塔河油田钻具失效分析及预防措施

2018-01-22董海龙

西部探矿工程 2018年1期

罗军，白马，董海龙

（中石化西北油田分公司石油工程监督中心，新疆轮台 841600）

钻具在钻井过程中主要提供钻压、传输动力和循环钻井液，在钻柱中具有不可替代性，钻具的合理组合设计、科学维护保养与现场使用规范化将大幅提高钻井效率和质量，缩短钻井周期，降低钻具失效机率和钻井成本；因此钻具管理是油气井建设的一个非常重要的课题，文中结合了近几年塔河油田钻具失效的主要类型，采取有效控制措施，保障钻具服役安全。

1 钻具失效的主要类型

钻具在钻井过程中受复杂的地质条件、恶劣的井下环境、复合受力和现场使用等各因素的综合作用，引发多起钻具失效故障。针对近几年塔河油田钻具失效故障，分析归纳为钻具断裂、过载变形、表面损伤等形式。

1.1 钻具断裂

1.1.1 疲劳断裂

钻具疲劳断裂主要为钻具螺纹的疲劳断裂，因为与钻具本体相比，钻具螺纹截面变化，且刚度小，在交变应力作用下（如图1所示），钻具螺纹的应力集中区是失效最多的部位（即公母螺纹的最后1～3扣）[1]。

1.1.2 过载断裂

过载断裂主要为钻井遇阻或憋钻时强拉、强扭、强压等故障处理时，作用力超过钻杆的屈服强度，在钻杆的摩擦对焊处发生过载断裂；因钻杆焊缝区域处于截面变化区域，管体极易受到泥浆的冲蚀，且该焊接区域由于热处理不完全，材料强度下降，在超负荷作用力下，应力主要集中在该区域，易发生过载断裂。

图1 单向弯曲疲劳应力分布与裂纹的扩展

1.1.3 低应力脆断

钻具在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强度，甚至还低于屈服强度时，由于钻具材质或热处理工艺等未达到标准要求，材质疏松处发生脆断。

1.1.4 氢脆断裂

井内含有硫化氢浓度超标，钻具在该环境下作业，钢材与氢原子产生化学反应，受拉应力作用发生氢脆断裂，各型号钢材在硫化氢环境下性能存在差异（见表1）。

表1 硫化氢作业条件下钻杆性能

硫化氢环境开裂主要表现为氢诱发裂纹（HIC）、氢鼓泡（HB）、硫化物应力开裂（SSC）和应力导向氢诱发裂纹（SOHIC），如图2所示。

图2 硫化氢应力开裂形态示意图

1.2 过载变形

钻具过载变形主要存在以下2种情况：

一是钻具上扣扭矩过大，或是上扣扭矩不足会使钻具螺纹在井下二次紧扣，导致钻具螺纹部位被拉伸或是接头涨扣变形。

二是钻杆本体在遇阻或遇卡故障中，在大吨位的上提下放钻柱时，钻杆受力超过本体的屈服强度而发生弯曲变形。

1.3 钻具表面损伤

1.3.1 表面腐蚀

包括均匀腐蚀、凹坑腐蚀或缝隙腐蚀，如钻具锈蚀、卡钻泡酸解卡处理，造成酸性介质腐蚀、钻井液腐蚀等情况。

1.3.2 表面磨损

主要体现在钻具螺纹部位上扣旋合时螺纹的磨损，以及井壁对钻杆本体外径的磨损，形成应力薄弱区。

1.3.3 表面机械损伤

机械损伤主要包含钻具表面碰伤，大钳、卡瓦及其他工具咬伤，以及在钻具表面焊接或火烧改变材质性能。

2 塔河油田钻具失效的主要原因

造成钻具失效的原因不是单一疲劳破坏或机械损伤破坏，往往是各种因素相互关联的，但就某一种故障来说，可能是一种或一种以上的原因造成的。

2.1 井下环境原因

2.1.1 地层因素

塔河油田钻具使用比较频繁，地层比较复杂钻井过程中跳钻及憋钻现象比较常见，特别扶正器、钻铤、转换接头和钻杆承受的扭矩较高，受憋跳钻、弯曲井眼的应力交变造成较快疲劳，如TH-1井在同一地层由于地层较硬，憋跳钻严重，相继造成扶正器和螺纹根部的应力疲劳不能有效释放，当应力达到足够的强度和足够的交变次数时，在井下复杂的受力下造成应力疲劳断裂。

