長(zhǎng)北雙臺(tái)肩鉆具失效分析與預(yù)防

羅 磊，李興寶，孫佳才，丁 鵬，蘆造華

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

長(zhǎng)北氣田自2009 年開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期，各項(xiàng)技術(shù)及工藝的運(yùn)用不斷完善。但是伴隨著三期區(qū)塊的開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資料分析發(fā)現(xiàn)，三期區(qū)塊水平段儲(chǔ)層相比一、二期區(qū)塊更加復(fù)雜，儲(chǔ)層不連續(xù)、非均質(zhì)、厚度薄，同時(shí)泥巖和碳質(zhì)泥巖段長(zhǎng)度顯著增長(zhǎng)。面對(duì)地質(zhì)條件的日趨復(fù)雜，鉆井施工中鉆具斷裂等不可預(yù)料情況時(shí)有發(fā)生，長(zhǎng)北項(xiàng)目克服了種種困難，日趨完善了雙分支水平井的各項(xiàng)技術(shù)，特別是大斜度、大水平段泥巖（碳質(zhì)泥巖）和煤層鉆進(jìn)等理論和實(shí)踐的日趨成熟。通過(guò)對(duì)這些重點(diǎn)技術(shù)難題進(jìn)行攻關(guān)和創(chuàng)新，找出切實(shí)可行的解決措施，進(jìn)一步完善雙分支水平井開(kāi)發(fā)配套技術(shù)，為長(zhǎng)北氣田的產(chǎn)能建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 長(zhǎng)北雙臺(tái)肩鉆具失效案例分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：自2008 年至2011 年底，長(zhǎng)北區(qū)塊發(fā)生大大小小鉆桿失效事件四五十起，其中包括裂縫，刺漏，斷裂等失效事件。產(chǎn)生非生產(chǎn)時(shí)間近70 d，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)130 多萬(wàn)美元。鉆桿失效問(wèn)題嚴(yán)重影響了鉆井作業(yè)表現(xiàn)，同時(shí)增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。2010 年，非生產(chǎn)時(shí)間接近一個(gè)月，經(jīng)濟(jì)損失也達(dá)到了50 多萬(wàn)美元，因此查明鉆桿失效根源，預(yù)防鉆桿破壞成為鉆井施工作業(yè)中的一項(xiàng)重要工作。

1.1 CB-DL1/CB-DL3 斷鉆具事故

CB-DL1 12 1/4”井段鉆進(jìn)至3 406 m（已進(jìn)入水平段），起鉆過(guò)程中鉆具斷裂落井，魚(yú)長(zhǎng)2 834 m。其中包括鉆頭、電動(dòng)機(jī)、隨鉆工具等底部鉆具組合以及鉆桿和加重鉆桿。下入磨鞋，磨掉鉆桿魚(yú)頂處剩余的鉆桿母扣之后，在下入貝克休斯打撈筒后成功打撈。

圖1 雙臺(tái)肩鉆桿母扣示意

CB-DL3 8 1/2”井眼鉆至4 379 m，發(fā)現(xiàn)泵壓降低，并且隨鉆測(cè)井儀器的轉(zhuǎn)速異常，檢查地面管線和泥漿泵，沒(méi)有刺漏，起鉆檢查鉆具。當(dāng)起鉆到1 039 m，發(fā)現(xiàn)102 號(hào)鉆桿從母扣處斷裂，落魚(yú)長(zhǎng)度1 039 m，包括鉆頭、電動(dòng)機(jī)、隨鉆儀器等底部鉆具組合以及鉆桿和加重鉆桿。在下入磨鞋鉆具組合，磨掉魚(yú)頭上部節(jié)箍和耐磨帶部分，下卡瓦打撈桶打撈成功。

1.2 長(zhǎng)北雙臺(tái)肩鉆桿失效的特點(diǎn)及原因

鉆桿失效一般表現(xiàn)為本體斷裂和刺漏，鉆桿螺紋處失效等。從以上兩例事故案例可看出，長(zhǎng)北雙臺(tái)肩鉆具失效大多數(shù)表現(xiàn)為鉆桿螺紋處、母扣（連接）處失效。通過(guò)分析認(rèn)為失效原因主要為：

（1）鉆進(jìn)時(shí)鉆桿的基本力學(xué)工況：基本力學(xué)工況和單臺(tái)肩鉆桿失效的一般機(jī)理相同即：疲勞過(guò)度，拉伸/扭轉(zhuǎn)過(guò)載，擠壓過(guò)度等物理因素。

