具的损坏预防措施随着水井钻探深度的不断增加，作用在钻具上的载荷和力也在增加。加之钻具在井中旋转和纵向运动，也会引起同井壁和套管的相互摩擦导致钻具的磨损，还包括有正循环钻进中岩屑和铁屑对钻具内外壁产生的磨蚀。长时间应用后就会发现接头外径和管体的磨损以及螺纹的损坏，这些都是缩短钻具寿命的主要原因。目前所发生的大多数钻具事故都是由于孔底条件或由于人员的操作不当，超过了设备能力所造成的。主要事故是接头的损坏，而接头的损坏是由于螺纹受拉，母扣胀开，台肩端面损坏以及螺纹损坏所产生的，原因是扭转或拉伸过载，钻具的匹配连接不合适，操作不正确等。这些原因完全可以减少或预防。4.1 扭转和拉伸超载在钻进过程中钻具的扭转和拉伸损伤既是明显的，又是模糊的；既是突变的，又是被动的。扭转损伤最普通的原因是井底扭矩。当钻具底部停止回转或处于悬挂状态时，钻具上部在动力或转盘回转的驱使下仍继续保持转动时，钻具处于最危险状态。最常见的扭转损坏形式之一是公螺纹被拉断，其断面的形状通常是杯子锥体的形式。断面凹形部分位于母扣里的公扣断头上，断面的凸形部分位于公扣体上，这种损坏形式发生在接头突然拧紧，公螺纹拧进母螺纹并在最后一扣上产生了大于材料拉伸强度的那一瞬间，扭矩急增，甚至还会出现母扣胀口，或公扣伸长同其他形式的扭转破坏一道发生，也可能由于超扭矩而单独发生。还有台肩是接头中唯一密封装置，如果连接未达到，就不能防止泄漏，也会出现冲蚀损伤。若出现这种破损形式，首先要检查螺纹拧紧后的紧密距是否达到要求。同时还要对所有公螺纹进行磁力探伤，以便找出螺纹根部裂痕。4.2 上扣不合适随着机台人员的变化和经验不足，公、母扣未到预定位置不同心，就急于上扣，造成咬扣，而且不正当的回转上扣是造成孔内最常见的原因之一。根据作用在接头上超扭矩或扭矩不足的程度，接头的损坏可能从螺纹受拉或母接头鼓起到裂开甚至扭断。扭矩不足时也能引起像扭矩一样的损坏。如果接头在连接时处于扭矩不足的状态，它将会在孔内摆动，从而引起接头磨损和损坏。这些都会发展成为严重的问题。通过我们日常对用户施工中出现的许多事故了解，可以发现大多数情况是连接超扭矩，常常发生在转盘拧紧接头的过程中，尽管上扣操作很重要，但相对来说也很简单，因此，对于操作一定要重视，应该懂得采用正确的上扣扭矩，同时要抹丝扣油，对设备进行适当操作，积累经验，这些类型的破坏就能减少或避免。4.3 操作不正确操作引起的接头损坏多为提放钻具过程中，不使用铁护丝任意硬磨接头，导致螺纹和台肩的损伤。另外当接头丝扣未严格按螺纹量规加工检验，配作或在多个地方加工出现的误差，不能达到同一扣型可靠的互换性，凑合使用，并且出现卸扣困难时，大锤猛敲击，甚至氧气烤，没有注意到出现此问题的原因，简单操作。还有机场立根设置不合理，中间支撑少，立根产生的弯曲过大，也会出现接头的不正常受力损坏等。4.4 钻具的其它损伤形式从我国水井钻探每年钻具发生的孔内事故来看，除钻具振动、弯曲疲劳、管体刺穿、扭断、拉伸外，对钻具损伤最严重的是跑钻产生蹾钻，一下子把钻具蹾弯无法修复。再是孔内产生的埋钻、卡钻，处理事故时，强拉、强压、强扭和震击等，大大超过钻具的屈服强度，这样会使原有的缺陷或疲劳加剧。因此，提高司钻人员的操作水平，减少孔内事故，尽可能简化孔内钻具的组合，是非常必要的。4.5 钻具的维护方法要想钻具达到一定的寿命，就必须合理使用、加强维护，这也是减少钻探事故、降低成本的重要保证。通过对钻具损坏的各种原因分析，钻具的维护是我们钻探工作者一项必须高度重视的问题，现简要介绍如下：（1）根据孔深和孔径正确选用钻杆，钻铤和稳定器，尽可能减少钻孔环状间隙，这样不仅提高了钻进效率、钻孔质量，而且减少了钻具的折断事故，改善了钻具在孔内的工作状态，弯曲挠度减少，疲劳破坏应力也会降低，出现的磨损自然也减轻了，钻具寿命也长了。（2）水井钻探中除全液压动力头车装钻机外，多为转盘钻机，方钻杆工作时承受着钻具的全部重量，并把转矩传给钻杆，卸下方钻杆时必须戴上护丝，若入鼠洞时要慢，以免因斜度关系而压弯。比较短的方钻杆放倒要垫平。运输过程中长的要放入专用的护筒中，免得压弯撞击，短的一定要放平。使用过程中上端反扣与水龙头务必上紧，防止脱落。（3）对于钻铤来说，使