塔河油田鉆具失效分析及預防措施

羅 軍，白 馬，董海龍

（中石化西北油田分公司石油工程監督中心，新疆 輪臺 841600）

鉆具在鉆井過程中主要提供鉆壓、傳輸動力和循環鉆井液，在鉆柱中具有不可替代性，鉆具的合理組合設計、科學維護保養與現場使用規范化將大幅提高鉆井效率和質量，縮短鉆井周期，降低鉆具失效機率和鉆井成本；因此鉆具管理是油氣井建設的一個非常重要的課題，文中結合了近幾年塔河油田鉆具失效的主要類型，采取有效控制措施，保障鉆具服役安全。

1 鉆具失效的主要類型

鉆具在鉆井過程中受復雜的地質條件、惡劣的井下環境、復合受力和現場使用等各因素的綜合作用，引發多起鉆具失效故障。針對近幾年塔河油田鉆具失效故障，分析歸納為鉆具斷裂、過載變形、表面損傷等形式。

1.1 鉆具斷裂

1.1.1 疲勞斷裂

鉆具疲勞斷裂主要為鉆具螺紋的疲勞斷裂，因為與鉆具本體相比，鉆具螺紋截面變化，且剛度小，在交變應力作用下（如圖1所示），鉆具螺紋的應力集中區是失效最多的部位（即公母螺紋的最后1～3扣）[1]。

1.1.2 過載斷裂

過載斷裂主要為鉆井遇阻或憋鉆時強拉、強扭、強壓等故障處理時，作用力超過鉆桿的屈服強度，在鉆桿的摩擦對焊處發生過載斷裂；因鉆桿焊縫區域處于截面變化區域，管體極易受到泥漿的沖蝕，且該焊接區域由于熱處理不完全，材料強度下降，在超負荷作用力下，應力主要集中在該區域，易發生過載斷裂。

圖1 單向彎曲疲勞應力分布與裂紋的擴展

1.1.3 低應力脆斷

鉆具在連續反復荷載作用下，其應力雖然沒有達到抗拉強度，甚至還低于屈服強度時，由于鉆具材質或熱處理工藝等未達到標準要求，材質疏松處發生脆斷。

1.1.4 氫脆斷裂

井內含有硫化氫濃度超標，鉆具在該環境下作業，鋼材與氫原子產生化學反應，受拉應力作用發生氫脆斷裂，各型號鋼材在硫化氫環境下性能存在差異（見表1）。

表1 硫化氫作業條件下鉆桿性能

硫化氫環境開裂主要表現為氫誘發裂紋（HIC）、氫鼓泡（HB）、硫化物應力開裂（SSC）和應力導向氫誘發裂紋（SOHIC），如圖2所示。

圖2 硫化氫應力開裂形態示意圖

1.2 過載變形

鉆具過載變形主要存在以下2種情況：

一是鉆具上扣扭矩過大，或是上扣扭矩不足會使鉆具螺紋在井下二次緊扣，導致鉆具螺紋部位被拉伸或是接頭漲扣變形。

二是鉆桿本體在遇阻或遇卡故障中，在大噸位的上提下放鉆柱時，鉆桿受力超過本體的屈服強度而發生彎曲變形。

1.3 鉆具表面損傷

1.3.1 表面腐蝕

包括均勻腐蝕、凹坑腐蝕或縫隙腐蝕，如鉆具銹蝕、卡鉆泡酸解卡處理，造成酸性介質腐蝕、鉆井液腐蝕等情況。

1.3.2 表面磨損

主要體現在鉆具螺紋部位上扣旋合時螺紋的磨損，以及井壁對鉆桿本體外徑的磨損，形成應力薄弱區。

1.3.3 表面機械損傷

機械損傷主要包含鉆具表面碰傷，大鉗、卡瓦及其他工具咬傷，以及在鉆具表面焊接或火燒改變材質性能。

2 塔河油田鉆具失效的主要原因

造成鉆具失效的原因不是單一疲勞破壞或機械損傷破壞，往往是各種因素相互關聯的，但就某一種故障來說，可能是一種或一種以上的原因造成的。

2.1 井下環境原因

2.1.1 地層因素

塔河油田鉆具使用比較頻繁，地層比較復雜鉆井過程中跳鉆及憋鉆現象比較常見，特別扶正器、鉆鋌、轉換接頭和鉆桿承受的扭矩較高，受憋跳鉆、彎曲井眼的應力交變造成較快疲勞，如TH-1井在同一地層由于地層較硬，憋跳鉆嚴重，相繼造成扶正器和螺紋根部的應力疲勞不能有效釋放，當應力達到足夠的強度和足夠的交變次數時，在井下復雜的受力下造成應力疲勞斷裂。

2.1.2 鉆井液

鉆井液的種類、酸堿性、固相含量、流速、溫度等情況對鉆具失效均有一定的影響。如TH-2井由于該井采用新工藝鉆井液中氯元素超標，使該井鉆桿內外表面出現密集的針眼狀腐蝕坑。

