浅谈油田井下钻具配置的注意事项

2023-01-03张国栋张天明张旭

中国设备工程 2022年18期

张国栋，张天明，张旭

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司管具与井控技术服务分公司，天津 300270）

随着我国经济的不断发展，国家工业化形势明显，人们日常生产生活中所需能源量也不断增加，这就对我国能源开采以及资源开发工作提出了更高的要求。钻井等井下技术的发展能够提升油田开发的科学性，提高资源利用率的同时保护周围自然环境。井下钻具长期处于复杂的地质工作环境以及受力状态中，需承载弯曲、拉伸、压缩等多种负荷，如果技术人员在进行井下钻具配置工作的时候对于钻具受力状态以及工作状态的了解不足就会导致钻具长期处于旋转摩擦的状态，增加钻具失效的概率，进而引发安全事故。对此，技术人员应关注钻具配置的技术要点，强化油田井下钻探安全管理，主动识别井下钻探工作的危险因素，提前采取合适的手段规避危险问题，在提高资源利用率的同时保障钻探工作的安全性。

1 油田井下钻具配置的注意事项

1.1 钻具配置失效类型

通过对油田井下钻具配置工作情况的统计与分析可以将其失效情况分为以下几个类型。

第一种是钻具脆断导致的配置失效。而钻具脆断又能够被分为低应力脆断、过载脆断以及疲劳脆断三种。其中的低应力脆断指的是钻具在工作期间需要较长的时削，在这个过程中钻具将会反复承受荷载力，一旦其中部分钻具的材质或者制造工艺未达到要求，那么就一定会导致脆断问题。过载脆断则指的是技术人员在钻探的过程中使用了强拉的模式，导致钻杆承受作用力过大，甚至出现超过自己承载范围的情况，这样也比较容易导致断裂现象。疲劳脆断指的是钻具螺纹出现断裂，再加上应力影响导致螺纹个别载面承受应力过大，这样就会导致脆断问题的出现。

第二种类型则为表面磨损问题，该问题一般因钻具螺纹表面腐蚀而起，由于螺纹需要进行旋合与上扣，因此在碰撞过程中就容易出现磨损问题。另外，钻井施工过程中钻杆与井的内壁也会出现摩擦碰撞的情况，进而增加钻具表面的磨损程度。最后一种就是表面机械损伤情况，一般因钻具施工过程中被其他机械碰撞或者咬伤而起，比如钻具焊接施工过程中就有可能因操作失误导致钻具出现损伤问题。

1.2 钻具失效的原因

以上介绍了钻具配置失效的现实类型，本段则接着分析导致井下钻具配置失效问题的原因。最主要就是钻具浅层全角变化率问题，由于钻具在操作施工过程中会出现复杂的应力作用，比如钻柱的主要受力，离心力、弯曲力、挤压力等，一旦钻具浅层全角变化率发生改变，以上复杂应力的结果也会发生巨大的变化，对钻具状态造成影响。根据钻井工作手册要求，钻具螺纹上扣扭矩的上紧程度应高于限定值的90%，以免操作中出现连接过松的情况，导致钻具纹面出现严重磨损。再加上荷载问题，还容易导致钻具螺纹胀大。除此之外，钻具本体应力积累也会影响钻具工作状态，由于油田钻井持续工作时间比较久，因此钻柱将会受到循环应力影响，长期积累之后就会导致永久性的损伤，钻柱应力集中的部位则会出现疲劳性损伤，进而出现裂纹情况。

