钻具失效分析及预防措施研究

钻具失效分析及预防措施研究

潘其龙

中石化西南石油工程有限公司油田工程服务分公司  四川省绵阳市 621000

摘要：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，同时要受到钻井液的冲刷和腐蚀。当钻具在井下出现刺漏、断裂等失效问题后，轻者需要起钻更换钻具，重者会因为钻具断裂导致停钻打捞落鱼，对钻井施工造成严重损失。因此对钻具失效原因进行系统分析并给出应对策略，对降低井下事故发生概率、提高油气田开发效率具有重要意义。

关键词：钻具；失效；预防措施

油气田勘探开发过程中钻具受力状态十分复杂，所以其失效形式也多种多样。在钻井作业中，井身结构复杂，作业工序繁杂，钻柱在井下运动，除了自转还有公转，受力有静载荷也有动载荷，还有拉、压、弯、扭等力，又有司钻操作或打捞震击等复杂工艺引起的冲击力。在井下运转过程中还受到腐蚀、磨损、温度及压力的影响。钻具在存放过程中，受到潮湿气候的锈蚀等。钻具失效几率高。分析钻具的使用情况，失效形式有如下几种：疲劳失效、磨损失效、腐蚀疲劳失效。

一、钻具失效的主要原因

钻具失效往往是由于多种原因共同作用造成。据统计，钻铤和钻杆是最易发生失效的部位，因钻具自身质量问题造成的失效比例是12.8%，因现场使用不当造成的失效比例为32.2%；因井下工作环境造成的失效比例是52%；由于运输、保存原因造成的失效比例是3%。

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、环境因素。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。北方冬季施工时，室外最低温度可达零下40℃左右，而深井的井下温度通常高于150℃，由于环境温度和井下温度的温差过大，钻具易因冷脆发生断裂失效，而且在室外低温环境下上扣后，在井底高温作用下会由于膨胀作用造成丝扣的应力集中而对钻具造成破坏。钻遇坚硬地层和非均质地层时因地层因素，产生憋跳钻导致钻柱震动而失效；钻遇倾角比较大的地层，因为井斜和方位不易控制，导致井眼轨迹不规则，狗腿度过大，使井下钻柱发生弯曲，所受应力和应变级别增加，从而诱发钻具断裂等失效事故。

3、现场施工因素。现场施工因素也是引发钻具失效的重要因素之一。比较常见的情况有：①部分施工人员不按规程上扣，导致上扣扭矩不达标。当上扣扭矩过低时，丝扣之间的连接不紧密，没有达到预期的载荷，在长时间井下应力的影响下，会出现微小的缝隙，井下的高压钻井液容易从这些缝隙处高速射出，从而导致钻具刺漏；当上扣扭矩过高时，一旦发生憋跳钻就会造成涨扣现象影响钻具寿命。②螺纹密封脂使用不当。使用螺纹脂是为了在螺纹和台肩之间形成油膜保护层，降低金属之间的直接摩擦和粘连，但当密封脂质量不达标或者涂抹不均匀时，会在井下剧烈震动和高温作用下而失效，导致刺漏和粘扣事故的发生。

二、油田钻具失效的预防措施

1、车间预测防御措施。设立钻具检测和管理的基本规程文件，加强钻具维修工序和现场应用的基本管理，在油田内部展开规范化、标准化操作处理的指导培训，严格把关钻具的检测流程和个人操作，针对重点区域要采取优化管理，采取严厉手段保证钻具的稳定运行和安全运行。结合现代先进技术创建快捷方便的钻具数据管理平台，将常用的油田钻具类型引入管理平台中，主要针对钻具的使用状态、数据信息等方面进行动态化监控，为相关施工单位提供更科学有效的参考数据。

2、现场使用预防措施。在选择钻具的规格尺寸过程中，外径较大的钻具更适用于油田钻井工程，这样便可以在根本上加强钻具整体的刚性，将钻具出现弯曲变形的概率降低到最小范围内。在设计钻具整体组合期间，需要使紧挨着的两个钻具外径尺寸依次缩减，并在钻杆和下方位置钻具组合之间添加加重钻杆，在钻柱中形成尺寸过渡区，减少应力汇集在某一局部位置。并合理选择钻铤的规格大小，避免钻柱中和点在钻杆的位置上，造成钻杆交变应力出现疲劳损坏。应用科学有效的方法手段，不断优化钻具的工作状态。根据实际情况对钻头的规格型号及钻井的各项参数加以调整和改良，避免井下出现钻具共振状况，钻压需要防止钻杆受到局部应力导致钻具弯曲或出现偏磨状况等等。采用加重钻杆，不断更改钻杆的受力情况，减少因截面发生突发情况产生大量的应力作用。

3、钻具失效的技术对策。钻具失效产生的原因既有地层条件和外界环境等客观因素，也有钻具质量差、钻具组合不合理、施工工艺存在问题等主观因素。客观因素是难以避免的，要预防钻具失效问题的发生，主要应该从主观因素着手。在钻井施工作业中，应该重点注意如下方面：（1）下井前加强对钻具质量的控制。①严格按照国家标准采购质量达标的井下钻具，钻遇坚硬地层时，应该优先使用高韧性钻具；②严格执行探伤程序，发现问题后及时对钻具进行修理和替换；③钻遇特殊地层时避免使用已被腐蚀的钻具。（2）针对性地优化钻具组合。①钻遇井眼轨迹发生大幅度变化的地层时，在钻铤间加入过渡短接，减少钻具偏磨现象的发生；②在有条件的情况下，使用强度和韧性更好的G105钻杆；③根据地层情况优选钻头，减少因钻头原因造成的憋跳钻情况。（3）定期对钻具进行探伤并按照规程替换钻具位置。①一般情况下对钻铤的螺纹部分每使用250h左右进行一次探伤，特殊情况下每次起下钻均要进行探伤；② 每3~4次起下钻需要倒换一次钻杆和钻铤；③对井队施工人员进行培训，使其具备基本的判断能力，在起下钻和拆卸扣时第一时间通过目测来判断钻具是否存在缺陷。（4）加强钻具的日常维护管理。①建立钻具使用台账，了解钻具的使用情况，确定其疲劳程度，根据实际使用情况确定该钻具是可以继续使用还是应该进行维护保养；②将深井使用过的钻铤按批次倒换到浅井中使用，达到一定期限后切除全部旧扣并重新造扣，从而避免疲劳应力对钻具的损害。

结论

（1）钻井施工花费巨大，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。

（2）钻具失效往往是由于多种原因共同作用造成，钻铤和钻杆是最易发生失效的部位，工作环境和现场使用不当是钻具失效的主要原因。

（3）加强采购环节质量把关、优化钻具组合、使用合理的钻进参数、提高钻井液性能、定期探伤并加强日常维护管理是预防钻具失效的主要方法。

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