2.2 鉆具自身質量原因

2.2.1 鉆具選材和熱處理不當

鉆具材質性能強度達不到要求，材質內部組織粗大，熱處理工藝達不到標準參數，其抗拉、抗扭未達到屈服強度要求下，造成低應力脆斷。如TH-3井使用的外徑212mm扶正器，因材質原因，在通井過程中受力較小時發生脆斷。

2.2.2 螺紋機加工精度不達標

螺紋在維修加工過程中，內螺紋有效長度低于標準要求，緊扣時造成內螺紋漲扣，如TH-4井5″鉆桿內螺紋，由于加工達不到標準要求，在上扣過程中漲扣，不能繼續使用。

2.3 鉆具組合結構不合理

塔河油田超深井一般采用塔式鉆具組合，如TH-5井使用的欠尺寸B型轉換接頭（如圖3所示）小于兩端配合的鉆具外徑，在此部位形成啞鈴狀組合，成為受力薄弱區，在交變應力作用下，接頭公螺紋斷裂。

圖3 欠尺寸B型轉換接頭示意圖

2.4 復合交變受力因素

鉆具在井下不僅與鉆井液、井壁、腐蝕介質等直接接觸，承受高溫影響，同時還承受拉伸、彎曲、擠壓等復雜應力的作用，其苛刻作業環境直接影響鉆具的使用時效和質量。

在鉆井過程中，鉆柱常處于彎曲和扭矩的雙重作用下。加于鉆柱上的扭矩可近似計算為[2]：

式中：T——作用于鉆柱上的扭矩，N·m；

n——鉆柱的轉速，r/min；

p——鉆柱旋轉所使的功率，W。

因而作用于鉆柱上的最大剪切力為：

其中：

式中：d0——鉆柱的外徑，mm；

di——鉆柱內徑，mm。

除了受扭矩之外，鉆柱會在壓力、拉力、離心力和扭矩的綜合作用下，不僅繞自身軸線自轉，而且繞井眼軸線公轉，并常常伴隨著反向渦動。鉆柱在自轉和反向渦動并有軸向載荷情況下的最大彎曲應力為[3]：

式（4）中，受拉取“+”（中和點以上），受壓取“-”（中和點以下）[4]。

式中：A——鉆柱橫截面積，m2；

γ——鉆柱單位體積的重度，N/m3；

g——重力加速度，m/s2；

式中：

ωp——鉆柱反向渦動角頻率，rad/s；

P——軸向作用力，N；

E——楊氏彈性模量，Pa；

I/c——鉆柱的斷面模數，m3；

ωr——鉆柱的自轉角速度，rad/s；

L——所研究鉆柱的長度，m；

R——井壁與接頭間的單面環隙，m；

I——鉆柱橫截面積的慣性矩，m4；

ω1αl——鉆柱在自轉和反向渦動并有軸向載荷時的固有橫振角頻率，rad/s。

2.5 現場管理及現場使用因素

2.5.1 鉆具入井前檢查不嚴

在現場對入井鉆具檢驗不嚴格認真，使質量低劣或有外表損傷鉆具入井，造成鉆具失效故障的發生。如TH-6井，在部分5″鉆桿使用已達到檢測周期情況下，現場作業人員沒有仔細挑選，盲目下鉆造成已到檢測周期的鉆桿未及時倒換，致使疲勞斷裂。

2.5.2 卡瓦咬傷管體

在處理故障時將卡瓦直接咬住鉆具管體，造成管體存在硬傷，后期使用時容易在傷痕處產生應力集中發生脆性開裂。TH-7井3-1/2″鉆桿管體卡瓦咬傷，造成傷痕處刺漏斷裂。

2.5.3 上扣扭矩不當

上扣扭矩不足，在鉆井過程中鉆桿接頭會自行二次緊扣，使內螺紋接頭脹大損壞。如果在鉆臺上的上扣扭矩過大，使接頭密封臺肩發生塑性變形，從而使內螺紋接頭脹大損壞。上扣扭矩過大或過小等，均可誘使鉆具接頭和螺紋失效。如TH-8井5″鉆桿扭矩過大造成內螺紋漲扣。

2.5.4 泡酸作業影響

在發生卡鉆等故障后，采取泡酸解卡手段，鉆具在酸性介質中浸泡時間過長，造成鉆具腐蝕并產生腐蝕坑。

2.5.5 操作不當

鉆井隊在現場起下鉆等操作過程中，由于操作不當，會造成鉆具損傷，嚴重的還可能發生鉆具斷裂故障。如TH-9井在封井器未打開情況下，上提鉆具時遇阻卡后強提致使3-1/2″鉆桿本體發生過載斷裂。

3 預防鉆具失效、提高鉆具使用壽命措施

3.1 鉆具技術措施

3.1.1 選用LET螺紋和高抗雙臺肩螺紋。

LET螺紋使螺紋根部應力集中區域前移（如圖4所示），降低應力疲勞集中區,目前工區小鉆鋌（7″以下，不含7″）采用LET螺紋大幅度減少小鉆鋌失效故障。5-1/2″和4″非標鉆桿采用高抗雙臺肩螺紋增加抗扭強度，降低螺紋應力集中，扭力主要作用在公母螺紋的副臺肩面處。

