鉆具失效原因分析及對策研究

李永慶

（大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163413）

鉆井施工花費巨大，一口深井的鉆井作業(yè)成本往往達(dá)到幾千萬元。在鉆井作業(yè)過程中，井下鉆具的工作環(huán)境十分惡劣，要在高溫高壓環(huán)境下承受各種應(yīng)變載荷和劇烈碰撞，同時還要受到鉆井液的沖刷和腐蝕[1-2]。由鉆具失效產(chǎn)生的起鉆換鉆具以及停鉆打撈落魚等事故會嚴(yán)重影響鉆井施工進(jìn)度，增加勘探開發(fā)成本。因此有必要對鉆具在井下可能產(chǎn)生失效的原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，針對性地給出策略，從而預(yù)防和避免井下事故的發(fā)生，為提高油氣田開發(fā)效率提供技術(shù)支持。

1 國內(nèi)外研究情況

1.1 國外研究情況

20世紀(jì)40年代，國外開展了金屬疲勞、鉆井液腐蝕性等對鉆具的影響機(jī)理研究，研究結(jié)果表明提高鉆具的材質(zhì)強(qiáng)度和優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)可以有效減少鉆具刺漏和鉆桿斷裂的發(fā)生。1975年國外學(xué)者Hansford等基于有限元的分析方法，開展了鉆具組合在井下的應(yīng)力和應(yīng)變研究，使鉆具失效研究得到了更為準(zhǔn)確的力學(xué)支持。隨著21世紀(jì)人類經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，深井超深井?dāng)?shù)量的大幅度增多，針對鉆具失效問題的研究成為了熱點，在新型材料研發(fā)、鉆具檢測方法、材料力學(xué)理論等方面均取得了突破，大幅度提高了井下鉆具的使用安全性。

1.2 國內(nèi)研究情況

國內(nèi)于20 世紀(jì)60 年代開始對鉆具失效問題進(jìn)行研究，朱德武等通過研究應(yīng)力和應(yīng)變等載荷對鉆柱破壞的影響，從疲勞破壞方面給出了鉆具失效的影響因素。陸永明等研究了鉆柱應(yīng)力、鉆井液性質(zhì)、井下溫度等對鉆柱的破壞情況，分析了緩蝕劑對緩解鉆柱腐蝕和保護(hù)鉆柱強(qiáng)度的作用。近年來，隨著特殊工藝井的逐漸增多，國內(nèi)針對鉆具失效的研究力度也進(jìn)一步加大，研究水平也得到了大幅度提高。

2 鉆具失效的主要形式

由于井下的施工條件比較惡劣，鉆具主要受到井底高溫、鉆井液腐蝕與沖刷、載荷應(yīng)力、井壁碰撞等因素的影響，鉆具失效主要有塑性形變、鉆具損傷和鉆具斷裂等三種形式[3]。

2.1 鉆具形變

隨著鉆井深度的增加，鉆桿長度和自身懸重不斷增加，當(dāng)鉆桿承受的拉伸應(yīng)力超過其自身設(shè)計強(qiáng)度時會產(chǎn)生難以恢復(fù)的形變，當(dāng)形變積累到一定程度時就會引發(fā)鉆具失效。

2.2 鉆具損傷

鉆具損傷主要是由鉆井液腐蝕、鉆具表面磨損和機(jī)械性損傷三部分構(gòu)成。其中由于鉆具長時間工作在井下高溫環(huán)境中，鉆井液中的溶解氧和氯離子會對鉆具產(chǎn)生腐蝕而導(dǎo)致鉆具強(qiáng)度降低甚至刺漏；鉆井液中含有的固相顆粒對鉆具表面的沖蝕會使鉆具受損，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋性斷裂；鉆具在存放和使用過程中也會由于碰撞或者液壓大鉗上扣等造成應(yīng)力損傷。

