?101.6 mm煤層氣鉆井專用鉆桿研制與應(yīng)用

陳長(zhǎng)青，王顯林，李毅平，張德旺，王青林，張曉慧，李德偉

(1．渤海石油裝備制造有限公司 渤海能克鉆桿公司，河北 青縣062658； 2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002； 3．渤海石油裝備制造有限公司 防腐分公司，河北 青縣062658；4.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457)①

?101.6 mm煤層氣鉆井專用鉆桿研制與應(yīng)用

陳長(zhǎng)青1，王顯林1，李毅平2，張德旺1，王青林1，張曉慧3，李德偉4

(1．渤海石油裝備制造有限公司 渤海能克鉆桿公司，河北 青縣062658； 2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002； 3．渤海石油裝備制造有限公司 防腐分公司，河北 青縣062658；4.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457)①

針對(duì)煤層氣鉆井井眼小、曲率大、煤層松散的特點(diǎn)，提出煤層氣鉆井專用鉆桿的設(shè)計(jì)思路。通過(guò)減小接頭外徑、采用接頭與管體等徑設(shè)計(jì)，增大了井眼環(huán)空間隙，提升了煤層鉆井顆粒的攜帶能力，提高了井壁穩(wěn)定性；通過(guò)1∶16的錐度設(shè)計(jì)、非對(duì)稱牙型角設(shè)計(jì)、減小螺紋牙高、增大螺紋牙根圓角半徑、在雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加公接頭大端長(zhǎng)度，降低了螺紋應(yīng)力集中，研制出?101.6 mm高抗扭、高抗疲勞的煤層氣鉆井專用鉆桿。在鄭試1平-5H井使用效果良好，在定向造斜和水平鉆井過(guò)程中均表現(xiàn)優(yōu)良的使用性能。

煤層氣；鉆桿；等徑；接頭

我國(guó)煤層氣資源豐富，位居世界第三[1]。目前，煤層氣的開采一般有2種方式：一是井下瓦斯抽放系統(tǒng)抽出；二是地面鉆井開采[2]。隨著煤層氣開采技術(shù)的發(fā)展，煤層氣地面鉆井開采方式得到進(jìn)一步的應(yīng)用。由于受熱源疊加變質(zhì)和多期構(gòu)造強(qiáng)烈改造的影響，我國(guó)的煤層氣儲(chǔ)層普遍表現(xiàn)為低儲(chǔ)層壓力、低滲透率和低飽和度的特征，推進(jìn)了定向水平井技術(shù)在煤層氣開采領(lǐng)域的應(yīng)用，從而對(duì)用于煤層氣開采的鉆桿提出了更高的要求。因此，開發(fā)煤層氣鉆井的專用鉆桿是適應(yīng)生產(chǎn)需求、提高煤層松散段孔壁穩(wěn)定性、減少卡鉆事故、降低經(jīng)濟(jì)損失的有效方法。

1 等徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤層氣的地面開發(fā)主要包括地面垂直井和定向水平井技術(shù)[3]。針對(duì)我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層低儲(chǔ)層壓力、低滲透率和低飽和度的特征，定向水平井技術(shù)成為提高煤層氣單井產(chǎn)量的重要手段。與常規(guī)油氣開采不同，煤層氣開采定向水平鉆進(jìn)是在煤層中進(jìn)行，然而煤層比較脆，而且存在著互相垂直的天然裂縫，在這種脆性地層中鉆進(jìn)極易引起井下垮塌、卡鉆等復(fù)雜事故，甚至井眼報(bào)廢[4]。

圖1 煤層氣鉆井專用鉆桿結(jié)構(gòu)

2 BHXT31型接頭設(shè)計(jì)

由于煤層埋藏比較淺，同時(shí)井眼的曲率較大，鉆桿在煤層氣開采過(guò)程中承受較大轉(zhuǎn)矩，因此鉆桿易發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致井下事故[7]。接頭外徑減小至?101.6 mm(4英寸)，使用常規(guī)的API數(shù)字型螺紋，接頭抗扭強(qiáng)度為15.8 kN·m，與?101.6 mm(4英寸)管體抗扭比為0.36，不能滿足煤層氣開采對(duì)鉆桿抗扭強(qiáng)度的需求。因此，必須開發(fā)新型高抗扭、高抗疲勞接頭來(lái)滿足煤層氣鉆井專用鉆桿的性能要求。

2.1 特殊結(jié)構(gòu)

