鉆桿加厚過渡區沖蝕失效分析及解決方法

劉賢文，馬金山，王增良，魏立民，徐海潮，李連強

（1.渤海鉆探鉆井技術服務公司，天津300280；2.渤海石油裝備 中成機械制造公司，天津300280）①

目前，石油鉆柱因工作條件十分惡劣，使其成為鉆井施工中的一個薄弱環節。2000年大港油田成功地推廣應用了鉆桿內涂層技術，使鉆桿加厚過渡區刺漏現象大幅減少。但是，隨著斜井、水平井及復雜地質環境條件下鉆井增多，鉆桿刺漏現象時有發生，有些鉆桿甚至內涂層沒有脫落也發生了刺漏現象，造成了很大的經濟損失。通過現場調查發現，在水平井和斜井施工過程中，為了過濾鉆井液中的雜質和異物，避免損傷定向儀器，在鉆桿內螺紋端放置了管狀多孔濾清器，導致此處鉆桿加厚過渡區沖蝕失效屢次發生。鉆桿沖蝕失效已經成為大港油田鉆桿失效的主要類型之一。

1 鉆桿沖蝕失效調查

1.1 大港油田

對2008—2011年大港油田鉆桿刺漏失效統計后，發現4年來發生鉆桿刺漏失效事故215起，嚴重的影響了鉆井生產，也造成了較大的經濟損失。因此，需要對鉆桿沖蝕失效進行分析和研究，拿出可行的解決方法，解決鉆桿刺漏失效問題，滿足鉆井提速、提效的需要。

切開鉆桿刺漏部位并檢查，發現在鉆桿接頭水眼至管體加厚部位范圍內，有數十個直徑約30mm的馬蹄狀深坑，在內加厚過渡區至管體段150mm范圍內也有數個較淺的坑。這些坑大都集中在距內螺紋接頭密封端面170～320mm，圓周方向整齊排列成8排，間距近似相等，馬蹄形坑最大深度達6.4 mm，如圖1。

圖1 鉆桿在安放濾清器部位的沖蝕坑（大港油田）

1.2 冀東油田

冀東油田某井，設計井深5 218m，造斜點320 m，斜度68°。在鉆井過程中，自2010－05—10以來陸續發生15根139.7mm鉆桿管體刺漏事故。

1） 139.7mm鉆桿刺漏統計（如表1）。

表1 冀東油田某井139.7mm鉆桿刺漏統計

2） 刺漏的139.7mm鉆桿全部是鋼級為G105的鉆桿，刺漏處位于內螺紋接頭端部0.5～0.8m位置。

3） 15起139.7mm鉆桿刺漏中，有14起是位于339.7mm（13英寸）技術套管內（技術套管設計井深1 880m），其中有5起是發生在造斜段內，9起是發生在穩斜段內。

針對出現的鉆桿刺漏問題，從15根刺漏的鉆桿中隨機挑選出4根，有2根外觀狀況較好，2根外觀有卡瓦咬痕，進行了切頭、解剖檢查。

1） 2根外觀較好的鉆桿，切頭后在刺漏部位或附近均發現有鉆桿濾清器沖蝕坑（如圖2）。

2） 另外2根外觀有咬痕的鉆桿，在咬痕較深部位發生了刺漏現象（如圖3）。

圖2 鉆桿刺漏形貌（冀東油田）

圖3 卡瓦咬傷鉆桿處刺漏形貌（冀東油田）

2 鉆桿沖蝕原因分析

2.1 濾清器造成鉆桿沖蝕

近年來，隨著油田勘探開發力度的不斷加大，大位移井、定向井數量不斷增加。據統計水平井和斜井占到年鉆井總數的85%。為了滿足鉆井工藝的需要，在水平井和斜井中使用了隨鉆測量儀、隨鉆測井儀（MDW、LDW）。為了防止這些儀器被泥漿中異物（如水龍帶掉下橡膠、塊狀雜物等）卡住，在鉆桿內螺紋端放置了濾清器。其長度為500、800、1 000 mm，正好覆蓋鉆桿加厚過度區。

濾清器是外徑為80mm的圓柱形管子，其上共鉆有33圈小孔，縱向孔距30mm，每圈均布8個孔，共計264個孔，孔徑8mm，如圖4。

圖4 鉆桿濾清器

鉆桿沖蝕失效的主要特征是含有固體粒子的高壓鉆井液以高速沿一定方向沖擊鉆桿加厚過渡區內表面，造成金屬的流失。最常見的是鉆桿內加厚過渡帶區表面的沖蝕坑、沖蝕孔洞及螺紋連接部位沖蝕造成的螺紋及密封面損傷（如圖5）。

圖5 濾清器造成鉆桿早期沖蝕形貌

當鉆桿內裝入濾清器后，鉆井液的流動方向突然發生變化，由與鉆桿內壁平行變為直接射向鉆桿內壁，濾清器水眼中噴出的鉆井液高速射向鉆桿內壁，這種射流沖蝕相當于鉆井工程的“噴射鉆井”，而在材料科學中，這種破壞形態叫“沖蝕”。它造成內涂層剝落，腐蝕進一步加劇。由于鉆井液多次沖擊作用，形成圓形沖蝕坑內存在一凸起，其原因是射流中心存在滯留點，流速較低。隨著坑逐漸加深，管柱內鉆井液流動方向變化，凸起逐漸上移，坑的下游邊緣逐漸平坦，形成馬蹄形的坑。鉆桿被腐蝕后產生裂紋，在使用過程中裂紋逐漸擴展，沖蝕坑在交變應力和腐蝕的聯合作用下發生疲勞斷裂及刺漏。

