鄂爾多斯氣田鉆鋌斷裂原因分析及防斷技術應用

張建設

(天津鋼管集團股份有限公司技術中心,天津300301)

鄂爾多斯氣田鉆鋌斷裂原因分析及防斷技術應用

張建設

(天津鋼管集團股份有限公司技術中心,天津300301)

基于鄂爾多斯氣田地質特點,分析了鉆鋌失效的誘因。總結了減震器現場應用效果,研究出一套成熟的鉆鋌防斷配套技術。通過優化鉆具組合設計、調整鉆井參數匹配、改進鉆井操作方法等,鉆鋌防斷技術在D1—4—37等井的推廣應用,取得了好的防斷效果。

地質特點;減震器;鉆具組合;鉆井參數;鉆鋌失效;效果評價

1 引言

鄂爾多斯盆地北部氣田位于毛烏素沙漠東部、陜西省榆林市北部,該氣田自開始開發以來,由于受復雜地質因素影響,鉆具早期斷裂失效事故頻繁發生,給鉆井施工和鉆具使用造成了較大的經濟損失。由于嚴酷的地質條件,早期鉆井施工普遍存在機械鉆速低,鉆井周期長,鉆具早期失效事故頻繁發生現象。這些因素增加了鉆井施工風險和成本,影響了氣田的勘探開發,并造成重大經濟損失。因此研究鄂北氣田快速鉆井配套技術、鉆具早期失效的預防方法,加強鄰井調研和區域地質分析,制定鉆頭選型方案,加強鉆具使用管理,優化鉆具結構組合設計和鉆井參數設計,提高鉆井速度和綜合經濟效益,具有十分重要的現實意義。

2 區域地質特點

典型井(D1—1—94)具體地質分層見下表1。鄂爾多斯盆地氣田主要的沉積地層多為砂巖、砂礫巖、砂泥巖構成,富含石英、菱鐵礦等高硬度高研磨性礦物成分,且膠結疏松,粒度大,一般粒徑2mm～15mm,最大可達30mm以上。特殊的地質條件造成鉆井施工過程中蹩跳鉆嚴重,機械鉆速慢,鉆具受力環境復雜,特別是鉆具縱向、橫向振動產生的交變應力,是導致鉆具疲勞,先期刺、斷鉆具的最主要原因,嚴重影響了鉆井速度和生產時效。另一方面,由于特殊的地層巖性,地層研磨性強,井眼相對穩定,對鉆桿和鉆鋌的磨損特別嚴重,新噴焊的鉆桿耐磨帶壽命3口井左右。

表1 典型井(D1—1—94)具體地質分層

3 鉆具失效原因及規律分析

3.1 地質因素

鄂爾多斯盆地地層古老,主要的沉積地層多為砂巖、砂礫巖、砂泥巖,富含石英、菱鐵礦等高硬度高研磨性礦物成分。膠結疏松的砂礫巖、砂泥巖、石英、菱鐵礦等高硬度高研磨性礦物成分,粒度大而不均,導致鉆井過程中蹩跳鉆嚴重,鉆具扭矩不均,接頭絲扣扭矩過大,造成螺紋過扭,同時共振引發的交變應力引起疲勞裂紋,特別是在公母螺紋扣根1～3扣范圍,是發生疲勞裂紋的主要部位。隨時間的延長,受力條件的惡化,裂紋不斷擴展,最終導致鉆具刺斷發生,地質因素是導致鉆具失效的最主要因素。

3.2 工程因素

工程因素進一步加劇了鉆具的失效,主要表現為:

(1)鉆具組合設計因素

鉆具組合設計不合理,滿眼性差;失穩導致鉆鋌的彎曲,扶正設計不夠合理。不同鉆鋌剛度差異未能合理過渡匹配,都會造成鉆具失效。

(2)鉆井參數與鉆具結構不匹配

鉆壓和轉速的匹配不合理,未能避開鉆具的共振點。鉆壓是導致彎曲的主要因素,轉速是產生共振與交變應力的主要因素。鉆柱的彎曲、縱橫向振動,產生交變載荷,致使螺紋部位產生應力集中,先期疲勞破壞。

(3)操作因素

鉆進過程中送鉆不均、鉆壓不穩、頓鉆、溜鉆均會帶來鉆具失效隱患。對鉆具產生的蹩跳鉆共振未及時調整鉆井參數,控制鉆具共振發生。

(4)鉆井液腐蝕

鉆井液p H值7～8,對鉆桿的腐蝕影響較大。H2S、硫化物應力腐蝕導致鉆具刺斷。鉆桿沒有進行內涂層處理,抗防腐能力差,鉆桿長期受鉆井液沖蝕,在鉆桿內外壁上形成大小不等的蝕坑或腐蝕應力裂紋,特別在過渡帶部位腐蝕更加明顯。所以過渡帶刺穿和周向開裂是主要的失效形式。