2 钻具配置的要点

2.1 严格遵循使用规范

要想保障油田井下钻具的合理配置与有效施工，技术人员应严格遵循相关配置与施工规范，避免违规操作，重视钻具配置的要点。比如，技术人员需在双钳和人钳咬合的位置使用单吊钳进行卸扣和紧扣处理，这样才能够保障钻具的工作状态，以免出现钻杆打滑的问题，维持其表面的光滑度。其次，技术人员在开展钻探施工之前应开展实地勘察工作，对整个工程进行全面的规划与细节性的描绘，保障钻具使用的有效性与完整性。此外，由于钻具持续使用之后会出现磨损问题，因此技术人员需采取错位起钻的工作模式，尽量保障螺纹的完整性。针对钻具的日常维护与检修工作，技术人员应形成合理的检修计划，加强日常维护，延长钻具使用的寿命，并使用淡水对其进行清洁处理。每次施工结束之后，技术人员需对钻具性能与结构进行检查，并根据其工作情况调整检修计划，详细记录钻具各项数据资料，为之后的检修工作提供数据参考。

2.2 优化钻井运行轨迹

随着信息技术的不断发展，技术人员也逐渐将信息技术、自动化技术以及智能化技术融入油田井下钻探工作中来，在正式实施钻井操作之前，技术人员可以利用数字化技术构建完整的运行轨迹模型，并将钻井所需的各种参数与要求输入计算机模型中，了解钻具工作状态下的受力情况，通过模型的模拟分析明确钻具的行进轨迹以及侧向力集中位置。技术人员可以根据模拟受力的结果调整钻具全角变化率，采取链式设计的方法提高钻具工作受力的均匀性，以免出现失效问题。该操作能够保障钻具运行工作的流畅性，同时还能够预防侧向摩擦失效问题，进一步提升钻井施工的安全性与可靠性。

（1）实时监控钻井参数。技术人员不仅需要关注钻具在井下的工作状态，同时还应该采取实时监控技术对井下井上全工作过程进行把控。当钻具钻速达到临界值时就会出现钻杆共振的问题，导致钻杆应力值大幅度增加，远远超过限定值范围，这样就会引发严重的磨损与疲劳现象。

对此，技术人员在施工操作时需要建立预警机制，一旦钻速接近临界值且钻柱振动频率出现几何倍数增长的时候就自动调整钻具的钻压与钻速，将整个钻具的工作状态稳定下来，避免过度磨损。针对钻具蹩转问题，技术人员可以使用循环钻井液进行处理，通过上下活动将钻具底部的钻屑进行清理，保持钻具正常的工作状态。另外，当泥浆体系的净化能力较强且密度较低时，选举的钻速能够得到一定程度的提升，进而提高整个钻井操作的效率。当泥浆矿化硬度的pH值处于8.5左右时，环境对钻具的腐蚀性将有所改善。因此技术人员还可以从泥浆体系入手，进行全面把控与调整，降低泥浆的固相含量，改善钻具工作状态。

（2）合理适配钻铤钻杆。对于钻具的钻铤，技术人员应使用液压大钳进行上扣处理，以免在使用中出现涨扣或者螺纹破损等问题。其次，技术人员还应根据工程要求优化钻具的螺纹结构模式，充分应用LET螺纹技术提升钻具接头的品质，增加钻具的承载能力，减少扭矩，增长钻具使用寿命。技术人员还可以在允许的范围内增加钻铤的尺寸，这样就能够强化内外部螺纹弯曲幅度的强度比值，进而改善钻具探伤的性能，提高操作施工的效果。此外，技术人员还可以将螺纹封脂将螺纹涂在台肩面上，在钻柱的顶部加设悬浮器和减震器，这样就能够防止钻柱出现纵向振动，固定钻具的位置，保障施工的效果。针对钻具钻杆，技术人员应采取分级处理的方法，针对已经出现明显破损的钻杆进行及时更换，在其喷头位置喷焊耐磨的材料，重点保护结构外径，这样就能够降低工作过程中泥浆对钻具的腐蚀，提高钻具耐用性以及钻探工作效率。

