钻井提速工具寿命的影响因素

2024-04-10杨宏哲李相勇董昔今郑瑞强

西部探矿工程 2024年1期

杨宏哲，李相勇，纪博，李博，董昔今，郑瑞强

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163413）

提高或是保持油田油气产量对于老油田而言是一个未来必须面对的长期课题，对深层油气藏的勘探与开发的需求越来越强烈，随着深井数量逐年增多，井深日益增加，深部地层钻井难度逐渐加大，这类地层具有岩石硬度大、可钻性极值高等特性，使得单只钻头机械钻速低、进尺少、寿命短、起下钻频繁，严重影响了深层油气藏勘探开发进度。

为了解决深部硬地层钻速慢、效率低的难题，国内外各科研机构相继研制出多种以钻井液动力驱动的提速工具，其中包括扭力冲击器、涡轮钻具、旋冲螺杆钻具和复合冲击工具等，辅助钻头破岩的高效提速工具。在现场试验过程中，此类钻井提速工具前期均能够显著提高平均机械钻速，但中后期钻速都会因工具寿命下降，造成破岩效率降低，甚至发生如连接螺纹失效导致落井等严重井下事故。因此寿命问题制约着工具的发展，进而影响工具寿命，主要体现在如下几方面。

1 提速工具使用寿命降低的表现

（1）螺纹断裂：提速工具通过螺纹扣上部连接钻柱，下部连接钻头，在部分提速工具现场应用过程中，发生了公扣螺纹断裂，导致严重的落井事故。

（2）螺纹刺漏：螺纹因冲蚀、磕碰或是疲劳破坏产生漏点，出现密封不严，流体从漏点泄出，前期表现为泵压逐渐下降，严重时会发生螺纹断裂导致事故。

（3）提速效果下降：提速工具的本体外壳、内部零件以及密封圈受到各种因素作用下发生磨损、钻井液冲蚀以及刺漏，也是造成提速工具后期提速效果不理想，钻井液循环泵压下降的主要原因之一。

2 导致提速工具失效的内在原因

提速工具在深井作业时失效主要体现在交变应力作用下因疲劳破坏所导致的螺纹失效或螺纹刺漏，机械结构受高频冲击载荷的作用下，因磨损或疲劳破坏导致结构失效，壳体或密封处受钻井液腐蚀以及地层岩屑冲蚀作用下导致的刺漏等等。可以归纳为以下几点：

2.1 高强度下的疲劳破坏

钻井提速工具在钻井液驱动下内部存在高频往复运动，对本体及螺纹连接部位施加交变载荷，提速工具的螺纹，焊接处以及焊接缺陷，材质因铸造工艺不合格产生的内部缺陷以及运输或安装过程中所造成的螺纹损伤和表面损伤，这些部位容易产生局部应力集中。另外在工具使用过程中，这些部位在高频次交变应力的作用下会产生出疲劳裂纹，疲劳裂纹在交变载荷的作用下不断扩展使得螺纹、焊接或是本体发生刺漏、甚至是断裂。随着难钻地层钻压的加大，提速工具受到钻柱所施加的静载荷也越来越大。特别是起下钻次数增多，上卸扣次数频繁，不可避免地导致螺纹损伤和表面损伤。深井地层条件复杂化，也使得提速工具受力情况更复杂。另外，在大排量循环钻井液使得冲击提速工具获得更高的冲击频率，这同样是加速疲劳破坏的原因之一。

金属材料在无限次交变载荷作用下会产生破坏的最大应力为其疲劳强度，金属疲劳伴随着错位滑移以及塑性变形与破坏，在对金属拉伸实验报告中，其断裂机理与金属疲劳有一定相似性，而在行业经验总结中，金属疲劳强度与其抗拉强度呈正相关。因此，材料的疲劳强度跟抗拉强度一样受材料组分以及相变热处理工艺相同的影响，抗拉、疲劳强度优秀的钢材，例如钻具常用的42CrMo、42CrMnMo，其显微组织主要为晶粒度较细的奥氏体与马氏体。部分钢材显微组织主要为粗大的珠光体和铁素体，强度韧性差，抗疲劳表现差。在铸造过程中，混入了氧化物、硫化物、氮化物等非金属夹杂物，固溶在金属中的氢原子，是造成金属应力集中，萌生疲劳裂纹的重要源头。