(5)水力沖蝕

鉆桿內加厚過渡區的過渡圓角半徑小,導致鉆井液流動時在鉆桿內加厚過渡區產生漩流,鉆井液對鉆桿內加厚過渡區產生沖蝕作用,加快了鉆桿的失效,影響了鉆桿使用壽命。

(6)彎曲應力集中

由于鉆鋌螺紋連接部位的強度遠小于鉆鋌管體本身的強度。鉆進時施加給鉆頭的鉆壓不是一個固定值,它受地層、操作者操作水平、設備、施工環境等因素的影響,鉆鋌的彎曲程度、彎曲位置也是頻繁變化的,隨著鉆壓的增大鉆鋌的彎曲程度也隨之增大,彎曲應力增大。從螺紋的結構看,鉆鋌螺紋根部1～3扣范圍彎曲應力最大,導致鉆鋌在扣根部位經常發生斷裂。

(7)鉆具螺紋失效

螺紋不干凈,絲扣表面粘附砂子或密封脂不干凈,含有砂粒;密封脂涂抹不均勻;最終導致粘扣、磨傷臺肩面,密封失效,刺扣。3.3 斷裂失效規律分析

失效位置分布規律圖見下圖1,失效斷口形狀見下圖2。從鉆鋌的失效位置可以看出分布的規律性,主要集中在鉆頭以上第3號、6號、9號、12號鉆鋌,經過理論分析,這些點是鉆柱1次、2次3次彎曲臨界點,是與失效結果相吻合的。失效斷面位置均為公螺紋或母螺紋的螺紋根部1～3扣范圍,斷口形狀平齊,失效形式為應力集中斷裂。

圖1 鉆鋌失效規律分布圖

4 鉆具防刺斷的配套技術和主要措施

4.1 加強鉆具螺紋保護

為防止螺紋粘扣及臺肩面損傷,現場將公母扣擦干凈,不涂扣油備用。可以用棕繩或鋼絲刷清洗干凈螺紋,然后包上塑料布防砂塵污染。鉆進接單根時,用氣管線吹干凈螺紋表面的沙粒,再涂均勻密封脂,按標準扭矩緊扣。推廣使用鉆具螺紋密封膜,減少鉆具螺紋的損傷。密封存放鉆具螺紋密封脂,保持干凈,防止沙塵污染,特別在鉆臺上搞好防風沙污染密封脂保護。加強鉆具螺紋的外觀檢查與探傷,對清洗干凈的螺紋要認真檢查,特別是對公扣、母扣扣根1～3扣進行重點檢查,發現損傷或裂紋;螺紋粘扣、粘臺肩及時檢出,并標注存在問題。對鉆鋌及時探傷,對探出有問題的鉆鋌進行切頭修扣,避免螺紋有裂紋的鉆具再次入井。一般每口井探傷2次,牙輪鉆頭打完,改用PDC鉆頭前探傷一次,完鉆探傷一次。鉆鋌失效頻繁特殊情況下,增加探傷次數。

4.2 合理設計鉆具組合

4.2.1 Φ215.9mm井眼

177.8 mm鉆鋌使用應配158.75mm鉆鋌過渡連接,推薦組合結構:

①Φ215.9mmbit+177.8mm DC×(1或2柱)+158.75mm DC×(6或5柱)+ 127mm Dp;

②Φ215.9mmbit+177.8mm DC×(6或7柱)+127mm Dp;

③Φ215.9mmbit+158.75mmDC×(7或8柱)+127mmDp。

鉆井參數:鉆壓小于180k N,轉速65rpm,排量28～30l/s,泵壓10～15MPa。

圖2 鉆鋌失效斷口形狀照

4.2.2 Φ241.3mm井眼

203.2 mm鉆鋌與177.8mm鉆鋌組合,推薦組合結構:

①Φ241.3mmbit+203.2mmDC×(1柱)+177.8mmDC×(6柱)+127mmDp;

②Φ241.3mmbit+177.8mm DC×(7或8柱)+127mm Dp。

鉆井參數:鉆壓小于200k N,轉速65rpm,排量32～34l/s,泵壓10～15MPa。

考慮鄂爾多斯地質特點,127mm加重鉆桿停止使用。

4.2.3 組合使用鉆鋌與扶正器

一般原則每柱加一只扶正器,控制在3只以內。推薦扶正器位置:牙輪鉆頭鉆進扶正器可接在第3#、9#、12#鉆鋌上,PDC鉆頭鉆進扶正器可接在第3#、6#、9#鉆鋌上。

4.3 優選鉆井參數。

Φ215.9mm牙輪鉆頭采用高鉆壓(小于180k N)、低轉速(65rpm左右);Φ241.3mm牙輪鉆頭采用高鉆壓(小于200k N)、低轉速(65rpm左右);Φ215.9mmPDC鉆頭采用小鉆壓(小于100k N)一般60～80 k N、高轉速(100rpm左右)。Φ241.3mmPDC鉆頭采用小鉆壓(小于100k N)一般80 k N～100 k N、高轉速(100rpm左右)。PDC鉆頭、牙輪鉆頭推薦使用大功率低速螺桿結合轉盤復合鉆井技術。轉盤轉速40 rpm左右,螺桿轉速110 rpm左右,鉆壓180k N以內,排量30L/s左右,泵壓10MPa左右。推廣使用PDC鉆頭是緩解鄂北氣田鉆具失效的有效預防措施。由于PDC鉆頭鉆進過程中鉆壓只相當于牙輪鉆頭的三分之一,大大降低了鉆鋌的彎曲應力,提高了鉆鋌的使用壽命。