2.1.1 螺紋錐度

目前，小規(guī)格油氣開發(fā)鉆桿普遍使用API數(shù)字型螺紋，錐度為1∶6。通過(guò)計(jì)算，相同規(guī)格的鉆桿接頭，減小螺紋錐度能夠有效增大基面節(jié)徑，由此提高緊扣轉(zhuǎn)矩。由于基面節(jié)徑增大，接頭內(nèi)徑也可相應(yīng)增大，有利于降低壓耗，因此，BHXT31型接頭將螺紋錐度設(shè)計(jì)為1∶16，提高接頭的抗扭能力。

2.1.2 特殊雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)

首先，在公螺紋小端和內(nèi)螺紋端各增加1個(gè)副臺(tái)肩，當(dāng)接頭初步上緊時(shí)，主臺(tái)肩接觸，進(jìn)一步上緊螺紋時(shí)，副臺(tái)肩接觸并發(fā)生彈性變形。此時(shí)，主臺(tái)肩提供密封和承受較大轉(zhuǎn)矩，副臺(tái)肩承受部分轉(zhuǎn)矩，使雙臺(tái)肩接頭能夠承受更高的抗扭強(qiáng)度。其次，在雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加公接頭大端長(zhǎng)度，并且公母螺紋均設(shè)計(jì)有延長(zhǎng)段，類似彈簧效應(yīng)，對(duì)加工公差敏感降低，在使用過(guò)程中變形相容性較好，能夠在鉆桿彎曲時(shí)明顯降低公螺紋最末端完全扣處的應(yīng)力水平和應(yīng)力集中，在相同彎矩下，大幅提升鉆桿的疲勞壽命[8]。

經(jīng)計(jì)算，BHXT31型接頭抗扭強(qiáng)度達(dá)到26.3 kN·m，與?101.6 mm(4英寸)管體抗扭比為0.6，滿足煤層氣開采對(duì)鉆桿抗扭強(qiáng)度的需求。接頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BHXT31型接頭結(jié)構(gòu)

2.2 螺紋牙型

由于API接頭螺紋采用半錐角為30°的對(duì)稱設(shè)計(jì)，鉆桿在使用過(guò)程中，最末尾處螺紋牙根的應(yīng)力集中、缺口效應(yīng)嚴(yán)重，減應(yīng)力槽不能從根本上解決疲勞或脆性斷裂問(wèn)題。要減少螺紋的疲勞斷裂，必須大幅降低缺口(螺紋)疲勞敏感系數(shù)。計(jì)算公式為：

(1)

(2)

通過(guò)式(2)可以看出，降低螺紋扣根疲勞敏感性的途徑可以通過(guò)減小螺紋牙高和增大扣根圓角半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。除此之外，將螺紋牙型角設(shè)計(jì)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，螺紋兩側(cè)形成承載面和導(dǎo)向面，當(dāng)鉆桿受載時(shí)，螺紋應(yīng)力集中點(diǎn)由螺紋根部向承載面轉(zhuǎn)移，延長(zhǎng)螺紋使用壽命[9]。因此，通過(guò)采用非對(duì)稱牙型角設(shè)計(jì)、減小螺紋牙高、增大扣根圓角半徑，設(shè)計(jì)出高抗疲勞的BHXT31型特殊螺紋牙型，具體螺紋設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 API數(shù)字型與BHXT31型螺紋設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

2.3 高性能材料

由于接頭外徑減小比例較大，為保證接頭具有足夠的抗拉、抗扭能力，要求接頭材料強(qiáng)度必須達(dá)到933 MPa(135 ksi)級(jí)，常規(guī)829 MPa(120 ksi)級(jí)接頭材料已無(wú)法滿足要求，因此必須開發(fā)高性能接頭材料。通過(guò)化學(xué)元素的調(diào)整，經(jīng)理論設(shè)計(jì)和多次試驗(yàn)，確定BHXT31型接頭材料化學(xué)成分如表2所示。

表2 BHXT31型接頭化學(xué)成分 wB%

通過(guò)熱處理工藝優(yōu)化，BHXT31型接頭材料屈服強(qiáng)度為940 MPa(136 ksi)，抗拉強(qiáng)度為1 010 MPa(147 ksi)，屈強(qiáng)比為0.93，斷面收縮率為59.5%，斷后延伸率為19.7%，如圖3所示。應(yīng)力應(yīng)變曲線屈服點(diǎn)與Rp0.2規(guī)定非比例延伸屈服強(qiáng)度之間有明顯屈服平臺(tái)。-20℃條件下，接頭橫向沖擊功平均值為105 J，最大力平均值為28 kN，起裂功平均值為34 J，裂紋擴(kuò)展功平均值為71 J，能夠有效阻止前期裂紋擴(kuò)展，延長(zhǎng)接頭使用壽命。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為驗(yàn)證?101.6 mm(4英寸)煤層氣鉆井專用鉆桿在多分支水平井施工中的使用效果，將首批煤層氣鉆井專用鉆桿應(yīng)用于鄭試1平-5H井進(jìn)行試驗(yàn)。鄭試1平-5H井是華北油田公司在山西煤層氣項(xiàng)目所部署的第三口科學(xué)實(shí)驗(yàn)井，位于山西省沁水縣端氏鎮(zhèn)，構(gòu)造位置為沁水盆地南部晉城斜坡鄭莊區(qū)塊。該井結(jié)合多分支井與“U”型井的特點(diǎn)，是迄今為止施工工藝最復(fù)雜、技術(shù)含量最高的一口井[10]。

