钻具失效原因分析及对策研究

钻具失效原因分析及对策研究

陈国林，徐冰，梁天程，陈龙，李振刚，赵桦

渤海钻探管具与井控技术服务分公司，管具井控技术服务中心

摘要：钻井施工花费巨大，一口深井的钻井作业成本往往达到几千万元。在钻井作业过程中，井下钻具的工作环境十分恶劣，要在高温高压环境下承受各种应变载荷和剧烈碰撞，同时还要受到钻井液的冲刷和腐蚀。由钻具失效产生的起钻换钻具以及停钻打捞落鱼等事故会严重影响钻井施工进度，增加勘探开发成本。因此有必要对钻具在井下可能产生失效的原因进行系统分析，针对性地给出策略，从而预防和避免井下事故的发生，为提高油气田开发效率提供技术支持

关键词：钻具失效；失效分析；对策

引言

钻具在油田钻井期间主要提供动力、钻压和循环钻井液等等，在钻柱中占据着至关重要的地位，降低钻具失效的发生频率可以为整体油田钻井工程提供良好的保障，所以对钻具加以管理和质量检测是油气井建设工程中的关键任务，需要采取科学有效的措施对其加以控制和管理，提高钻具使用的安全性和可靠性。

1当前石油资源开采作业中存在的问题

石油资源开采周期长、作业环节多，所以随着开采时间的不断推移，相关问题也会接连出现。为了提升石油资源开采质量，开采企业应重视作业过程中出现的种种问题，并逐一予以解决，方可进一步提升开采效率。一般来说，采油、测井、钻井以及运输是石油开采工作中重要的四个阶段。在上述四个阶段中，开采企业应加强管理力度，每个阶段都要指派专业人员负责，防止某个阶段出现问题。在开采作业时，如果测井资料不够准确，将会对后续开采作业造成影响，一旦测井误差比较大，甚至会提升钻井工作的风险等级。此外，在钻井工作中，污染问题会贯穿钻井作业始终，同时也会影响钻井效率。钻井工作是提升石油资源开采质量的重要基础，如果钻井质量不达标，即便是后续工作均妥善完成，同样也会影响最终的石油开采质量，引发出水、出砂事故。在油气资源输送阶段，输送前要做好分类、计量与储藏工作，防止石油资源泄漏，影响周边安全。在开采石油资源时，每个环节都要制定相关工作预案，及时处理可能出现的问题，做好安全监管工作，及时发现安全隐患并予以消除，提升石油开采全过程的安全性，降低事故发生概率。

2钻具失效原因分析

2.1钻具自身材质因素

对钻具失效的统计分析表明，生产过程中使用的原料材质品质较差、生产工艺不达标和产品尺寸偏差大，是导致钻具失效的主要原因，主要表现在：①钻杆加厚部位的结构存在问题；②钻杆、钻铤等钻具间的转换接头质量差；③螺纹加工标准低，在应力集中作用下发生问题，导致应力损伤；④钻柱强度不达标。

2.2粘着磨损

粘着磨损又称为咬合磨损，主要指的是滑动摩擦过程中摩擦接触面局部出现金属粘着，在后续的运动期间粘着位置出现损坏，有金属颗粒滑落下来或零件表面出现擦伤的磨损形式。钻具的粘着磨损大部分出现在螺纹的部位，通常被叫做“粘扣”。钻具螺纹部位的产生“粘扣”现象的原因归属于上扣与使用扭矩的状况、与螺纹衔接状况、螺纹润滑程度及螺纹的规格等等。在油田钻井过程中因利用不规范操作方案，采用液气大钳给钻杆进行卸扣而不及时施加压力在接头上扣，便会导致接头出现粘着磨损。司钻扶钻过程中出现溜钻等不良操作，会导致油田井下钻具受到不同程度的应力，出现磨损现象。