4.4 加強鉆具的使用管理

每打完一只牙輪鉆頭及時倒鉆鋌下井次序;每口井倒換鉆具位置不少于2次。改進操作模式,送鉆均勻,操作平穩,發現跳鉆、蹩鉆及時停轉盤,提放鉆具,改變鉆壓和轉速參數,消除蹩跳鉆共振影響。泵壓下降,一般1MPa左右,立即起鉆檢查。對接頭磨損嚴重的鉆具及時敷焊耐磨帶。鉆鋌螺紋加工后,必須進行磷化處理,臺肩加工后應進行冷滾壓消除加工應力。新鉆具必須進行內涂層處理,防止鉆具被腐蝕,以延長鉆具的使用壽命。調整鉆井液p H值。要求p H值應控制在9～11范圍,添加緩蝕劑延緩鉆具的腐蝕速度。

4.5 應用鉆具防斷工具

在鄂爾多斯地區廣泛進行了減震器等防斷工具和配套技術推廣試驗工作,通過強化措施推廣綜合配套技術,使用防斷工具后,很少出現鉆具斷裂和刺穿等失效現象。共在6個鉆井隊進行了三輪共13口井現場試驗,取得了較好的鉆具防斷效果,斷鉆鋌得到了有效控制,螺紋傷害明顯降低。

5 取得的效果

防斷措施推廣前后效果對比見表2。從井隊的使用情況看,工具發揮了較理想的防斷效果,在防斷工具入井使用期間,未發生鉆具刺斷現象,起鉆探傷鉆鋌未發現問題。同時由于個別井部分井段未使用防斷工具,如D1—1—91井在1 602.05～2 296.4m井段未下防斷工具,導致加重鉆桿母接頭耐磨帶處斷裂,位置距端面390mm處。部分井隊鉆進參數沒有很好的執行防鉆具失效優化措施,鉆壓和轉速都較大,導致部分鉆具又出現了一些鉆具失效現象。

表2 部分井隊試驗推廣防斷技術取得效果對比表(6個井隊試驗)

鉆具防斷技術在D1—4—37等井推廣與應用,提高了鉆井速度,減少了鉆具失效的發生。推廣應用86口井,鉆井速度提高25%左右,單井鉆井周期節約5～8天。新型防斷工具推廣應用6個隊13口井,防斷效果明顯,在防斷工具入井期間未發生鉆具失效事故,鉆具的損傷得到了控制。該項目具有廣闊的推廣應用前景,具有顯著的經濟和社會效益。經濟效益主要體現在以下幾方面:

(1)減少鉆具失效和鉆具落井事故發生。年減少鉆具刺斷打撈40井次左右,節約打撈費用約120萬元;每年可以少刺斷鉆桿約150根,減少鉆桿損失約145萬元。

(2)鉆具修理次數明顯減少。每年可以少修2 000根左右,節約鉆具修理費用20余萬元。

(3)延長了鉆鋌的使用壽命,減少了鉆鋌的刺斷報廢數量。每年可以少報廢鉆鋌約10根,減少損失40萬元。

(4)鉆井速度提高25%,單井平均鉆井周期節約5天,日費按3萬元計算,單井創效益15萬元,年按60口井測算,可創效900萬元。

以上四項總計:1 225萬元。

防斷工具年投入約90萬元,投入產出比1∶13.6。

6 結論

(1)導致鉆具先期失效的因素是多方面的。鄂爾多斯盆地地質條件復雜,地層石英含量高,研磨性非常強,可鉆性差異大,是導致鉆具失效的最主要誘因。

(2)推廣應用減震器、扶正器等,是鄂爾多斯地區鉆具防刺斷的有效工具,取得了好的鉆具防斷效果。

(3)加強管理,通過優化井底鉆具組合設計,優化鉆井參數,規范操作,可有效減少鉆鋌的彎曲應力裂紋和斷裂發生。

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Break Failure Analysis on Drilling Collar in Ordos Basin Gas Field and Application of Break Prevention Technique

ZHANG Jian-she

(Technology Center of Tianjin Pipe(Group)Corporation,Tianjin 300301,China)

According to geological condition in Ordos basin gas field,the causes of drilling collor failure were analyzed.By summarizing application of bumpers at the scene,One series of mature technical precautions in drilling collor break prevention were researched.To optimize drill assembly designing,adjust drilling parameters,improve drilling operation methods,etc.Good results have been achieved through the use of break prevention on D1—4—37,etc.

geological condition;bumpers;drill assembly;drilling parameter;drill collar failure; result valuation

1001—5108(2016)03—0096—05

TE921

A

張建設,高級工程師,主要從事石油管材應用技術研究與服務工作。