2.3 鉆具斷裂

鉆具斷裂的主要原因有：當(dāng)發(fā)生卡鉆等工況時，鉆具承受的負(fù)載遠(yuǎn)大于本身的抗拉強(qiáng)度時會發(fā)生過載性斷裂；在腐蝕和應(yīng)力雙重作用下發(fā)生的應(yīng)力腐蝕性斷裂；由于共振和長時間反復(fù)使用造成的疲勞斷裂。

3 鉆具失效的主要原因

鉆具失效往往是由于多種原因共同作用造成。據(jù)統(tǒng)計，鉆鋌和鉆桿是最易發(fā)生失效的部位，因鉆具自身質(zhì)量問題造成的失效比例是12.8%，因現(xiàn)場使用不當(dāng)造成的失效比例為32.2%；因井下工作環(huán)境造成的失效比例是52%；由于運輸、保存原因造成的失效比例是3%。

3.1 鉆具自身材質(zhì)因素

對鉆具失效的統(tǒng)計分析表明，生產(chǎn)過程中使用的原料材質(zhì)品質(zhì)較差、生產(chǎn)工藝不達(dá)標(biāo)和產(chǎn)品尺寸偏差大，是導(dǎo)致鉆具失效的主要原因，主要表現(xiàn)在：①鉆桿加厚部位的結(jié)構(gòu)存在問題；②鉆桿、鉆鋌等鉆具間的轉(zhuǎn)換接頭質(zhì)量差；③螺紋加工標(biāo)準(zhǔn)低，在應(yīng)力集中作用下發(fā)生問題，導(dǎo)致應(yīng)力損傷；④鉆柱強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。

3.2 環(huán)境因素

國外一家鉆井設(shè)備公司的統(tǒng)計表明，造成鉆柱失效的最主要的環(huán)境因素是鉆井液腐蝕。鉆井液的含砂量、pH值、潤滑性、流態(tài)、溫度等均對鉆柱失效有著直接或間接的影響。鉆井液對鉆柱的腐蝕性排序為：充氣鹽水鉆井液＞鹽水鉆井液、低pH鉆井液＞高pH鉆井液＞油基鉆井液。由于鉆井過程中，鉆井液在完全敞開的環(huán)境下進(jìn)行循環(huán)，空氣中的氧氣會隨著鉆井液的循環(huán)大量溶解形成具有強(qiáng)氧化力的游離氧，游離氧在井下高溫的作用下會對金屬鉆具產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用，形成氧化鐵等氧化物，從而降低鉆具強(qiáng)度。此外，當(dāng)鉆遇含二氧化碳、硫化氫和含高礦化度水的地層時，隨著二氧化碳、硫化氫和地層水侵入鉆井液，也會加速井下鉆具的腐蝕。

北方冬季施工時，室外最低溫度可達(dá)零下40℃左右，而深井的井下溫度通常高于150℃，由于環(huán)境溫度和井下溫度的溫差過大，鉆具易因冷脆發(fā)生斷裂失效，而且在室外低溫環(huán)境下上扣后，在井底高溫作用下會由于膨脹作用造成絲扣的應(yīng)力集中而對鉆具造成破壞。

鉆遇堅硬地層和非均質(zhì)地層時因地層因素，產(chǎn)生憋跳鉆導(dǎo)致鉆柱震動而失效；鉆遇傾角比較大的地層，因為井斜和方位不易控制，導(dǎo)致井眼軌跡不規(guī)則，狗腿度過大，使井下鉆柱發(fā)生彎曲，所受應(yīng)力和應(yīng)變級別增加，從而誘發(fā)鉆具斷裂等失效事故。