2.1.2 钻井液

钻井液的种类、酸碱性、固相含量、流速、温度等情况对钻具失效均有一定的影响。如TH-2井由于该井采用新工艺钻井液中氯元素超标，使该井钻杆内外表面出现密集的针眼状腐蚀坑。

2.2 钻具自身质量原因

2.2.1 钻具选材和热处理不当

钻具材质性能强度达不到要求，材质内部组织粗大，热处理工艺达不到标准参数，其抗拉、抗扭未达到屈服强度要求下，造成低应力脆断。如TH-3井使用的外径212mm扶正器，因材质原因，在通井过程中受力较小时发生脆断。

2.2.2 螺纹机加工精度不达标

螺纹在维修加工过程中，内螺纹有效长度低于标准要求，紧扣时造成内螺纹涨扣，如TH-4井5″钻杆内螺纹，由于加工达不到标准要求，在上扣过程中涨扣，不能继续使用。

2.3 钻具组合结构不合理

塔河油田超深井一般采用塔式钻具组合，如TH-5井使用的欠尺寸B型转换接头（如图3所示）小于两端配合的钻具外径，在此部位形成哑铃状组合，成为受力薄弱区，在交变应力作用下，接头公螺纹断裂。

图3 欠尺寸B型转换接头示意图

2.4 复合交变受力因素

钻具在井下不仅与钻井液、井壁、腐蚀介质等直接接触，承受高温影响，同时还承受拉伸、弯曲、挤压等复杂应力的作用，其苛刻作业环境直接影响钻具的使用时效和质量。

在钻井过程中，钻柱常处于弯曲和扭矩的双重作用下。加于钻柱上的扭矩可近似计算为[2]：

式中：T——作用于钻柱上的扭矩，N·m；

n——钻柱的转速，r/min；

p——钻柱旋转所使的功率，W。

因而作用于钻柱上的最大剪切力为：

其中：

式中：d0——钻柱的外径，mm；

di——钻柱内径，mm。

除了受扭矩之外，钻柱会在压力、拉力、离心力和扭矩的综合作用下，不仅绕自身轴线自转，而且绕井眼轴线公转，并常常伴随着反向涡动。钻柱在自转和反向涡动并有轴向载荷情况下的最大弯曲应力为[3]：

式（4）中，受拉取“+”（中和点以上），受压取“-”（中和点以下）[4]。

式中：A——钻柱横截面积，m2；

γ——钻柱单位体积的重度，N/m3；

g——重力加速度，m/s2；

式中：

ωp——钻柱反向涡动角频率，rad/s；

P——轴向作用力，N；

E——杨氏弹性模量，Pa；

I/c——钻柱的断面模数，m3；

ωr——钻柱的自转角速度，rad/s；

L——所研究钻柱的长度，m；

R——井壁与接头间的单面环隙，m；

I——钻柱横截面积的惯性矩，m4；

ω1αl——钻柱在自转和反向涡动并有轴向载荷时的固有横振角频率，rad/s。

2.5 现场管理及现场使用因素

2.5.1 钻具入井前检查不严

在现场对入井钻具检验不严格认真，使质量低劣或有外表损伤钻具入井，造成钻具失效故障的发生。如TH-6井，在部分5″钻杆使用已达到检测周期情况下，现场作业人员没有仔细挑选，盲目下钻造成已到检测周期的钻杆未及时倒换，致使疲劳断裂。

2.5.2 卡瓦咬伤管体

在处理故障时将卡瓦直接咬住钻具管体，造成管体存在硬伤，后期使用时容易在伤痕处产生应力集中发生脆性开裂。TH-7井3-1/2″钻杆管体卡瓦咬伤，造成伤痕处刺漏断裂。

