鉆具失效影響因素分析及規范管理對策＊

譚雷川

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川 成都 610051）

隨著川渝地區天然氣勘探開發的不斷深入，為了充分探明燈影組等深部氣藏情況，川渝地區鉆井規模日益增大，超深井數量逐年增多[1-3]。在鉆井過程中由于井眼軌跡復雜、鉆壓大、轉速高、環境苛刻，鉆具失效事故頻繁發生，嚴重制約了鉆井工程的安全性和可靠性，造成了嚴重的生產時效滯后和巨大的經濟損失[4]。因此，對川渝地區超深井鉆具失效情況進行分析研究，充分了解鉆具失效的機理和原因，制定相應的防范措施，對提高鉆具使用壽命，預防井下復雜的發生，降低鉆井工程風險有著十分重要的價值[5]。

1 國內外研究進展

19 世紀60 年代開始，國外初步開展了金屬材料失效方面的探索，吸引了眾多的研究者[1-3]。進入20 世紀，EWING 和BASQUIN 基于金屬材料失效的理論認識，建立了金屬失效與疲勞系數的關系模型，該模型后來在鉆具力學失效分析中得到了廣泛的運用。緊接著，開展了鉆井液腐蝕、金屬疲勞等對井下鉆具材質的影響分析，認為提高井下鉆具鋼級、降低鉆井液中腐蝕材料的含量可以有效地降低鉆具失效的概率。20世紀50 年代開始，研究者們開始從微觀上研究鉆具失效的機理，THOMPSON 通過大量的試驗，認為金屬疲勞裂紋的出現是失效的主要原因。HANSFORD 等將井身結構質量跟鉆具的工況相結合，認為較大的狗腿度會導致鉆具在旋轉過程中受到交變應力的影響。隨著鉆井行業的不斷發展，深井、超深井、大位移井涌現，復雜的井下工況使得鉆井工程對鉆具強度提出了更高的要求[4-5]。相關學者通過對鉆具接頭的疲勞失效進行研究，認為金屬材料內部的非金屬夾雜物成分會影響鉆具的屈服強度、沖擊功等參數，不恰當的非金屬夾雜物的比例會導致鉆具變脆、強度變弱[6-8]。近年來，新型材料的研發，鉆具檢測手段、鉆具管理規范等方面的高速發展，大大提高了鉆井過程中井下鉆具的安全性和可靠性。研究者們還通過有限元建模來對井下鉆具的運動進行實時模擬，還原了三維空間下鉆具的實際受力形態，并考慮了鉆壓、扭矩、立壓等影響因素，全面分析了鉆具失效的原因。另外，在鉆具失效預防方面，平滑的井眼軌跡、鉆井參數的合理調配、鉆具探傷檢測等均可以有效降低鉆具失效的概率，而選擇合適的彎曲強度比和最佳緊扣扭矩、優化鉆具組合等方法也可以有效延長井下鉆具的壽命[9-10]。

2 鉆具的失效情況概述

2.1 失效形式

川渝地區超深井鉆具失效形式主要發生在鉆具接頭處，占比川渝地區超深井鉆具失效總數的66.7%，此種失效主要以鉆桿、鉆鋌連接螺紋根部為主，表現為金屬合金材料的復合疲勞脆性斷裂。鉆具接頭的主要表現形式為刺漏，占比78.0%，表現為金屬合金材料產生縱向、橫向疲勞裂紋后受鉆具內外壓差的影響被鉆井液刺穿。鉆具接頭刺漏已成為川渝地區超深井鉆具失效的主要矛盾。

2.2 失效尺寸

川渝地區鉆具失效尺寸集中發生在5 1/2″及5″鉆桿，占川渝地區鉆具失效數量的80%。鉆具失效呈明顯的“大鉆具、高負荷、高失效”特征。

2.3 失效層位

在淺井段的沙溪廟、自流井、涼高山、須家河層位（小于3 000 m）發生的鉆具失效次數較多，鉆具失效所在位置發生在井深小于3 000 m 的，占比64.1%；發生在井深大于3 000 m 的井，占比35.9%；失效鉆具發生的位置集中發生在鉆具中下部，占比57.2%；鉆具失效發生的井深與失效鉆具位置呈現明顯的“一深一淺”特征，即井深“深”，鉆具“淺”。