（2）鉆桿結(jié)構(gòu)和材料：鉆桿接頭內(nèi)加厚附近的鉆桿本體為承受彎曲應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)鉆桿接頭與不能形成泥餅的井壁接觸時(shí)，接觸摩擦系數(shù)大，摩擦力足以激發(fā)反動(dòng)力。在反動(dòng)力下彎曲應(yīng)力交變頻率成倍增加，因此疲勞裂紋很容易在這個(gè)區(qū)域形成。螺紋連接處是整個(gè)鉆柱最薄弱的環(huán)節(jié)，其壽命一般難于同鉆桿本體相抗衡，在承受復(fù)雜交變應(yīng)力（疲勞）頻繁作用時(shí)，螺紋處公扣、母扣連接處發(fā)生刺漏，導(dǎo)致斷裂。

（3）鉆具組合：用于不同直徑或不同扣型鉆桿過(guò)渡的配合接頭使用不當(dāng)，配合接頭本身螺紋（主要是公扣）和與之相連的鉆桿螺紋就可能斷裂。

（4）井徑不規(guī)則影響：由于長(zhǎng)北井眼軌跡設(shè)計(jì)為雙分支水平井，水平段長(zhǎng)，狗腿度大，扭矩大等，致使井徑不規(guī)則或有的井段擴(kuò)徑嚴(yán)重，從而導(dǎo)致鉆桿的彎曲程度隨之相應(yīng)增大，鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)連接螺紋部位受交變彎曲應(yīng)力加速鉆桿疲勞失效，同時(shí)螺紋連接受力復(fù)雜化，加劇了螺紋疲勞損壞。

（5）螺紋密封脂：鉆工對(duì)雙臺(tái)肩鉆桿不熟悉，只對(duì)主臺(tái)肩潤(rùn)滑密封，未對(duì)第二臺(tái)肩密封。使用或涂抹方法不當(dāng)，如用柴油清洗鉆桿絲扣、螺紋密封脂不加蓋混入鉆井液、雜質(zhì)或加機(jī)油稀釋使螺紋密封脂附著困難、螺紋密封脂涂抹量少或涂抹不到位等，造成鉆桿螺紋連接時(shí)不能進(jìn)行有效的密封和潤(rùn)滑而發(fā)生絲扣黏結(jié)，出現(xiàn)緊扣現(xiàn)象，卸扣時(shí)扭矩過(guò)大，最終導(dǎo)致絲扣破壞。

（6）上扣過(guò)程：井隊(duì)在接立柱過(guò)程中，立柱中心軸線與入井鉆桿軸線同心度偏差較大，在螺紋旋合時(shí)引起偏斜對(duì)扣，造成接頭螺紋碰傷，加之高速引扣，引起公母螺紋牙齒相互干涉，造成螺紋面的擠壓磨損、塑性變形，最終使大面積的接頭粘扣,進(jìn)而導(dǎo)致鉆桿失效。

（7）井底震動(dòng)較大，包括徑向和縱向震動(dòng)。長(zhǎng)期井下震動(dòng)，加速鉆具的疲勞，最終導(dǎo)致鉆具失效。

（8）泥漿對(duì)鉆具的腐蝕，主要表現(xiàn)為點(diǎn)蝕（腐蝕坑）、穿孔等。長(zhǎng)北鉆井液中含有氯離子（氯化鉀有利于井壁穩(wěn)定），其對(duì)鉆具的腐蝕較為嚴(yán)重。

2 長(zhǎng)北鉆具管理措施

鉆具失效的類(lèi)型多種多樣，其失效原因各不相同，為了提高鉆具的使用壽命，須從鉆具的檢驗(yàn)、合理使用、管理等全過(guò)程的每一環(huán)節(jié)抓起，采取多種手段，推廣提高鉆具使用壽命的新工藝、新技術(shù)，進(jìn)行綜合治理。根據(jù)長(zhǎng)北鉆具失效的特點(diǎn)，采取以下一些措施對(duì)鉆具進(jìn)行管理。

2.1 鉆具日常管理措施

（1）針對(duì)長(zhǎng)北水平井的特點(diǎn)：造斜段長(zhǎng)、水平段長(zhǎng)、局部狗腿嚴(yán)重程度高等。首先通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，其次，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格跟蹤鉆桿使用記錄，當(dāng)鉆桿經(jīng)過(guò)一定的工作時(shí)間后，將在造斜段、水平段、側(cè)鉆點(diǎn)使用過(guò)的鉆桿轉(zhuǎn)移至上部直井段，最大程度的避免鉆桿在短時(shí)間內(nèi)疲勞累積從而引起疲勞失效。另外，選擇合適的，柔性更高的鉆桿。