由于煤層氣鉆井專用鉆桿特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接頭與管體外徑尺寸一致，與分支及脈支井所使用的API普通油氣鉆桿對(duì)比，接頭外徑由普通油氣鉆桿的?127mm(5英寸)減至?101.6 mm(4英寸)，井眼環(huán)空面積增大，環(huán)空流速放緩，減小了對(duì)儀器及環(huán)空井壁的沖刷，提高了煤層松散段孔壁穩(wěn)定性，成功避免由于煤層垮塌導(dǎo)致的卡鉆等復(fù)雜事故的發(fā)生。接頭采用特殊的高抗扭、高抗疲勞螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證煤層氣鉆井專用鉆桿在較小接頭外徑的情況下具有足夠的抗扭能力。通過(guò)分支井及脈支井的使用驗(yàn)證，煤層氣鉆井專用鉆桿在定向造斜和水平鉆井過(guò)程中均體表現(xiàn)優(yōu)良的使用性能，完井后鉆桿表面及螺紋均無(wú)損傷，如圖5～6所示。

圖4 使用后鉆桿表面無(wú)損傷形貌

圖5 使用后螺紋無(wú)損傷形貌

4 結(jié)論

1) 煤層氣鉆井專用鉆桿通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用接頭與管體等外徑形式，能夠增大煤層氣鉆井環(huán)空間隙，提升煤屑攜帶能力，提高煤層松散段孔壁穩(wěn)定性，有效減少卡鉆事故，直接降低經(jīng)濟(jì)損失。

2) 煤層氣鉆井專用鉆桿采用BHXT31型接頭型式，通過(guò)1∶16的錐度設(shè)計(jì)，有效增大基面節(jié)徑，由此提高緊扣轉(zhuǎn)矩。通過(guò)采用非對(duì)稱牙型角設(shè)計(jì)、減小螺紋牙高、增大扣根圓角半徑、并且在雙臺(tái)肩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加公接頭大端長(zhǎng)度(公母螺紋均設(shè)計(jì)有延長(zhǎng)段)，有效降低公螺紋最末端完全扣處的應(yīng)力水平和應(yīng)力集中，在相同彎矩下，大幅提升鉆桿的疲勞壽命。

3) 煤層氣鉆井專用鉆桿在鄭試1平-5H井分支及脈支井使用效果良好，在定向造斜和水平鉆井過(guò)程中均表現(xiàn)優(yōu)良的使用性能。

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Development and Application of 4” Special Drill Pipe for CBM Drilling

CHEN Changqing1，WANG Xianlin1，LI Yiping2，ZHANG Dewang1， WANG Qinglin1，ZHANG Xiaohui3，LI Dewei4

(1.BohaiNKKDrillPipeCompany，BohaiEquipmentManufacturing，Qingxian062658，China； 2.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China； 3.CoatingBranch，BohaiEquipmentManufacturingCo.，Ltd.，Qingxian062658，China； 4.BohaiEquipmentManufacturingCo.，Ltd.，Tianjin300457，China)

Since CBM drilling has the characteristics of small hole，big curvature，and loose coal seam，the design idea of CBM drilling special drill pipe was put forward.It enlarged borehole annular clearance，improved coal seam drilling particles carrying capacity，and improved the stability of borehole wall by reducing joint diameter，using the design of joint and pipe body with equal diameter.It reduced the thread of stress concentration，by using the design of 1∶16 taper，asymmetric tooth type angle，decreasing the height of thread，increasing the root radius，increasing the PIN cylinder length on the basis of structure of double shoulder.The CBM drilling special drill pipe was developed with high torque and high fatigue.The application results show that the CBM drilling special drill pipe was well used in Zheng 1 draw -5H well.It has great performance in the process of directional deflection and horizontal drilling.

coal bed methane (CBM)；drill pipe；equal diameter；joint

2016-09-30 作者簡(jiǎn)介：陳長(zhǎng)青(1973-)，男，河北武邑人，高級(jí)工程師，1997年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)，從事鉆桿及油套管的研發(fā)制造工作，E-mail：chenchangq@cnpc.com.cn。

1001-3482(2017)02-0074-04

TE931.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.017