钻具失效原因分析及对策研究

李永庆

（大庆钻探工程公司，黑龙江 大庆 163413）

钻井施工花费巨大，一口深井的钻井作业成本往往达到几千万元。在钻井作业过程中，井下钻具的工作环境十分恶劣，要在高温高压环境下承受各种应变载荷和剧烈碰撞，同时还要受到钻井液的冲刷和腐蚀[1-2]。由钻具失效产生的起钻换钻具以及停钻打捞落鱼等事故会严重影响钻井施工进度，增加勘探开发成本。因此有必要对钻具在井下可能产生失效的原因进行系统分析，针对性地给出策略，从而预防和避免井下事故的发生，为提高油气田开发效率提供技术支持。

1 国内外研究情况

1.1 国外研究情况

20世纪40年代，国外开展了金属疲劳、钻井液腐蚀性等对钻具的影响机理研究，研究结果表明提高钻具的材质强度和优化钻具结构可以有效减少钻具刺漏和钻杆断裂的发生。1975年国外学者Hansford等基于有限元的分析方法，开展了钻具组合在井下的应力和应变研究，使钻具失效研究得到了更为准确的力学支持。随着21世纪人类经济的快速发展，深井超深井数量的大幅度增多，针对钻具失效问题的研究成为了热点，在新型材料研发、钻具检测方法、材料力学理论等方面均取得了突破，大幅度提高了井下钻具的使用安全性。

1.2 国内研究情况

国内于20 世纪60 年代开始对钻具失效问题进行研究，朱德武等通过研究应力和应变等载荷对钻柱破坏的影响，从疲劳破坏方面给出了钻具失效的影响因素。陆永明等研究了钻柱应力、钻井液性质、井下温度等对钻柱的破坏情况，分析了缓蚀剂对缓解钻柱腐蚀和保护钻柱强度的作用。近年来，随着特殊工艺井的逐渐增多，国内针对钻具失效的研究力度也进一步加大，研究水平也得到了大幅度提高。

2 钻具失效的主要形式

由于井下的施工条件比较恶劣，钻具主要受到井底高温、钻井液腐蚀与冲刷、载荷应力、井壁碰撞等因素的影响，钻具失效主要有塑性形变、钻具损伤和钻具断裂等三种形式[3]。

2.1 钻具形变

随着钻井深度的增加，钻杆长度和自身悬重不断增加，当钻杆承受的拉伸应力超过其自身设计强度时会产生难以恢复的形变，当形变积累到一定程度时就会引发钻具失效。

2.2 钻具损伤

钻具损伤主要是由钻井液腐蚀、钻具表面磨损和机械性损伤三部分构成。其中由于钻具长时间工作在井下高温环境中，钻井液中的溶解氧和氯离子会对钻具产生腐蚀而导致钻具强度降低甚至刺漏；钻井液中含有的固相颗粒对钻具表面的冲蚀会使钻具受损，进而导致裂纹性断裂；钻具在存放和使用过程中也会由于碰撞或者液压大钳上扣等造成应力损伤。

2.3 钻具断裂

钻具断裂的主要原因有：当发生卡钻等工况时，钻具承受的负载远大于本身的抗拉强度时会发生过载性断裂；在腐蚀和应力双重作用下发生的应力腐蚀性断裂；由于共振和长时间反复使用造成的疲劳断裂。

3 钻具失效的主要原因

钻具失效往往是由于多种原因共同作用造成。据统计，钻铤和钻杆是最易发生失效的部位，因钻具自身质量问题造成的失效比例是12.8%，因现场使用不当造成的失效比例为32.2%；因井下工作环境造成的失效比例是52%；由于运输、保存原因造成的失效比例是3%。

3.1 钻具自身材质因素

对钻具失效的统计分析表明，生产过程中使用的原料材质品质较差、生产工艺不达标和产品尺寸偏差大，是导致钻具失效的主要原因，主要表现在：①钻杆加厚部位的结构存在问题；②钻杆、钻铤等钻具间的转换接头质量差；③螺纹加工标准低，在应力集中作用下发生问题，导致应力损伤；④钻柱强度不达标。