（2）針對(duì)雙臺(tái)肩面鉆桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定《鉆桿維護(hù)保養(yǎng)原則》，該原則主要包括：加強(qiáng)鉆桿絲扣的清潔；司鉆熟知鉆桿上扣扭矩；及時(shí)校驗(yàn)液氣大鉗或鐵鉆工扭矩儀；詳細(xì)記錄鉆桿使用時(shí)間以供參考；嚴(yán)格標(biāo)記磨洗作業(yè)中使用過(guò)的鉆桿；加強(qiáng)鉆桿檢測(cè)，對(duì)存放超過(guò)6個(gè)月的新鉆桿，按照要求抽檢10 %。

為了更好的維護(hù)和保養(yǎng)鉆具，控制鉆具失效事故發(fā)生，以延長(zhǎng)鉆桿壽命。長(zhǎng)北項(xiàng)目鉆井技術(shù)人員依據(jù)鉆具管理體系要求，開(kāi)動(dòng)腦筋制作了一套鉆桿清洗裝置。該裝置直接安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)下面，在起下鉆過(guò)程中能很好的沖洗鉆桿表面，有效地清除滯留在鉆桿表面的泥漿材料，從而降低腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）為了避免不良的操作習(xí)慣對(duì)鉆桿造成人為損傷，現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)門(mén)制定了管理制度，如《鉆桿檢測(cè)和要求》、《現(xiàn)場(chǎng)人員崗位職責(zé)》、《起下鉆上、卸扣標(biāo)準(zhǔn)操作程序》等。

（4）時(shí)刻關(guān)注鉆井參數(shù)，特別是泵壓變化。鉆井施工過(guò)程中的泵壓下降，可能是井下鉆具刺漏的前兆，也有可能是由于地面管線，泥漿泵，泥漿性能變化造成的。為正確判斷井下鉆具刺漏，避免不必要的起鉆調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)需立即執(zhí)行如下的泵壓下降檢查程序。

2.2 鉆具管理的技術(shù)措施

（1）針對(duì)不穩(wěn)定地層對(duì)鉆具疲勞累積的影響，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)，并利用現(xiàn)有的技術(shù)選擇性的避過(guò)不穩(wěn)定地層，通過(guò)優(yōu)化泥漿體系，加強(qiáng)井壁的穩(wěn)定性。

（2）起鉆后發(fā)現(xiàn)鉆桿接頭表面會(huì)出現(xiàn)一些腐蝕坑，久而久之就可能導(dǎo)致鉆桿失效。針對(duì)鉆桿腐蝕情況，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)控制泥漿的pH 值；使用并改良緩蝕劑和除氧劑；下入腐蝕環(huán)定期監(jiān)測(cè)腐蝕程度等技術(shù)手段加以控制與檢測(cè)。

（3）針對(duì)液氣大鉗對(duì)鉆桿接頭損傷嚴(yán)重問(wèn)題，通過(guò)引進(jìn)威德福公司的鐵鉆工，并運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)，大幅度的減輕了對(duì)鉆桿接頭的咬痕，鉆具破壞得到了明顯的控制。

長(zhǎng)期使用液氣大鉗對(duì)鉆桿上扣，發(fā)現(xiàn)鉆桿表面會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似研磨和切削痕跡（見(jiàn)圖2，圖3）。為解決這一問(wèn)題，最大程度的保護(hù)鉆桿，長(zhǎng)北項(xiàng)目租賃了威德福的鐵鉆工。該設(shè)備廣泛應(yīng)用于陸上、海上石油鉆井，對(duì)管徑尺寸在3 1/2”-9 5/8”的鉆具（鉆桿、鉆鋌、套管及各型接頭）進(jìn)行上、卸扣作業(yè)的工具，可大大減輕鉆工在起、下鉆作業(yè)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)的安全性和可靠性。鐵鉆工安裝在鉆井平臺(tái)上，采用手動(dòng)控制、腰間面板盒控制或司鉆房中PLC 觸摸程序控制方式，使其機(jī)械臂可自如伸向井口。同時(shí)，鐵鉆工能將伸出的整個(gè)鉗頭進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況表明，使用威德福鐵鉆工后，鉆具破壞得到了明顯的控制。

圖2 鉆桿接頭上鉗牙磨痕

圖3 威德福鐵鉆工鉗牙咬痕

（4）針對(duì)鉆柱震動(dòng)對(duì)鉆桿失效的影響，通過(guò)RTOC中心技術(shù)模擬與監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整井底參數(shù)從而避免鉆柱的共振。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)錄井與哈利伯頓SVSS 參數(shù)對(duì)鉆柱的井下震動(dòng)（連續(xù)和瞬間震動(dòng)）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)鉆柱井下出現(xiàn)連續(xù)震動(dòng)，震動(dòng)加速度為0～2 個(gè)單位為低度震動(dòng)；當(dāng)震動(dòng)加速度為2～4 個(gè)單位為中度震動(dòng)；當(dāng)震動(dòng)加速度大于4 個(gè)單位為高速震動(dòng)（見(jiàn)表1，表2）。