2.5.3 上扣扭矩不当

上扣扭矩不足，在钻井过程中钻杆接头会自行二次紧扣，使内螺纹接头胀大损坏。如果在钻台上的上扣扭矩过大，使接头密封台肩发生塑性变形，从而使内螺纹接头胀大损坏。上扣扭矩过大或过小等，均可诱使钻具接头和螺纹失效。如TH-8井5″钻杆扭矩过大造成内螺纹涨扣。

2.5.4 泡酸作业影响

在发生卡钻等故障后，采取泡酸解卡手段，钻具在酸性介质中浸泡时间过长，造成钻具腐蚀并产生腐蚀坑。

2.5.5 操作不当

钻井队在现场起下钻等操作过程中，由于操作不当，会造成钻具损伤，严重的还可能发生钻具断裂故障。如TH-9井在封井器未打开情况下，上提钻具时遇阻卡后强提致使3-1/2″钻杆本体发生过载断裂。

3 预防钻具失效、提高钻具使用寿命措施

3.1 钻具技术措施

3.1.1 选用LET螺纹和高抗双台肩螺纹。

LET螺纹使螺纹根部应力集中区域前移（如图4所示），降低应力疲劳集中区,目前工区小钻铤（7″以下，不含7″）采用LET螺纹大幅度减少小钻铤失效故障。5-1/2″和4″非标钻杆采用高抗双台肩螺纹增加抗扭强度，降低螺纹应力集中，扭力主要作用在公母螺纹的副台肩面处。

图4 LET螺纹结构示意图

3.1.2 规范耐磨带敷焊技术

使用耐磨和减磨性能较好的耐磨带敷焊材料，通过对耐磨带宽度、厚度的控制保障钻杆接头不被磨损，降低外径磨损强度减少发生失效故障。

3.1.3 加强钻柱螺纹薄弱环节修扣

通过对钻铤、转换接头内、外螺纹定期修扣及时消除螺纹根部存在的应力疲劳。

3.2 现场使用预防措施

3.2.1 合理利用钻具，降低应力集中

（1）钻具外径尺寸的选择，选用外径较大的钻具，可增加钻具组合的刚性，降低钻具弯曲变形。

（2）在设计钻具组合时，使相邻的钻具外径尺寸逐步减小，选用塔式钻具组合，并且在钻杆和底部钻具组合之间配合加重钻杆，在钻柱中形成尺寸过渡区，降低应力集中。同时合理选择钻铤尺寸规格，防止钻柱中和点位于钻杆位置，导致位于中和点的钻杆交变应力产生疲劳破坏。

（3）钻井过程中合理倒换钻具，释放应力，避免应力集中于固定区域。

3.2.2 规范使用钻井参数

采取有效措施，改善钻具的工作状态。及时调整钻头的型号和钻井参数，要避免井下钻柱憋跳及钻具共振的产生，钻压要避免钻杆受压导致的钻具屈曲，发生偏磨等。使用加重钻杆，改变下部钻杆受力状态，减小因截面突变产生的较大应力。

3.3 车间检测预防措施

3.3.1 标准化检测维修

制定《钻具管理规范》、《钻具检测与分级评价》、《钻具螺纹加工与检验管理规程》，规范钻具检维修各工序及现场使用管理；并在油田内开展标准化、规范化操作的视频教育培训，严格钻具检测流程，严禁跨程序作业，把关质量控制要点，降低个人操作失误；并针对重点井、重点区域进行升级管理，加强钻具抽检，严格执行接头双修扣要求，采取更严厉手段确保钻具安全运行。

3.3.2 钻具管理数据库平台

建设快捷、方便、安全的钻具数据库管理平台。所有投入油田使用的钻具均纳入管理平台，全程监控钻具使用状态，各项数据信息共享，方便各单位管理、查询、审核，确保现场使用钻具的唯一性和真实性，以确保准确及时地检维修钻具。

3.3.3 风险评估，给现场使用提供依据

根据各井钻具的具体要求，对应编制各井钻具的使用评价分析报告和现场使用提示。根据钻具生产厂家、投入年限、钻具性能参数及前期使用情况综合分析该批钻具的实际状况，提前分析存在风险因素，并对后期使用提出对应相关建议和保护措施，确保现场钻具的规范管理和使用。