3.2 环境因素

国外一家钻井设备公司的统计表明，造成钻柱失效的最主要的环境因素是钻井液腐蚀。钻井液的含砂量、pH值、润滑性、流态、温度等均对钻柱失效有着直接或间接的影响。钻井液对钻柱的腐蚀性排序为：充气盐水钻井液＞盐水钻井液、低pH钻井液＞高pH钻井液＞油基钻井液。由于钻井过程中，钻井液在完全敞开的环境下进行循环，空气中的氧气会随着钻井液的循环大量溶解形成具有强氧化力的游离氧，游离氧在井下高温的作用下会对金属钻具产生强烈的腐蚀作用，形成氧化铁等氧化物，从而降低钻具强度。此外，当钻遇含二氧化碳、硫化氢和含高矿化度水的地层时，随着二氧化碳、硫化氢和地层水侵入钻井液，也会加速井下钻具的腐蚀。

北方冬季施工时，室外最低温度可达零下40℃左右，而深井的井下温度通常高于150℃，由于环境温度和井下温度的温差过大，钻具易因冷脆发生断裂失效，而且在室外低温环境下上扣后，在井底高温作用下会由于膨胀作用造成丝扣的应力集中而对钻具造成破坏。

钻遇坚硬地层和非均质地层时因地层因素，产生憋跳钻导致钻柱震动而失效；钻遇倾角比较大的地层，因为井斜和方位不易控制，导致井眼轨迹不规则，狗腿度过大，使井下钻柱发生弯曲，所受应力和应变级别增加，从而诱发钻具断裂等失效事故。

3.3 现场施工因素

现场施工因素也是引发钻具失效的重要因素之一。比较常见的情况有：①部分施工人员不按规程上扣，导致上扣扭矩不达标。当上扣扭矩过低时，丝扣之间的连接不紧密，没有达到预期的载荷，在长时间井下应力的影响下，会出现微小的缝隙，井下的高压钻井液容易从这些缝隙处高速射出，从而导致钻具刺漏；当上扣扭矩过高时，一旦发生憋跳钻就会造成涨扣现象影响钻具寿命。②螺纹密封脂使用不当。使用螺纹脂是为了在螺纹和台肩之间形成油膜保护层，降低金属之间的直接摩擦和粘连，但当密封脂质量不达标或者涂抹不均匀时，会在井下剧烈震动和高温作用下而失效，导致刺漏和粘扣事故的发生。

4 钻具失效的技术对策

钻具失效产生的原因既有地层条件和外界环境等客观因素，也有钻具质量差、钻具组合不合理、施工工艺存在问题等主观因素。客观因素是难以避免的，要预防钻具失效问题的发生，主要应该从主观因素着手[4]。在钻井施工作业中，应该重点注意如下方面：

（1）下井前加强对钻具质量的控制。①严格按照国家标准采购质量达标的井下钻具，钻遇坚硬地层时，应该优先使用高韧性钻具；②严格执行探伤程序，发现问题后及时对钻具进行修理和替换；③钻遇特殊地层时避免使用已被腐蚀的钻具。

（2）针对性地优化钻具组合。①钻遇井眼轨迹发生大幅度变化的地层时，在钻铤间加入过渡短接，减少钻具偏磨现象的发生；②在有条件的情况下，使用强度和韧性更好的G105 钻杆；③根据地层情况优选钻头，减少因钻头原因造成的憋跳钻情况。

（3）定期对钻具进行探伤并按照规程替换钻具位置。①一般情况下对钻铤的螺纹部分每使用250h左右进行一次探伤，特殊情况下每次起下钻均要进行探伤；②每3～4次起下钻需要倒换一次钻杆和钻铤；③对井队施工人员进行培训，使其具备基本的判断能力，在起下钻和拆卸扣时第一时间通过目测来判断钻具是否存在缺陷。

（4）加强钻具的日常维护管理。①建立钻具使用台账，了解钻具的使用情况，确定其疲劳程度，根据实际使用情况确定该钻具是可以继续使用还是应该进行维护保养；②将深井使用过的钻铤按批次倒换到浅井中使用，达到一定期限后切除全部旧扣并重新造扣，从而避免疲劳应力对钻具的损害。

5 结论和建议

（1）钻井施工花费巨大，由钻具失效产生的起钻换钻具以及停钻打捞落鱼等事故会严重影响钻井施工进度，增加勘探开发成本。

（2）钻具失效往往是由于多种原因共同作用造成，钻铤和钻杆是最易发生失效的部位，工作环境和现场使用不当是钻具失效的主要原因。

（3）加强采购环节质量把关、优化钻具组合、使用合理的钻进参数、提高钻井液性能、定期探伤并加强日常维护管理是预防钻具失效的主要方法。