关于钻杆失效分析与质量控制研究

2022-08-19支鹏鹏张然刘智超

中国设备工程 2022年15期

支鹏鹏，张然，刘智超

（渤海能克钻杆有限公司，河北沧州 062650）

专供石油使用的管材有油管、套管以及钻杆这3 类产品，在这之中钻杆产品在油气勘探开发工作之中占据着相当重要的地位，是钻柱组合之中不可或缺的组成部分。最近几年，我国对石油和天然气的需求逐渐递增，导致浅层油气资源的储蓄量几近耗空。因此必须要加大对西部油气田的勘探与开发工作，深井、超深井、高含二氧化碳以及硫化氢的酸性气田的数量成比增长。在这样严苛的工况环境中，钻柱的工作环境也更加严苛，这样就会导致钻柱出现失控的情况更加频发，钻杆也是失效事故的多发点，这将会对工程进度造成很大的影响，严重拖慢工程的进度，甚至会导致出现大量的财产损失，危害相关人员的生命健康。所以开展高性能钻机以及钻探用管的研发工作显得尤为重要，加强对钻杆失效案例的原因分析工作以及对其的质量控制工作，保证钻杆的产品质量以及其使用的可靠性是确保油气田生产安全性的重要举措，也是全方位促进提升高性能钻杆质量水平的不二手段。

1 钻杆失效情况分析

钻杆在钻井之下的受力情况十分复杂，经常处在一种复合载荷的作用情况之下，并且在钻井的过程之中，钻杆会不停地和井壁产生摩擦和碰撞，在这种情况下，钻杆就成为了整个钻柱最薄弱的部位。一旦钻杆出现失效的问题，轻则将会拖慢工程的进度，重则将会造成全井报废的严重后果，将会产生巨大的经济损失。

钻杆的失效形式主要存在以下两种：钻杆螺纹失效，钻杆本体失效。导致出现钻杆螺纹失效问题的原因多且复杂，常见的有内螺纹接头涨螺纹、内螺纹接头开裂、螺纹粘结、刺漏等、以及钻杆本体刺漏、断裂等这几种。

失效的原因主要能够氛围由腐蚀环境引起的失效、使用不规范引起的失效、制造质量不合格出现的失效以及设计不够合理引发的失效四种。

石油管工程技术研究院相关研究人员展开了材料性能对钻杆腐蚀疲劳寿命影响的实验研究，研究人员们将多种材料放在一起进行腐蚀疲劳寿命的对比实验，最终得到的结果显示成分偏析是导致腐蚀疲劳寿命缩减的核心因素，并且提出了一种通过低倍组织酸蚀检验的方式，该检验方式所需要花费的成本相对来说不高，该方法能够对钻杆材料的性能进行充分的评判。研究人员针对某油田Φ139.7mm 钻杆内螺纹接头纵向开裂失效问题进行了原因分析研究，分析结果显示由于内外旋合螺纹之间出现了剧烈的摩擦现象，其作用力促使内螺纹牙顶逐渐形成了马氏体，裂纹从马氏体的内部产生，并且因为材料之间的横向冲击功大大小于纵向冲击功，所以导致其裂纹沿着纵向产生了脆性扩展，最终引起了钻杆接头部位出现了纵向开裂失效的情况。不仅如此，研究人员还指出，加强现场操作的管理，对上扣扭矩环节严格把控，均匀涂抹螺纹脂，对于存在螺纹参数超差情况的钻杆要及时的更换，做好上述措施就能够最大限度减轻由于螺纹旋合面之间出现剧烈摩擦进而形成马氏体的现象。除此之外，相关的生产厂家改进自身的热加工工艺，提升钻杆接头材料的横向冲击功，这样也能够减轻此类失效事故的发生。钻杆制造质量存在问题也是导致钻杆出现失效问题的主要原因之一。研究人员对钻柱失效原因进行了一个统计总结，其中引起钻杆失效事故的因素之中，由制造质量问题引起的失效事故占据总体数量的三成以上，引起钻柱失效的制造方面的原因也是十分繁杂，钻柱的制造工作之中存在的微小缺陷很可能就会形成应力集中或者是降低疲劳裂纹萌生寿命，削弱材料具备的服役抗力，容易诱发钻柱在早期出现失效的问题。研究人员通过技术手段并结合施工现场的真实情况对刺穿钻杆失效的原因也进行了分析。最终的分析结论显示，由空气钻井转用到泥浆钻井的时候，知识对钻井的方式以及钻头进行了改变，但是并没有改变其钻具组合，最终造成钻具和井壁之间的间隙逐渐扩大，从而造成钻杆出现疲劳断裂的情况。

