淺造斜點與鉆具疲勞累積失效的關(guān)系及啟示

朱全塔 岳硯華 王德康 鄒宗明 馬林虎

1.國民油井格蘭特鉆具有限公司 2.中國石油川慶鉆探工程公司 3.中國石油川慶鉆探工程公司川西鉆探公司

筆者從中國石油川慶鉆探工程公司（以下簡稱川慶鉆探）的2013年度鉆具疲勞失效分析會議注意到：茍西003－H1井［1］一共發(fā)生14次在鉆桿過渡帶消失區(qū)的刺穿失效，其中9次為連續(xù)發(fā)生的，更換不同廠家鉆具無效。而鄰近2口井采用同廠家的鉆具則沒有發(fā)生任何失效，不同的是該井造斜點僅為300m，但井斜不大且發(fā)生失效段狗腿度也不大。這種明顯的周期性鉆具累積疲勞破壞近年時有發(fā)生，主要與井身軌跡復(fù)雜有關(guān)［2］，應(yīng)重點考慮淺井段造斜作業(yè)的影響。以此作為一種失效類型進行統(tǒng)計，力求分析得出結(jié)論，既可以為施工作業(yè)進一步預(yù)防和避免此類失效提供思路，也可以為設(shè)計部門借鑒。

1 問題提出和失效情況總結(jié)

茍西003－H1井于2012年3月28日開鉆，從400 m開始定向繞障，定向段400～624m，井斜由4°上升至12°，造斜段數(shù)據(jù)見表1。

在 311.2mm井眼鉆至2 128m開始，先后發(fā)生了3次 127.0mm鉆桿加厚過渡消失區(qū)刺穿失效，其后又在 215.9mm井眼內(nèi)發(fā)生2次 127.0mm加重鉆桿中接頭刺穿失效，前后更換2套 127.0mm鉆桿無效，第3次更換 127.0mm S135×9.19mm大水眼鉆桿，約1個月后鉆具刺漏現(xiàn)象再次出現(xiàn)，并在14d內(nèi)連續(xù)發(fā)生9次幾乎相同的鉆具失效?？v觀鉆具失效特征有3個共性：①失效部位都發(fā)生在距母接頭螺紋臺肩400～800mm范圍內(nèi)，鐓粗帶過渡消失區(qū)；②9次失效中有7次都發(fā)生在距井口400～600m的側(cè)鉆狗腿附近；③9次失效都發(fā)生在 215.9mm井眼用PDC鉆進工藝過程中，最高轉(zhuǎn)速達90r／min（圖1）。表2是收集到的幾起類似鉆具失效井的相關(guān)數(shù)據(jù)。

中國石油大慶鉆探工程公司（以下簡稱大慶鉆探）在冀東油田同時施工作業(yè)了4口井，分別使用同一廠家同批新鉆具，南3－15井［3］從2013年7月1日起連續(xù)發(fā)生3起鉆具刺漏事件，刺漏位置均為母扣接頭以下0.4～0.6m的位置（圖2）。而其他3口井則沒有發(fā)生鉆具刺漏事件。其后技術(shù)交流過程中，廠商的解釋為井斜狗腿度偏大，而現(xiàn)場鉆井工程師卻列舉了一系列深井狗腿更大、使用同樣規(guī)格鉆具的其他廠家鉆具卻沒有發(fā)生失效，雙方對失效原因的認(rèn)識無法達到基本一致。表3為該井的造斜段數(shù)據(jù)。

圖1 茍西003－H1井的失效鉆具照片

表2 頻繁刺斷鉆具的4口井的基本數(shù)據(jù)表

圖2 南3－15井的失效鉆具照片

中海油田服務(wù)公司（簡稱中海油服）在海上鉆井進行繞障作業(yè)井居多，設(shè)計淺造斜點的井很多，同平臺繞障作業(yè)的 WZ6－9－A5和 WZ6－9－A8［4］兩口井鉆具刺漏、斷的失效鉆具情況，與茍西003－H1的情況非常相似（圖3）。WZ6－9－A8井初始2次鉆具刺漏情況為：

第1次刺漏：鉆進至1 849m，泵壓下降0.7MPa，循環(huán)觀察，泵壓緩慢下降1MPa。刺漏點距離母扣端68cm，大小約2.5cm×1.5cm。刺漏時鉆井參數(shù)：鉆壓20～70kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速130r／min，排量60L／s，扭矩6.5～15.61kN·m，泵壓11～12MPa。

第2次刺漏：鉆進至2 560m，泵壓下降0.3MPa，循環(huán)觀察，泵壓緩慢下降1MPa。刺漏點距母接頭端面67cm，大小約2cm×1cm。刺漏時鉆井參數(shù)：鉆壓50～90kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速130r／min，排量60L／s，扭矩12.2～21.5kN·m，泵壓17MPa。

綜合以上幾起鉆具失效情況，歸納出5個共同點：①造斜點較淺的中深定向井；②使用一段時間后才發(fā)生，具有疲勞損傷的累積性；③一旦刺、斷失效發(fā)生，某段時間內(nèi)頻繁發(fā)生；④失效情況幾乎相同，均為母扣接頭以下鐓粗帶過渡區(qū)；⑤更換不同廠家鉆具失效依然存在。

表3 南3－15井造斜段實鉆井眼軌跡表

圖3 WZ6－9－A8井鉆具刺漏照片

2 理論探討及失效分析

材料力學(xué)指出：金屬構(gòu)件的疲勞極限，不但與材料有關(guān)，而且還受到構(gòu)件的幾何形狀、尺寸大小、表面質(zhì)量的影響，其所承受彎曲交變應(yīng)力與否更是影響其疲勞極限的關(guān)鍵因素［5］。