2.2 钻井液的化学元素对金属的腐蚀作用

钻井液中常含有氯离子，氯离子在酸性条件下与金属表面容易发生电化学腐蚀，pH 值越低，腐蚀越剧烈。钻井液在敞开环境进行循环，这使得钻井液含有溶解氧，溶解氧在井下高温环境下对金属产生强氧化作用生成氧化物。在含硫井中，从地层渗透出来的硫化氢气体溶解于钻井液生成硫离子，同样在酸性条件下会对金属发生电化学腐蚀。同时，地层中的硫化氢与二氧化碳溶解于钻井液会产生大量的氢离子，降低钻井液的pH值，加速腐蚀速度。

提速工具在此种腐蚀工况下，表面形成腐蚀坑与氧化物。这些部位导致应力集中，形成疲劳裂纹萌生的源头。在交变应力作用下，疲劳裂纹逐步扩展、长大，使得腐蚀性的钻井液进入裂纹，腐蚀界面扩大，加速了金属疲劳。

同时，溶解在钻井液的硫化氢与金属表面接触，使得氢原子渗透进金属内部，导致金属强度塑性进一步下降，产生氢损伤，在应力作用下容易产生裂纹。

2.3 固相大颗粒在大排量下的冲蚀作用

环空中的钻井液在循环过程中需要携带大量岩屑等固相颗粒带到地表，开大排量循环有利于将这些固相颗粒运移至地面。但是它们会对工具表面产生冲击作用，尤其是在钻杆加厚过渡区以及螺纹连接处易产生流场突变，被固相颗粒冲蚀的地方会产生密集的冲蚀坑，导致密封端面损伤。

部分井队所使用的钻井液净化设备处理过的钻井液仍然含有少量固体颗粒，它们随着泥浆泵入装置泵入到钻柱中，这些固体颗粒会冲击工具内部的涡轮、轴承等零部件，致使工具因磨损过渡而失效，或是因为管道被堵或固体颗粒卡住某些活动零件致使提速工具不工作。

2.4 井下高温环境的影响

深井钻井一般都是在高温工况之下进行，而提速工具内部起到密封作用的橡胶圈在超过橡胶圈工作温度下，容易发生橡胶材料的老化分解，并且更容易造成磨损和疲劳致使橡胶圈更快地产生龟裂甚至永久变形致使密封失效，导致提速工具在后期提速效果不理想。

另外，对滑动轴承等起到润滑作用的润滑脂，当作业温度高于润滑脂滴点时，润滑脂变的易流失，润滑失效使摩擦部位的磨损速度加快。

3 提高提速工具寿命的技术对策

导致提速工具寿命短有钻井液、井底温度和地层环境这些客观因素影响，但是这些客观因素难以改变甚至避免。为了提高钻井提速工具的使用寿命，我们只能从工具本身进行改进：

（1）优选钢材，选用高强度、抗拉性能优秀的高性能合金钢以应对金属疲劳。严格把控钢材铸造与热处理生产工艺，减少非金属夹杂物与溶解氢原子在钢材中的含量。进料时要求厂家提供探伤合格报告，加工前要进行严格的毛坯料探伤检验，加工后根据工件特点，要再次进行探伤检验，有些关键部件需要特殊处理，如铺焊或喷涂，提高耐磨性能。

（2）采用四级固控设备，并在钻具内安装过滤装置，尽可能减轻固相大颗粒对钻具内零件的冲蚀。

（3）适当降低提速工具的冲击频率，比如在动力总成使用中空轴减小通过动力节的排量来调节冲击频率，可以减小钻井液对工具内部的冲蚀速度，同时交变应力频率的降低也有助于延长金属疲劳的时间。

（4）选用耐高温的氟橡胶作为密封圈材质，选用耐高温的锂基润滑脂或是符合现场需求的润滑脂对摩擦部位进行润滑。