表1 鉆柱井下連續(xù)震動(dòng)時(shí)震動(dòng)加速度表

表2 鉆柱井下瞬間震動(dòng)時(shí)震動(dòng)加速度

利用該軟件可以有效地監(jiān)測(cè)出井下鉆具的震動(dòng)，并反饋給司鉆和定向人員，從而采取有效的措施，調(diào)整鉆井參數(shù)，降低井下震動(dòng)，這樣就有效地控制了由于震動(dòng)帶來(lái)的鉆具疲勞。

（5）軟扭矩的應(yīng)用：軟扭矩系統(tǒng)是一套嵌入到頂驅(qū)控制系統(tǒng)中的軟件系統(tǒng)，它通過(guò)調(diào)節(jié)頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為鉆進(jìn)過(guò)程中的井下振動(dòng)提供一種緩沖效應(yīng)。鉆進(jìn)過(guò)程中它根據(jù)扭矩變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到減輕旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的目的（見(jiàn)圖4）。

圖4 軟扭矩系統(tǒng)安裝圖解

（6）滑動(dòng)鉆進(jìn)軟件的應(yīng)用（Slider）：該軟件首先獲得鉆具復(fù)合鉆進(jìn)以及空轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩，通過(guò)控制頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)扭矩，在滑動(dòng)鉆進(jìn)中旋轉(zhuǎn)鉆柱，以保證井底的工具面不發(fā)生變化，以減少滑動(dòng)鉆進(jìn)中摩阻，保護(hù)井下鉆柱，達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的（見(jiàn)圖5）。

圖5 滑動(dòng)鉆進(jìn)扭矩對(duì)比圖

3 鉆具管理的應(yīng)用效果

表3 近兩年鉆具失效相關(guān)統(tǒng)計(jì)

從表3 中可以看出，鉆具失效事件逐年呈明顯下降趨勢(shì)。2012 年鉆桿失效造成的非生產(chǎn)時(shí)間由2010年的28.35 d 減少到5.80 d，減少了80 %。失效次數(shù)減少了80 %；經(jīng)濟(jì)損失減少了40 萬(wàn)美元，2013 年隨然也發(fā)生了鉆具失效事件，但被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并起出，未進(jìn)行鉆具打撈作業(yè)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆具管理的執(zhí)行，鉆具失效事件得到了有效控制。

4 結(jié)論與建議

（1）長(zhǎng)北雙臺(tái)肩鉆具失效主要是由于長(zhǎng)北水平井水平段長(zhǎng)、方位調(diào)整大的自身特點(diǎn)以及雙臺(tái)肩鉆桿自身結(jié)構(gòu)引起的；其次，儲(chǔ)層的不穩(wěn)定性、液氣大鉗損傷鉆桿接頭、泥漿腐蝕、鉆柱震動(dòng)及不良操作習(xí)慣等因素，都從客觀上加劇了鉆桿的失效。

（2）2011 年，長(zhǎng)北項(xiàng)目針對(duì)鉆具失效的主要原因，引進(jìn)鐵鉆工、應(yīng)用井下震動(dòng)檢測(cè)技術(shù)能等措施，完善了《鉆桿維護(hù)保養(yǎng)原則》、《鉆桿檢測(cè)及要求》等現(xiàn)場(chǎng)管理制度，有效地降低了鉆具失效的頻率，降低了鉆井非生產(chǎn)時(shí)間，因鉆具打撈產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失明顯降低。

（3）鉆具失效的原因及特點(diǎn)多種多樣，通過(guò)科學(xué)管理和技術(shù)措施是控制鉆具失效的最佳途徑。近年來(lái)，發(fā)生在長(zhǎng)北項(xiàng)目中的鉆具失效案例較多，其中80 %的案例在失效前期已被及時(shí)監(jiān)測(cè)，減少了鉆具斷裂落井事故的發(fā)生。

（4）針對(duì)長(zhǎng)北水平井斜度大，水平段長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)鉆桿抗彎曲程度要求比較高，建議在鉆具設(shè)計(jì)與選型方面，試用G 級(jí)或更具柔性的低級(jí)別鉆桿。

（5）鉆具管理推行過(guò)程中還存在一些難題。例如鉆桿選型優(yōu)化、質(zhì)量控制、井眼軌跡優(yōu)化控制、泥漿性能持續(xù)改良、鐵鉆工的高效使用等技術(shù)難點(diǎn)和問(wèn)題需要進(jìn)一步攻關(guān)。

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