3.3 現(xiàn)場施工因素

現(xiàn)場施工因素也是引發(fā)鉆具失效的重要因素之一。比較常見的情況有：①部分施工人員不按規(guī)程上扣，導(dǎo)致上扣扭矩不達(dá)標(biāo)。當(dāng)上扣扭矩過低時，絲扣之間的連接不緊密，沒有達(dá)到預(yù)期的載荷，在長時間井下應(yīng)力的影響下，會出現(xiàn)微小的縫隙，井下的高壓鉆井液容易從這些縫隙處高速射出，從而導(dǎo)致鉆具刺漏；當(dāng)上扣扭矩過高時，一旦發(fā)生憋跳鉆就會造成漲扣現(xiàn)象影響鉆具壽命。②螺紋密封脂使用不當(dāng)。使用螺紋脂是為了在螺紋和臺肩之間形成油膜保護(hù)層，降低金屬之間的直接摩擦和粘連，但當(dāng)密封脂質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或者涂抹不均勻時，會在井下劇烈震動和高溫作用下而失效，導(dǎo)致刺漏和粘扣事故的發(fā)生。

4 鉆具失效的技術(shù)對策

鉆具失效產(chǎn)生的原因既有地層條件和外界環(huán)境等客觀因素，也有鉆具質(zhì)量差、鉆具組合不合理、施工工藝存在問題等主觀因素。客觀因素是難以避免的，要預(yù)防鉆具失效問題的發(fā)生，主要應(yīng)該從主觀因素著手[4]。在鉆井施工作業(yè)中，應(yīng)該重點注意如下方面：

（1）下井前加強(qiáng)對鉆具質(zhì)量的控制。①嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)采購質(zhì)量達(dá)標(biāo)的井下鉆具，鉆遇堅硬地層時，應(yīng)該優(yōu)先使用高韌性鉆具；②嚴(yán)格執(zhí)行探傷程序，發(fā)現(xiàn)問題后及時對鉆具進(jìn)行修理和替換；③鉆遇特殊地層時避免使用已被腐蝕的鉆具。

（2）針對性地優(yōu)化鉆具組合。①鉆遇井眼軌跡發(fā)生大幅度變化的地層時，在鉆鋌間加入過渡短接，減少鉆具偏磨現(xiàn)象的發(fā)生；②在有條件的情況下，使用強(qiáng)度和韌性更好的G105 鉆桿；③根據(jù)地層情況優(yōu)選鉆頭，減少因鉆頭原因造成的憋跳鉆情況。

（3）定期對鉆具進(jìn)行探傷并按照規(guī)程替換鉆具位置。①一般情況下對鉆鋌的螺紋部分每使用250h左右進(jìn)行一次探傷，特殊情況下每次起下鉆均要進(jìn)行探傷；②每3～4次起下鉆需要倒換一次鉆桿和鉆鋌；③對井隊施工人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其具備基本的判斷能力，在起下鉆和拆卸扣時第一時間通過目測來判斷鉆具是否存在缺陷。

（4）加強(qiáng)鉆具的日常維護(hù)管理。①建立鉆具使用臺賬，了解鉆具的使用情況，確定其疲勞程度，根據(jù)實際使用情況確定該鉆具是可以繼續(xù)使用還是應(yīng)該進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；②將深井使用過的鉆鋌按批次倒換到淺井中使用，達(dá)到一定期限后切除全部舊扣并重新造扣，從而避免疲勞應(yīng)力對鉆具的損害。

5 結(jié)論和建議

（1）鉆井施工花費巨大，由鉆具失效產(chǎn)生的起鉆換鉆具以及停鉆打撈落魚等事故會嚴(yán)重影響鉆井施工進(jìn)度，增加勘探開發(fā)成本。

（2）鉆具失效往往是由于多種原因共同作用造成，鉆鋌和鉆桿是最易發(fā)生失效的部位，工作環(huán)境和現(xiàn)場使用不當(dāng)是鉆具失效的主要原因。

（3）加強(qiáng)采購環(huán)節(jié)質(zhì)量把關(guān)、優(yōu)化鉆具組合、使用合理的鉆進(jìn)參數(shù)、提高鉆井液性能、定期探傷并加強(qiáng)日常維護(hù)管理是預(yù)防鉆具失效的主要方法。