4 油田井下钻探的危险因素与安全管理要点

4.1 危险因素

（1）环境因素。油田井下钻探工作的水文地质环境比较复杂，这也是导致钻探工作出现危险的关键因素，也是技术人员应重点注意的问题。当钻具开展井下钻探工作的时候，其高速旋转的钻杆会对地应力产生扰动，进而破坏其原本的动态平衡状态。而油田井下的地质环境原本就比较复杂，因此在应力作用下可能会出现区域应力集中的现象，一旦积聚的应力超过该区域的最大承载力时就会出现能量骤然释放的情况，进而出现冲击地质性灾害，对井下工作人员造成极为严重的影响，甚至危及生命财产安全。（2）管理因素。经过调查可知，油田井下钻探施工的一线工人大多不具备相关专业资质，其中很多都是经过短暂培训之后就持证上岗了，这样的工人对于实际施工环境、危险因素的认知非常有限，因此并不具备安全管理与技术调整的能力。再加上现场安全管理的缺失，很多项目在施工过程中采取“一杆打到底”的方法，针对实际钻探工作中出现的问题并不能够及时反馈和处理，缺乏应对突发事件的能力，导致整个项目的危险系数增加，为事故发生埋下隐患。除此之外，施工现场的技术人员很多并未具备丰富的操作经验，对于相关地质情况的调查和了解不足，常常存在使用书本知识应对实际问题的情况，这也是不可取的。（3）设备因素。钻具是钻探作业的主体，钻探工作对于钻具结构、性能、质量等各个方面的要求都非常高，如果钻具设备自身无法满足油田井下施工的条件，那么就很难保障工程的效果与安全。传统的钻机转速调节范围比较小，主轴的通孔直径比较小，整体工作强度比较低，很难满足当前对于深井钻探的工作要求。尤其是在超负荷运转状态中，钻具断裂与失效问题异常严重，需要引起人们的重视。处理钻具自身性能与品质之外，技术人员的操作与维护行为也会影响钻探工作的效果，比如全程使用干清水进行冲洗，无计划停水导致杂质无法及时排出，都会影响钻具的受力与工作情况。

4.2 安全管理要点

（1）优化钻探工艺。经过上文分析可知，传统钻具自身的强度较低，转速适应能力比较差，因此很难满足当下的深井钻探要求，此时就可以引进先进的钻探设备与钻探工艺，促进井下钻探技术的发展。比如金刚石无芯快速钻进技术就是一种先进的钻探技术，能够完成安全有效的钻井工作。

（2）加强设备维护。技术人员在工程施工之前应仔细检查钻具螺栓、螺母以及绳索的稳固性，保障钻具各个传动连接部位的防护装置都具有良好的密闭性，同时还需要测试钻具升降状态，保障钻具的良好运行状态。根据工程施工的要求，技术人员还可以进行试运转测试，在测试阶段发现钻具运行过程中的潜在安全隐患并提前进行调整与消除。技术人员在钻探工作过程中还需要观察钻杆的振动情况，合理判断钻具工作状态，同时根据实际施工需求及时调整冲洗液的种类与用量，避免单一冲洗液的长期使用。此外，技术人员还需要制定钻具设备维护计划，定期测试钻具各结构的磨损情况，对其表面出现的裂纹进行强度测试，及时采取相应的处理措施，提升钻具的抗拉强度，满足施工需求。

（3）强化安全管理。现场施工与安全管理是保障油田井下钻探工作的基础，因此管理人员应完善现场安全管理制度，建立健全安全交底、安全事故责任追究以及目标考核等制度，进一步规范现场施工流程，以免出现违规操作现象，保障钻探工作的正常开展。管理人员应进一步明确各职位员工的权责，对工作人员进行教育。只有强化对人员的管理，才能够提升其职业责任，实现各岗位之间的默契配合，保障最终钻探工作的效果。最后，钻探施工单位还应加强一线操作人员的专业培训，提升其综合素养与安全意识，在钻探施工过程中能够保持耐心认真的态度，通过观察初步判断作业运行情况，提升人员应对无法事件的能力，保障钻探工作的安全开展。

（4）实现信息化管理。信息技术的应用能够打破时间与空间上的限制，为管理沟通打造互动平台，提高信息传递的便捷度，实现无纸化办公。数据共享平台能够实现数据的实时传输，进而帮助施工人员了解不同区域井下工具的分布以及实际使用情况，实现动态管理与协作发展，促进资源的合理配置。