定向钻硬岩正扩工艺钻杆刺漏原因分析及应对措施

刘艳辉，王 佐，李 松，张 宁，刘 鎏

1.中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北廊坊 065000

2.中国石油管道局工程有限公司市场开发中心，河北廊坊 065000

在硬岩地层正扩穿越施工中，由于钻杆在自身直径3倍以上的孔洞内，承受大的推力和扭矩，导致施工中钻杆极易发生刺漏、断裂等失效问题，给定向钻施工带来诸多安全隐患[1]。国内某硬岩穿越工程在正扩施工前期，发生了多频次的、严重的钻杆失效问题，影响了正常的施工进度，增加了施工成本。为了降低硬岩地层采用正扩工艺时钻杆的失效率，基于钻杆无损检测结论，对硬岩地层采用正扩工艺的钻杆刺漏原因进行分析，并从钻杆规格型号、动力钻具选配、新型液力推进器选用等方面进行改进，解决了钻杆刺漏及断裂问题，取得了良好效果。

1 工程概况

某定向钻穿越工程属国家挂牌督办的隐患治理工程，穿越实长1 700 m，连续穿越11座山峰及沟谷，穿越地层主要为微风化花岗岩，部分穿越中风化花岗岩，岩石抗压强度100 MPa以上。由于施工地域狭窄，只能采用正扩工艺实施扩孔作业，如图1所示。

图1 采用正扩工艺穿越硬岩地层

2 施工中出现的钻杆失效问题

钻杆失效是指钻杆在施工过程中发生刺漏、断裂、脱扣等，导致钻杆无法实现其自身功能，从而不得不暂停施工，需进行问题处理。

2.1 钻杆刺漏

在进行第一级正扩过程中，扩孔至1 100 m时，泥浆压力由4 MPa突然下降至0.5 MPa，怀疑钻具有泥浆泄漏情况发生。回抽钻杆进行检查，在距离入土点660 m位置，发现钻杆杆体中间部位有2 cm左右的孔洞，卸掉损坏钻杆，接上完好钻杆，开泵注入泥浆，测试泥浆压力正常，继续实施扩孔作业。这种突然泄压的情况发生了2次，抽出钻杆检查均出现了刺漏的现象，如图2所示。

图2 钻杆刺漏

2.2 钻杆断裂

当扩孔至1 330 m时，出现泥浆压力降低情况，现场人员立即采取措施，回抽钻杆，但泥浆压力突然降至为0，拉力极小，判断钻具有断裂情况发生。回抽钻杆发现断裂点，位于距离钻杆公接头2.1 m处，杆体出现环形裂缝，有水力冲切现象。

3 原因分析

针对出现的问题，现场组织对该批次钻杆进行无损检测。作业流程严格执行API RP7G标准：对钻杆两端过渡区和丝扣进行清理，钻杆依次进行钢印标识，测量母接头的外径和公接头的内径，管体中间部位进行超声波测厚，对接头进行目视检测，对管体进行电磁探伤（EMI）。操作之前用试管进行调试，以确保检测的准确性。将波形显示异常的区域清理干净，而后进行磁粉探伤，管体过渡区采用荧光磁粉探伤（MPI）。检测结果显示管体在刺漏位置附近还有多处疲劳裂纹，且钻杆杆体有较明显的弯曲变形。

根据现场施工情况，排除了钻孔孔眼曲率半径小、泥浆固相含量高的可能性，根据钻杆检测结果并结合工程实际，分析钻杆刺漏原因如下：

（1） 钻杆规格为6-5/8 in（1 in=25.4 mm），扩孔尺寸为20 in，在较大的环空空间内（孔洞直径为6-5/8 in钻杆杆体直径的3倍），钻杆在承受300 kN推力的情况下容易发生弯曲，同时钻杆承受扭矩，在复杂的坚硬岩石地层中，正扩的进尺速度平均为2.6 m/h。由于钻杆处于弯曲应力状态，杆体局部受拉或受压，在长时间的复杂循环交变载荷作用下，钻杆杆体容易出现疲劳裂纹。环形孔隙越大，弯曲应力频率越高，出现疲劳裂纹的风险越大[2-4]。

（2）采用动力扩孔时，较常规反向扩孔泥浆压力高出2～3 MPa以上，且泥浆排量大、流速高，长时间冲刷裂纹处，造成钻杆刺漏现象发生[5-6]，并很快导致钻杆断裂。

4 改进措施及效果

（1）更换为抗推、抗扭强度大的钻杆。在第二级30 in扩孔过程中，将原S135的6-5/8 in钻杆更换为S135的7-5/8 in钻杆（孔洞直径为6-5/8 in钻杆杆体直径的4.5倍，为7-5/8 in钻杆杆体直径的3.9倍），钻杆杆体壁厚由原来的9.19 mm增加到10.9 mm，抗推强度提高35%，抗扭强度提高45%，钻杆的整体能力得到了较大的提升。

（2）使用大尺寸的动力马达，降低钻杆推力[7]。选用C7LZ244×7.0泥浆马达，根据该马达工作参数要求，选用2台泥浆泵同时运行，满足3 m3/min以上的泥浆排量要求，动力钻具泥浆压力控制在5.0MPa，扭矩控制在400 kN·m以内。

（3）在泥浆马达上端加装液力推进器。液力推进器采用液力柔性加压的方式，将泥浆液力能转化为机械能，有效解决了正扩工艺中钻压（推力）不易施加的难题，为岩石扩孔器提供稳定的钻压（推力），进而提高了扩孔效率，有效降低了钻机负荷，钻杆承受的钻压（推力）也随之从300 kN减小到150 kN，从而大幅降低了钻杆出现疲劳裂纹的机率。

5 结束语

正向扩孔工艺在采用7-5/8 in大直径钻杆、加装动力钻具和液力推进器等钻具组合方式后，通过泥浆马达持续为扩孔器提供稳定扩孔切削动力，液力推进器柔性加压为扩孔器提供稳定钻压，减少了卡钻、跳钻现象，从而降低了直接作用于钻杆的推力和扭矩，有效延长了钻具使用寿命，同时使扩孔轨迹更平滑。采取以上措施后，后续扩孔过程中未发生钻杆刺漏情况，达到了预期的效果。