2.2 其他危害

1） 使鉆井液循環裝置（如鉆井泵等）的磨損加快，缸套、活塞、閥體、閥座等更換頻率加快。

2） 深井、超深井、大位移井鉆井時間長，濾清器對鉆桿的沖蝕更加嚴重，鉆具刺漏事故增多。

3） 由于鉆井液流動方向改變而直接沖蝕鉆桿，消耗動能，降低鉆井功率，對于鉆井的速度產生了影響。

4） 給鉆具管理帶來困難，每次接鉆桿時都應清理除沙，同時把濾清器拿出放到下個鉆桿內，但是井隊有時忘掉，濾清器隨著鉆桿下井造成事故隱患。

3 鉆桿沖蝕的解決方法

3.1 新型防保接頭

針對鉆桿刺穿本體現象不斷發生，通過反復研究和試驗，決定在方鉆桿下部的新型防保接頭內放置濾清器，選用轉換接頭外徑為165mm、內徑為82.6mm、長度為1 200mm（如圖6）。新型防保接頭的壁厚是41.2mm，比鉆桿的壁厚9.19mm大4倍多，同時油田規定方鉆桿防保接頭旋轉時間達到500h，應強制更換，避免防保接頭本體發生斷裂事故。

圖6 新型防保接頭

3.2 錐形濾清器

通過對現有的濾清器進行分析，研制出錐形濾清器，并對濾清器大端加長80mm（如圖7），使得濾清器無法在鉆桿內使用，只能在與之配套的新型防保接頭內使用。同時，由于濾清器呈錐形，使泥漿流動方向發生變化，由垂直射向鉆柱內壁變為呈一定角度射向鉆柱內壁，減輕了泥漿對防保接頭內壁的沖蝕。

特點：

1） 錐形濾清器配有加長接頭，只能配對使用，而不能把錐型濾清器放置在鉆桿里使用，滿足了定向鉆井時過濾鉆井液要求。

2） 采用錐形過濾筒，增加了環空容積，有利于防止泵壓增高，有利于提高鉆井水力參數。

3） 采用不銹鋼加工本體，并對內外表面進行噴砂處理，提高可靠性，延長了使用壽命。

圖7 錐形濾清器

3.3 頂驅鉆機濾清短接

由于頂驅使用的是上部驅動（3根鉆桿一個立柱），在鉆桿內放置濾清器，它對鉆桿加厚過渡區的沖蝕時間長，造成鉆桿的加厚過渡區損害更嚴重。尤其是新鉆具在70型頂驅鉆機上應用，鉆桿刺漏嚴重影響了工程進度和井底鉆柱安全。因鉆桿刺漏而頻繁起下鉆，不僅浪費了人力、物力，耽誤正常生產，更為嚴重的是如果刺漏后斷裂導致下部鉆具落井，造成重大損失，甚至使該井報廢。

經過到鉆井隊進行現場調研后，由于頂驅接頭的長度只有350mm，常用的濾清器的長度為550 mm，使得濾清器無法放在頂驅接頭內。通過研究及分析，可以在水龍帶與水龍頭之間加上一個短節，該短接采用提升短管作為加工材料，并用101.6 mm（4英寸）由壬作為連接件（如圖8）。這樣就可以把在濾清器放置在短接內，過濾鉆井液，滿足了在水平井和斜井中使用了隨鉆測量儀、隨鉆測井儀（MDW、LDW）的需要，防止了濾清器對鉆桿加厚過渡區的沖蝕。

圖8 頂驅濾清短節安裝位置

4 結論

1） 將濾清器由原來的直筒形改成錐形，使得鉆井液流動方向發生變化，由垂直射向鉆柱內壁變為呈一定角度射向鉆柱內壁，提高了鉆井液的水力效率，也減輕了鉆井液對鉆柱內壁的沖蝕。

2） 根據濾清器結構加工與之配套的接頭，徹底避免對鉆桿的沖蝕破壞。接頭長度1.22m，壁厚為41.25mm，遠大于鉆桿的壁厚9.19mm，可以抵抗鉆井液的沖蝕。

3） 將濾清器頂端加長80mm，使其不能在鉆桿中使用，避免濾清器隨鉆桿下井的事故發生。

4） 在水龍帶與水龍頭之間連接的短節放置濾清器，解決了頂驅型鉆機無法放置濾清器的問題，防止了鉆桿加厚過渡區刺漏失效。

5） 新型濾清器裝置在大港油田推廣應用，鉆桿刺漏情況明顯減少，提高了鉆具的使用壽命，減少了起下鉆作業次數，滿足了鉆井提速、提效的需要。

［1］李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預防［M］.北京：石油工業出版社，1999.

［2］鄺獻任，胡芳婷，王新虎.一例127mm×9.19mm鉆桿刺穿失效分析［J］.石油礦場機械，2005，34（3）：62－64.

［3］汪麗君，彭成勇，張迎進.鉆桿內加厚過渡區參數優化［J］.石油礦場機械，2006，35（6）：79－80.

［4］劉永剛，林 凱，胡安智，等.復雜深井鉆柱安全研究［J］.石油礦場機械，2008，37（1）：17－20.

［5］余世杰，袁鵬斌，龔丹梅，等.S135鉆桿刺漏原因分析［C］／／2011年全國失效分析學術會議論文集，2011.