2.4 服役年限

服役年限大于3 年的鉆具失效占比63.4%，服役年限小于3 年的鉆具失效占比36.6%。服役年限大于3年的鉆具明顯出現失效集中爆發、負荷宏觀疲勞損壞的特征。

2.5 失效部位

鉆鋌失效基本發生在鉆壓動態零應力點、鉆頭及大小鉆鋌連接處的剛性過渡帶附近，約占鉆鋌失效總數的66.7%；鉆桿失效基本發生在與鉆鋌連接處的剛性過渡帶及井眼軌跡突變處，約占鉆桿失效總數的75%。

2.6 鉆井參數的影響

鉆壓對鉆具失效的規律不明顯，轉速范圍在60～79 r/min 鉆具可能發生了共振現象，轉速大于等于80 r/min，鉆具可能發生了失穩現象。

3 鉆具失效原因分析

3.1 管理原因

3.1.1 標準、規定執行不到位

上卸扣操作不規范：個別井隊存在不按標準扭矩緊扣的問題，以小于規定的上扣扭矩上扣，不校準大鉗精度。螺紋脂使用不規范：螺紋及臺肩面清潔不干凈，泡酸及堵漏后不及時清潔受污染的鉆桿，螺紋脂涂抹不均勻。鉆具錯扣起鉆及倒換執行不到位：個別井隊未執行錯扣起鉆，沒有按規定定期倒換鉆具。

3.1.2 現場技術管理落實不到位

鉆具失效未預警、操作不精細：個別井隊對鉆具失效的先期征兆發現不及時，盲目操作導致鉆具落井故障。上扣情況無法追溯：部分井隊液氣大鉗未安裝扭矩儀，無法做到上扣扭矩的記錄查詢。

3.1.3 鉆具管理數字化程度不高

單根記錄卡片沒有相應的檢維修信息，僅記錄鉆具分批管理的信息，缺少單根的獨立信息；鉆具使用記錄、探傷記錄、修理記錄分別記錄于不同的臺賬上，缺少統一的數字化管理平臺。

3.1.4 鉆具及專業人員配置不足

鉆具替換量不足：川渝地區深井超深井增多，對新、一級鉆桿的需求與現有可替換鉆桿的數量矛盾突出。檢維修專業人員不足：管子車工、檢驗檢測等新生代專業化人員缺口較大，與鉆具檢維修質量的需求矛盾突出。

3.2 技術原因

鉆柱接頭厚度較大，部分鉆柱接頭厚度接近管體2倍，剛性超過管體，韌性遠低于管體，在狗腿度較大的井眼段，會超過其承受的臨界點而發生斷裂失效。另外，上扣扭矩不足，致使鉆桿公、母螺紋副臺肩在工作狀態下不停松緊扣，公螺紋在交變應力作用下產生疲勞裂紋并不斷積累，加速螺紋中部疲勞產生裂紋和擴展，不能承受高載荷而發生斷裂。

在處理卡鉆過程中，長時間劃眼，巖屑、砂橋磨損本體，壁厚減薄，鉆桿抗拉能力降低，加之大噸位上下活動鉆具，疲勞累積，造成本體斷裂失效。同樣，上扣扭矩不足，接頭抗拉、抗扭能力降低，加之螺紋應力集中、接頭主副臺肩清潔不到位等問題，導致接頭密封失效。

其他技術原因還包括因動力鉗設備、鉆桿主副臺肩清潔、螺紋脂等原因未按照緊扣扭矩標準進行操作，未按規定平穩操作、堅持使用對扣器，碰撞損傷鉆桿密封面，以及泡酸、泡解卡劑、堵漏作業后未及時清洗污染鉆桿。

4 鉆具規范管理對策

4.1 進一步加強管理辦法宣貫，明確管控目標，嚴格落實相關規定

進一步加強公司事故復雜、鉆具管理辦法宣貫，嚴格落實公司相關管理辦法要求，深入開展鉆具故障專項治理活動，以標準規范為抓手，進一步加強鉆具使用、檢測與維修管理；杜絕因人為盲目操作導致的有責鉆具落井故障。

4.2 完善標準規范，修訂公司鉆具技術管理規定

完善、細化鉆具使用、檢測與維修等全過程的管理制度，增加并完善“三器”（鉆具穩定器、震擊器、減震器）管理及使用的內容，加強鉆桿、鉆鋌等鉆具的倒換以及現場雙臺肩鉆具的使用管理等。加強對人員標準規范的宣貫和培訓，組織開展公司鉆具技術管理培訓，落實培訓內容和相關人員，有針對性地開展相關培訓，做到“管鉆具的熟悉標準，用鉆具的熟悉規程”。