圖4 LET螺紋結構示意圖

3.1.2 規范耐磨帶敷焊技術

使用耐磨和減磨性能較好的耐磨帶敷焊材料，通過對耐磨帶寬度、厚度的控制保障鉆桿接頭不被磨損，降低外徑磨損強度減少發生失效故障。

3.1.3 加強鉆柱螺紋薄弱環節修扣

通過對鉆鋌、轉換接頭內、外螺紋定期修扣及時消除螺紋根部存在的應力疲勞。

3.2 現場使用預防措施

3.2.1 合理利用鉆具，降低應力集中

（1）鉆具外徑尺寸的選擇，選用外徑較大的鉆具，可增加鉆具組合的剛性，降低鉆具彎曲變形。

（2）在設計鉆具組合時，使相鄰的鉆具外徑尺寸逐步減小，選用塔式鉆具組合，并且在鉆桿和底部鉆具組合之間配合加重鉆桿，在鉆柱中形成尺寸過渡區，降低應力集中。同時合理選擇鉆鋌尺寸規格，防止鉆柱中和點位于鉆桿位置，導致位于中和點的鉆桿交變應力產生疲勞破壞。

（3）鉆井過程中合理倒換鉆具，釋放應力，避免應力集中于固定區域。

3.2.2 規范使用鉆井參數

采取有效措施，改善鉆具的工作狀態。及時調整鉆頭的型號和鉆井參數，要避免井下鉆柱憋跳及鉆具共振的產生，鉆壓要避免鉆桿受壓導致的鉆具屈曲，發生偏磨等。使用加重鉆桿，改變下部鉆桿受力狀態，減小因截面突變產生的較大應力。

3.3 車間檢測預防措施

3.3.1 標準化檢測維修

制定《鉆具管理規范》、《鉆具檢測與分級評價》、《鉆具螺紋加工與檢驗管理規程》，規范鉆具檢維修各工序及現場使用管理；并在油田內開展標準化、規范化操作的視頻教育培訓，嚴格鉆具檢測流程，嚴禁跨程序作業，把關質量控制要點，降低個人操作失誤；并針對重點井、重點區域進行升級管理，加強鉆具抽檢，嚴格執行接頭雙修扣要求，采取更嚴厲手段確保鉆具安全運行。

3.3.2 鉆具管理數據庫平臺

建設快捷、方便、安全的鉆具數據庫管理平臺。所有投入油田使用的鉆具均納入管理平臺，全程監控鉆具使用狀態，各項數據信息共享，方便各單位管理、查詢、審核，確保現場使用鉆具的唯一性和真實性，以確保準確及時地檢維修鉆具。

3.3.3 風險評估，給現場使用提供依據

根據各井鉆具的具體要求，對應編制各井鉆具的使用評價分析報告和現場使用提示。根據鉆具生產廠家、投入年限、鉆具性能參數及前期使用情況綜合分析該批鉆具的實際狀況，提前分析存在風險因素，并對后期使用提出對應相關建議和保護措施，確保現場鉆具的規范管理和使用。

4 應用效果

通過加強鉆具管理、新技術推廣和提升檢測質量，從源頭控制入場鉆具材料質量到現場規范合理使用，鉆具使用壽命得到延長，相應的鉆具故障得到控制。通過對2011年以來塔河油田發生的鉆具故障起數進行對比分析，鉆具失效預防措施效果明顯，鉆具故障呈逐年下降趨勢（見圖5）。

5 結論與建議

快速優質是對鉆井工作的基本要求。鉆具是鉆井質量的基本保障，防止和減少鉆具失效，重在預防，但受各種因素影響，鉆具失效難以避免，通過對鉆具失效的認真深入分析總結，采取針對性改進措施，可有效降低鉆具失效的發生。

圖5 2011～2016年塔河油田鉆具故障統計分布

（1）規范鉆具檢測周期、修扣周期，是預防鉆具失效的重要措施，工區近年來通過加強標準規范執行力度，重點對轉換接頭、鉆鋌等受力集中部位鉆具加強檢測、修扣管理，鉆具螺紋斷裂失效得到有效控制。

（2）鉆具在上卸扣過程中，大鉗扭矩值是確保鉆具工作性能的關鍵因素之一，目前鉆井隊液壓大鉗扭力表校驗不規范，所提供扭矩值誤差較大，增加了鉆具失效風險。

（3）鉆具疲勞是引發鉆具失效的主要原因之一，預防鉆具疲勞最佳辦法是將鉆具應力得到充分釋放，尤其是處理過復雜工況的鉆具，應及時倒換，并在車間檢測后停放足夠長時間再發往下口井施工。

[1] 李鶴林，等.石油鉆柱失效分析與預防[M].北京:石油工業出版社,1999.

[2]《鉆井手冊（甲方）》編寫組.鉆井手冊[M].北京:石油工業出版社,1990.

[3] 章揚烈.鉆柱運動學與動力學[M].北京:石油工業出版社,2001.

[4] 張小柯，等.鉆柱渦動時彎曲組合交變應力下的強度計算[J].天然氣工業,2004,24(7):49-51.