API应力减轻结构配合接头在钻井中的使用

张建中，田 波，杜 松

（西部钻探库尔勒管具技术服务分公司，新疆 库尔勒 841000）

1 发生经过

2021 年8 月29 日3:04，地处塔北项目部一开发水平井铣锥磨铣修窗至井深5563.71m（钻压5t，排量28L/s，泵压16.5MPa）上提钻具悬重由 198t↑209t（未提开，上提过程中泵压由16.5↓15.7MPa）；下放钻具开顶驱，扭矩3.8kN·m，降排量至18L/s 后再次提排量至28L/s（泵压由15.7↓8.4↑13.7MPa），4:10起钻检查钻具，8 月 30 日 12:00 起钻完，发现距 411*NC52T 母转换接头母扣端面以下约105mm处断裂。

2 钻井设计情况及钻井过程

（1）钻井地质情况：该井位于塔北隆起哈拉哈塘凹陷北部的轮南低凸起东河塘断裂背斜构造带上，遇地层从新到老依次为新生界第四系、新近系、古近系，中生界白垩系、侏罗系、三叠系，古生界石炭系、志留系、奥陶系，主要含油气层系为侏罗系和石炭系。

（2）钻井设计基本情况：设计井深6408/5776.85m（斜深/垂深），开发井，水平井。

（3）钻井过程如表1所示。

表1 钻井过程

①失效时钻具组合：∅216mm铣锥+∅172mm转换接头（411*NC52T母）+5″非标加重15柱+5″非标钻杆。

②落鱼结构：∅216mm铣锥（1.23m）+∅172mm转换接头（0.84m），鱼长：2.07m，理论鱼顶：5561.64m。

③转换接头失效前钻井参数：钻压40～60kN，转速50r/min，排 量 28L/s，泥 浆 密 度 1.27g/cm3；泵 压16.5MPa，扭矩6～18kN·m。

3 断口描述

失效接头在钻柱中距离井口5563.71m，在螺纹上发现没有加工API 应力减轻槽，断口距离转换接头母扣端面以下90～113mm（接头有效长度970mm）（见图1），即内螺纹根部第二扣与第三扣之间，断口外径172mm 内径118mm ,断口3/5 端面均有明显冲蚀刺痕，有大面积的裂缝产生，瞬断区约占2/5，剪唇区高25mm（见图2），长50mm；宏观断口判断为应力累积大面积刺穿断裂断口。

图1 断面侧面图

图2 断裂处剖面

4 失效接头基本情况

失效∅172mm 转换接头（411*NC52T），钢号2005-1225，生产厂家是油田优选的转换接头生产厂商,近几年油田生产转换接头市场占有率超50%,责任失效0起。失效接头于2020 年7月入网，全新接头（曾发GL-303H井未用）；本次送井前超声、磁粉探伤均合格，该转换接头本井累计连续入井7 次，1 次通井，2 次送入斜向器，4 次直连不同铣锥开窗磨铣作业，累计使用时间294h（纯钻时间56h，进尺4.71m）。

5 失效原因分析

根据失效转换接头在井底钻具组合中位置，结合失效前钻井参数，此接头此时在提供钻压，受高频交变弯扭应力，且此接头没有应力减轻结构，根据宏观断口判断为铣锥与转换接头在斜井段长时间定点旋转，高频交变弯扭交变应力作用下使之应力累积产生微裂纹，在没有应力减轻结构情况下微裂纹继而扩展为裂缝而刺穿，大面积刺穿到约60%断口总面积时，上提吨位到209t后，下放泵压下降，剩余40%连接不足以提供所需拉力，接头断裂失效。

磨铣作业处井斜为15°，井底斜向器4°，服役工况恶劣，失效接头作业处弯扭应力集中,对失效接头本体外表面磁粉探伤可见密集型横向磁痕显示（见图3）。

图3 失效接头磁痕显示

失效主要原因分析如下：

（1）XX石油技术服务有限责任公司提供开窗侧钻服务，其施工方案及钻具组合，提供的铣锥螺纹未加工应力分散槽，且未提供与之配套的转换接头。

（2）使用方错误地使用了未带应力减轻结构转换接头（411*NC52T），这违反了《钻具现场管理与使用手册》中所及条款“接头外径158mm 及以上规格采用应力槽（方钻杆保护接头除外）”。

（3）该转换接头自使用至断裂失效，本井连续入井7次，累计入井使用时间294h，后4次均为更换铣锥，但未更换该转换接头，且该转换接头无应力减轻机构，自造斜点5559m 磨铣至5563.71m，进尺约4.71m，纯钻56h，磨铣开窗长时间定点旋转，高频压应力及高频弯扭交变应力使螺纹连接处应力快速集中产生微裂纹进而刺穿断裂失效（本体外表面磁粉探伤可见密集型横向微裂纹），见荧光磁粉探伤图。

总结：统计结果显示塔里木油田类似开窗作业较一般钻井作业工况复杂，窗口附近工器具服役工况较为恶劣，开窗井在窗口附近失效断裂比例相对常规作业大得多，其本质还是连接螺纹部位的交变弯曲应力集中引起的，怎样减低螺纹交变弯曲应力引起应力集中，延长螺纹寿命，有没有解决的方法，在螺纹上加工应力减轻结构就是一个有效方法，目前塔里木油田使用的有API 应力减轻结构、TLM 应力减轻槽和LET应力减轻结构，在这三种应力减轻结构的实用效果，API的应力释放效果较好；在新版《塔里木油田钻工具管理与使用办法》中所及应力槽加工条款“钻井用5”及以下规格钻铤螺纹用于定向井等斜井段的应采用API应力减轻结构，这次失效事故主要原因除去工艺方面因素，洗锥和配合接头的螺纹加工都没有API 应力减轻结构，建议今后对于这种弯扭交变应力容易集中的作业，优选或者加工API 应力减轻机构的工器具进行作业，从而降低风险减少失效。

6 预防措施

（1）按照油田钻工具管理和使用办法要求，斜井段所用钻铤及转换接头应采用应力减轻槽，斜井段从事特殊工艺更应严格执行，使用方应参考《塔里木钻工具管理与使用办法》中推荐的相关参数，避免造成钻具失效事故。

（2）加强现场钻具探伤排查和跟踪，控制现场探伤和在井使用时间，特殊工艺井应使用工具方组织提供接头、工具螺纹与配合接头螺纹必须加工API 应力减轻结构。

（3）持续加强基地的质量管理，严格按螺纹修复和检测要求做好质控，确保送井钻具质量100%。

（4）除去钻具加工和使用方面的原因外，特殊工艺井的施工方案和工艺的优化也是降低钻具失效的积极因素。