上述的文献分析结论都充分证明了钻杆失效主要是由于腐蚀环境因素、使用因素、制造因素和设计因素等因素造成了，但是往往并不是由于单一的一种因素促成，往往是有多个因素伴生，以及在其共同的作用下导致的。所以，要想提升钻杆的质量，不仅仅要在使用过程之中注意相关的问题，还要加强对钻杆制造环节的监督，提升钻杆的质量，进而避免由于钻杆失效事故导致的损失，促进钻井工作的安全顺利的运行。

2 加强质量控制确保钻杆质量

随着我国水平井、深井、超深井、大位移井等钻井技术的研发程度逐渐加深，其运用的范围也愈加广泛，除了API 标准钻杆，大量的非API 钻杆也逐渐被广泛应用在油气田领域之内，这些非API 钻杆在一些复杂严峻的环境之中都得到了利用，综合钻杆失效事故的具体情况进行分析，本文提出了大量有关于提升钻杆质量控制工作的措施，能够促进提升钻杆使用的稳定性以及可靠性。

2.1 加强钻杆产品标准理解及应用

钻杆的生产工作以及订货工作都应该严格按照API SPEC 5DP《钻杆规范》标准进行，也就是在整个钻杆生产以及后期投入使用的过程之中都需要严格依照该规范进行相关的质量检测工作，对能够对产品的质量造成影响以及破坏产品性能稳定性的因素进行分析研究，一定要充分保障产品的合格率符合标准。对于出现失效情况的试样，在检测的过程之中也要严格遵守规范标准进行相关的检测工作。对于部分失效破坏比较严重的样品，如果无法从标准的位置取样的试验样品，必须通过了各项检测以后根据最终得到的检测数据来进行判断，判断需符合生产、使用以及检测机构联合确认的标准。所以，也就是代表所有的钻杆生产、订货乃至质检机构都必须要强化对钻杆质量标准的理解，只有这样才能够尽可能确保钻杆最终的得到的质检结果的有效性。

2.2 依据工况条件制定补充订货技术协议提升钻杆适用性

API Spec 5DP《钻杆规范》标准所规定的技术条件是国际上钻杆生产厂家的平均水平。现实的施工过程之中发生的钻杆失效的案例也能够充分证明，在钻杆实际的使用过程之中，因为要面临着极其复杂的工况条件，各种工况条件共同作用，就导致钻杆所工作的环境相对来说比较恶劣。由此可见，API 标准规定的技术指标并不能完美适配所有的工况环境。所以在进行钻杆失效原因分析工作的时候已经要将实际的钻杆工况的环境纳入考量的范围之内。钻杆具体的使用环境情况决定着钻杆最终的质量性能评判的标准，例如如需在腐蚀环境之中工作的话，钻杆的材料的选择也应该衡量其环境具体的腐蚀程度，来进行耐腐蚀材料的选择；根据工况最终确定的载荷与温度条件来进行对应的钻杆选择。

2.3 加强钻杆现场规范操作及使用管理

现场操作的不恰当和失误也是导致钻杆失效事故发生的一大原因。选择好符合质量以及标准要求的钻杆之后，如若在使用的过程之中存在不当操作，也很有可能会引发钻杆的失效事故，从而造成出现财产损失。所以，我们不仅仅要对钻杆的质量进行严格的要求，施工现场的操作行为也必须符合相关的操作规范，要加强对操作现场的管理监察力度，只有将对现场的操作质量管理进行严格把控，促使钻杆质量能够和现场的操作规范相匹配，这样才能最大限度的将钻杆失效事故发生的可能性降到最低。不仅如此，相关的现场操作管理规范必须要建立完善，日常对钻杆的维护工作也要做到位，尽可能减少对钻杆的损害。

2.4 加强无损检测技术的应用

除了标准规定的一系列内容以外，还应该引入无损检测技术在钻杆质量控制工作之中的运用，在对应的补货技术条件中之中要新增出对相关钻杆部位进行无损检测的内容，要提升对钻杆无损检测的要求。只有将无损检测技术和钻杆的质量控制工作相结合，充分利用技术的优越性来完善钻杆的质量管理工作，确保钻杆的质量能够符合使用保准的规定，才能够进一步确保施工现场的安全顺利进行，降低钻杆失效事故发生的机率。

3 严苛工况用非 API 高性能钻杆质量控制流程

（1）生产商必须要按照非API 钻杆生产的技术标准对产品的整体性能进行检测，充分保障产品本身的质量不存在问题。

（2）在钻杆产品投入到正式的使用之前，还需要任命第三方检测机构对钻杆的质量进行全面的检测工作。然后，根据相关的工作条件和补充订购的技术条件，对钻杆产品的性能进行进一步的适用性评价，以确定其适用范围。针对油气田使用的质量问题和年度监督抽查故障分析中发现的质量问题，分析其故障的具体原因，提出有针对性的改进措施，进一步提高钻杆的质量管理，确保高性能钻杆质量的可靠性。结合工厂检验的质量控制过程，结合以往的第三方检验、适用性评价、质量监督和抽查检查，如图1 所示，可以进一步保证钻杆质量的可靠性。