4.3 從設計入手，消除源頭隱患

綜合考慮接頭的剛度比、抗拉應力等導致鉆具失效的因素，優化完善不同規格鉆桿的接頭規范（主要是5 1/2″、5″和4″雙臺肩鉆桿接頭）。優化鉆具尺寸選擇，對超深井綜合考慮水力學性能以及中上部鉆桿承受拉伸應力大，鉆具尺寸原則上優選5 7/8″鉆桿。

4.4 強化鉆具全生命周期的過程管控

4.4.1 管理層面

強化質量管控，嚴格執行鉆具出站質量檢驗制度，杜絕不合格鉆具送井；強調聯管聯責，鉆具公司加強對鉆具狀態和現場使用的全面掌控、把好檢測關；現場嚴格執行標準和要求，發生鉆具故障，使用和管理雙方要共同承擔相應責任；加強考核督察，加強工具使用過程中的質量管控監督，定期開展技術標準執行情況檢查；加強事故調查，發生鉆具故障后，及時進行調查，查清原因，嚴格處理。

4.4.2 執行層面

嚴把現場驗收關，要求提供第三方檢測報告、檢測曲線、設備使用記錄的證明文件，無相關資料不得入井；嚴把工具判廢關，減震器使用超過3 口井、返廠維修2 次執行強制報廢，專人專崗進行管理；加強工具新度控制，建立螺桿、震擊器等鉆具現場新度情況記錄，優先使用全新螺桿鉆具；加強合同約束性，加強使用情況評價，細化投標條件、合理控制合同份額，強化對造成故障的扣款條款執行。

4.4.3 技術層面

進一步優化完善檢測標準，探索引入DS-1 鉆具檢測標準；強化鉆具使用技術管理，保證檢測記錄和曲線、上扣數據存檔記錄全覆蓋，做到可追溯；建立鉆具旋轉作業統計數據庫和判廢標準，及時倒換鉆具；嚴格督查鉆具檢驗、探傷、維修和資料存檔，加強鉆具檢驗質量和維修質量抽查；利用信息化手段，加強鉆具全生命周期管理。

4.5 加強現場鉆具使用管理

現場鉆具使用遵循“三個必須”的原則：上扣扭矩必須滿足廠家推薦的上扣扭矩要求，鉆具接頭必須清洗主副臺肩端面，必須按標準規定使用絲扣油。

加快扭矩記錄儀的配套，全面覆蓋超深井、重點井及復雜井：新購液氣大鉗全部配備扭矩儀配置，包括更新自動化鉆機配置液氣大鉗；正作業的深井、超深井使用4″雙臺肩鉆桿必須配備扭矩記錄儀。

4.6 加強鉆具檢測管理

明確現場鉆具探傷方式，定期對鉆鋌、井下工具進行超聲波探傷；明確鉆具質量檢測和失效分析要求。新鉆具使用前應檢測，發生故障的鉆具原則上開展全面失效分析；購買或租賃多套井口隨（起下）鉆漏磁檢測裝置以滿足探傷要求。但目前鉆桿加厚過渡帶、鉆工具螺紋仍需要人工超聲波裝置檢測，建議調研并引進加厚過渡帶、螺紋的電磁探傷儀器，能利用起下鉆進行探傷，機器判別，提高缺陷識別度和結果可靠性。

4.7 強化鉆具檢維修管理

雙臺肩鉆具必須使用數控車床維修，以滿足加工精度的要求。站內鉆具出廠使用漏磁檢測裝置檢測管體，以滿足鉆具檢測的基本要求。推廣鉆具螺紋輕便式清理工具的使用，尤其是對副臺肩面的清理。

5 結束語

川渝地區超深井鉆具失效形式主要發生在鉆具接頭部位，表現為金屬合金材料產生縱向、橫向疲勞裂紋后受鉆具內外壓差的影響被鉆井液刺穿。

管理技術手段、工作環境和鉆井工況是影響鉆具失效的主要因素。

為有效預防鉆具失效，應做好以下幾點工作：嚴格鉆具管理辦法宣貫，完善公司鉆具技術規范，狠抓設計源頭，強化鉆具全生命周期的過程管控，加強現場鉆具使用管理，加強鉆具檢測管理，強化鉆具檢維修管理。