2.3环境因素

国外一家钻井设备公司的统计表明，造成钻柱失效的最主要的环境因素是钻井液腐蚀。钻井液的含砂量、pH值、润滑性、流态、温度等均对钻柱失效有着直接或间接的影响。钻井液对钻柱的腐蚀性排序为：充气盐水钻井液>盐水钻井液、低pH钻井液>高pH钻井液>油基钻井液。由于钻井过程中，钻井液在完全敞开的环境下进行循环，空气中的氧气会随着钻井液的循环大量溶解形成具有强氧化力的游离氧，游离氧在井下高温的作用下会对金属钻具产生强烈的腐蚀作用，形成氧化铁等氧化物，从而降低钻具强度。此外，当钻遇含二氧化碳、硫化氢和含高矿化度水的地层时，随着二氧化碳、硫化氢和地层水侵入钻井液，也会加速井下钻具的腐蚀。

3钻具失效的技术对策

3.1钻具改进

目前来看，旋冲钻井技术处于高速发展阶段，技术体系日趋完善，并在实践应用期间积累起丰富的技术经验，石油钻井作业质量与效率均得到明显提升。与此同时，早期研制的旋冲钻井钻具的使用性能需要进一步提高，在作业期间暴露出一些问题有待解决。以某石油钻井项目为例，选用钻头、冲击器、加重钻杆、回压阀、震击器等工具作为旋冲钻井钻机，在钻头和钻铤间隔处设置液动射流式冲击器，在钻井期间保持冲击器的高频冲击运行状态，由砧子通过冲锤向钻头施加高频冲击作用力，再由钻头向下击打硬质岩石，起到降低岩石塑性、加大脆性与使其脆性破坏的作用。但在钻台启动试验与钻井期间，发现旋冲钻井工具出井后存在钻杆过滤器堆积大量颗粒固相、冲击器上压盖分流孔形成冲蚀坑、砧子局部裂痕、冲击器使用一段时间后处于失效状态的问题，经过分析得知，问题成因包括工具在钻井液固相体积分数过高工况下的抗冲蚀性能不佳、工具结构未满足高密度与大排量钻进作业需要、上压盖等部件硬度不足等。针对此类问题，选择对旋冲钻井工具的设计方案加以改进处理，采取将上压盖等元件造型由圆形调整为矩形、取消压盖元件的阶梯形过渡段来预防端面形成钻井液涡流、取消砧子尖角部位来保持应力均匀分布状态、增加射流件主过流断面面积、使用具有良好冲击吸收能力与较高强度的材料制作砧子、取消转换接头的改进措施。

3.2加强石油自动化钻井技术的应用

随着我科技的的不断发展，石油钻井技术的施工水平也得到了很大的提升，在石油企业钻井施工过程中，数字油田建设工作的开展，使钻井施工能够借助各项自动化的钻井技术，提升钻井施工整体的施工质量的同时，还可以利用智能化的设备对钻井液的含量进行详细的分析，通过分析的数据使钻井施工人员能够更加准确的判断出钻井施工中的钻井液的含量，帮助钻井施工人员能够根据施工的具体情况选择出适合的钻井液处理方式，从而对钻井液进行有效的处理，保证钻井液的处理质量。

3.3无固相封堵技术

针对无法确定漏失地层、漏失通道类型和具体尺寸的漏失类型，形成了一种无固相封堵剂，这种封堵剂是经有机合成的棕红色液体，遇水后即发生化学反应，形成弹性胶状固结体，并具有很高的强度，注入漏失层段后，堵剂无障碍进入漏失地层，把靠近井筒周围的碎石子固结起来，形成了一个完整坚固的整体，永久固结地层孔隙和裂缝，达到封堵漏失地层的目的。目前，该项技术还没有现场应用的相关资料。

结束语

综上所述，钻具是确保油田钻井工作顺利开展的有效保障，也是提高钻井工程整体质量的关键要素，避免并减少钻具的失效主要取决于科学的预防措施。通过对钻具失效类型展开深入的探究和分析，采取针对性的合理预防措施可以切实减少钻具出现失效的频率。

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