含硫超深井钻具选型及应用

含硫超深井钻具选型及应用

梁坤

中石化西南石油工程有限公司油田工程服务分公司，四川 绵阳 621000

摘要：含硫超深井的钻具选型是超深井钻井中极为重要的一环，直接关系着钻探任务能否顺利实施。本文从含硫超深井钻具选型面临的主要技术难题出发，提出钻具材料及性能、钻具加工、钻具管理等三方面技术对策，详述了钻具机械性能；同时以川深1井实际钻具选型为例，在初选Φ149.2mm 110s钻杆的基础上，对钻杆强度进行校核，获得了更高的抗拉余量，为处理井下复杂情况提供了较大空间，取得了很好的应用效果，该型钻具的成功应用可为国内类似井钻具选型提供借鉴。

关键词：川西；海相；超深井；高效钻井；井壁稳定

随着勘探开发深入，国内石油企业开始向深层和超深层油气资源进军，深井、超深井钻井技术成为打开深层油气资源关键技术。要成功打开深层、超深层油气通道，钻具成为发展深井、超深井钻井技术的关键环节，直接关系着井眼安全和高效开发^[1-6]。

1 含硫超深井钻具选型面临的主要难题

1.1 钻柱悬重过重

随着井深的增加，以及井眼轨迹和钻井液性能影响，提升钻具的悬重以随之增加，超过一定井深后，钻具抗拉强度余量将不能满足安全钻井需要。

1.2 钻具服役环境恶劣

超深井钻具所处环境主要为高温高压，高含H₂S气体，同时钻井液中的溶解氧、地层水中的cl^-等使得钻具服役的环境十分恶劣。

1.3 疲劳失效增加

超深井钻井中，钻具除受轴向力、离心力、摩擦力、扭矩、各种振动等复杂载荷外，还受恶劣的外界腐蚀环境影响，导致钻具疲劳失效增加。

1.4 水力性能降低

随着井深增加，钻柱水力压耗也随之大幅增加，从而降低了水力性能。

2 主要技术对策

2.1 钻具材料及性能

2.1.1 化学成分

表1 化学成分要求（wt%）

注：SS钻杆适用于钻井液柱压力不低于地层压力的钻井，su钻杆适用于欠平衡钻井。

Cr对金属材料抗腐蚀性能有重要影响， Cr含量：0.9%-1.3%。

2.1.2 材料组织性能

钻杆管体微观组织为调质工艺（一般要求采用淬火加高温回火处理工艺）后形成的回火索氏体组织。钻杆淬火后横截面马氏体转变量不应低于90％。调质处理后晶粒度应为7.5级或更细。全壁厚截面带状组织应满足GB/T 13299中的B1级要求。

2.1.3 加厚过渡区及摩擦焊区

加厚过渡区及摩擦焊区微观组织类型与管体要求相同。加厚过渡区及摩擦焊区淬火后横截面马氏体转变量应不低于90％，调质处理后晶粒度应为7.0级或更细。

2.1.4接头性能

钻杆接头应为调质热处理组织。淬火后全壁厚截面组织中马氏体组织转变量应不低于90%。调质处理后晶粒度为7.5级或更细。

2.1.5 拉伸性能

钻杆管体伸长率应大于等于17％，接头伸长率应大于等于15％。

2.1.6 冲击功

钻杆加厚过渡区纵向夏比V型缺口冲击吸收能应大于等于80 J（10 mm×10 mm×55 mm试样）。摩擦焊区纵向夏比V型缺口冲击吸收能应大于等于54 J（10 mm×10 mm×55 mm试样），要求试样缺口根部处于焊缝中心。

钻杆接头的横向冲击试样在21℃±2℃温度下试验的最小夏比V型缺口吸收能平均值应不低于80 J，单个试验最小值不低于72 J（按10 mm×10 mm×55 mm试样）

2.1.7 钻杆硬度，HRC

表2 钻杆硬度表（HRC）

硬度波动尽可能小。

2.1.8 抗硫及抗二氧化碳性能

管体抗硫试验按照 NACE TM-0177（最新版本） A 法 A 溶液进行，即在硫化氢饱和溶液中以及在规定屈服强度 70%拉力情况下，持续进行 720h 不出现断裂。

2.2 钻具加工

钻具连接螺纹，宜采用双台肩螺纹连接；壁厚均匀，壁厚最薄处不低于公称壁厚的95%；钻铤加工应力分散槽，适当减小螺纹附近本体的刚度。钻杆内涂层采用抗硫内涂层（如TC2000SS），抗硫内涂层TC2000SS适用于含H₂S、CO₂的高温、高压天然气钻井环境，且具有优异的防腐蚀性能，有效防止点蚀；具有优异的抗耐磨性能，重复使用也能保持涂层完好；能有效提高流动性，降低泵压及减轻磨损。

2.3 钻具管理

定期探伤，及时发现钻具的疲劳裂纹、腐蚀坑、机械损伤；定期倒换，改变钻具的受力状态。

保持足够高的钻井液密度，维持合理的正压差；采用水基钻井液时，钻井液的PH值不低于9.5；加入脱硫剂中和硫化氢；加入缓蚀剂，保护钻杆在短期接触硫化氢情况下不会发生损坏；采取有效措施，降低钻井液对钻具的腐蚀损害。

减小单位载荷使用厚壁钻具；选择适宜的钻杆规格、壁厚，确保剪切闸板能剪断钻杆，满足井控需要；减少钻具上的伤痕，避免应力局部集中。抗硫钻杆管体和接头硬度比普通钻杆低，管体和接头容易被卡瓦和大钳咬伤。咬伤后牙痕会积聚腐蚀物质，加快钻具报废，同时大段牙痕导致应力集中，提高了H₂S的敏感性。

3应用实例及效果分析

川深1井是部署在四川盆地川中地区的一口重点谭晶，设计井深8690m，实钻井深8420m。储层埋藏超深，气藏具有高温、高压、高含H₂S的“三高”特征。该井设计井身结构如图1所示。

图1 川深1井设计井身结构

根据井身结构设计计算以及相关储层资料，该井三开后对钻具的各项性能提出严苛要求，特别是钻具的承载力和抗腐蚀性能。三开、四开、五开钻具组合设计见表3。通过优选Φ149.2mm 110s钻杆钻具材料及机械性能满足施工需要，Φ149.2mm 110s钻杆主要参数见表4。

表3 钻具组合设计表

表4 Φ149.2mm钻杆主要参数

在满足井况使用要求下，需要对钻杆强度进行校核。强度计算得出Φ149.2mm 110s钻杆的安全系数和抗拉余量满足该井施工要求。钻具强度校核计算见表5。

表5 钻柱强度校核表

Φ149.2mm 110s钻杆在川深1井使用过程中，未发生钻杆氢脆和疲劳失效等钻具事故，满足了处理复杂井况的需要，取得了积极成效。

4 结论及建议

1）含硫超深井钻具要严格控制有害化学成分含量，并保持良好的机械性能，螺纹连接形式宜选用高抗扭的双台肩螺纹。

2）选择抗硫材质钻具，其材料塑性会增强，从井控安全角度出发，应对选择的钻具就行剪切试验。

3）川深1井Φ149.2mm 110s钻杆使用后，钻具氧腐蚀严重，主要原因是钻井液中高含量cl^-对氧腐蚀起到了催化作用。建议使用高含cl^-钻井液后，及时清理，避免加速钻杆腐蚀。

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