1930年，英國人古德曼（J.Goodman）簡化了疲勞極限的曲線圖［6］，根據(jù)他的疲勞理論可以得出，鉆桿的疲勞強度不僅與鉆桿自身的性能有關(guān)，而且與其承受的平均應(yīng)力即拉伸應(yīng)力有關(guān)，拉伸應(yīng)力越大，鉆桿疲勞所需的最低彎曲應(yīng)力幅越小，所以井越深、鉆桿越靠近井口，鉆桿就容易發(fā)生疲勞，其受力情況見示意圖4。

圖4 鉆柱受力示意圖

為對疲勞極限進行進一步量化，為工程實際提供幫助。19世紀(jì)中期，力學(xué)家們根據(jù)疲勞極限研究成果又提出了疲勞壽命預(yù)測的概念［7］，將其分為疲勞強度準(zhǔn)則、疲勞損傷累積法、局部應(yīng)變法和損傷容積法等。

筆者涉及的疲勞破壞就屬于疲勞損傷累積，損傷累積法的理論基礎(chǔ)是 Miner法則［8］。Miner法則認(rèn)為：根據(jù)σ－N曲線的定義，在恒定應(yīng)力幅（σ）的作用下，構(gòu)件運轉(zhuǎn)循環(huán)次數(shù)為N時，將產(chǎn)生完全損傷即失效。那么構(gòu)件在應(yīng)力σ作用下運轉(zhuǎn)一個比N 次數(shù)小的n時，將產(chǎn)生部分損傷，同時假定在這一過程中每一次損傷相同，則在σ的作用下，損傷概率為n／N，如果一個構(gòu)件在包含不同應(yīng)力（σj），將產(chǎn)生一個不同的損傷率nj／Nj，當(dāng)這些損傷概率總和達到1時，就可以預(yù)測出現(xiàn)失效，也就是說：

其應(yīng)力坐標(biāo)圖譜見圖5。

據(jù)此，A.Lubinski提出了鉆具疲勞壽命預(yù)測理論［7］，他認(rèn)為鉆具經(jīng)過“狗腿”段時受循環(huán)彎曲應(yīng)力作用，當(dāng)彎曲應(yīng)力足夠高時，鉆具在每一個旋轉(zhuǎn)周次里都會發(fā)生疲勞損傷。早在1961年，A.Lubinski就給出了計算最大允許“狗腿”嚴(yán)重度的計算公式，從而確定鉆具是否會發(fā)生疲勞損傷。

單點登錄（Single Sign On，簡稱 SSO）允許用戶在多個應(yīng)用系統(tǒng)中只登錄一次就可以訪問所有相互信任的應(yīng)用系統(tǒng)。這樣不僅可以避免多次認(rèn)證給用戶帶來的麻煩，提升用戶體驗，而且降低了安全風(fēng)險和管理消耗。有單點登錄，自然就有單點注銷，在一個系統(tǒng)中注銷，所有系統(tǒng)的會話都將被注銷。

圖5 極限應(yīng)力σ－N坐標(biāo)系上的譜狀應(yīng)力圖

其后Hansford和Lubinski提出過一種簡易的方法來估算鉆桿通過狗腿段后的累積疲勞損傷，定制了腐蝕介質(zhì)和非腐蝕介質(zhì)中E級鉆桿在不同狗腿嚴(yán)重度和拉力下消耗的壽命［9］（圖6，參見 GB／T 24956—2010《石油天然氣工業(yè)鉆柱設(shè)計和操作限度的推薦作法》第68頁）。在不同轉(zhuǎn)速和鉆速情況下，可用下面公式進行校正。

式中實際轉(zhuǎn)速單位為r／min；實際機械鉆速單位為m／h。

由上可見，通過理論上的不斷延伸和分析，影響鉆具的井下累積疲勞壽命的關(guān)鍵因素主要為：狗腿下的浮重（所受的拉應(yīng)力）、井眼狗腿嚴(yán)重度、所受循環(huán)應(yīng)力次數(shù)和井下腐蝕環(huán)境等。

狗腿下的浮重這一因素恰恰明晰了此類井發(fā)生這種刺漏、斷失效的根本原因所在，即便狗腿度不大，如果造斜點太淺，狗腿下的浮重產(chǎn)生的拉應(yīng)力若達到鉆具疲勞累積極限，鉆具就將發(fā)生失效。

3 推薦做法和預(yù)防措施

2010年的GB／T 24956—2010《石油天然氣工業(yè)鉆柱設(shè)計和操作限度的推薦作法》標(biāo)準(zhǔn)［9］中就曾給出了井眼狗腿嚴(yán)重度和狗腿下的浮重對產(chǎn)生疲勞極限的曲線圖，其中S135鋼級幾種尺寸鉆具參考圖9。

圖6 漸變狗腿中的疲勞破壞圖

圖7 鉆桿上失效位置圖

圖8 API／IADC失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計鉆具失效圖（1990年）（1in＝25.4mm）

圖9 S135鋼級鉆桿產(chǎn)生疲勞破壞時的狗腿嚴(yán)重度極限圖

圖9盡管對造斜點深淺與鉆具失效的關(guān)系沒有清晰表明，但狗腿度下的浮重則從更廣的角度說明，斜井段受拉伸的鉆具長度對起始斜井段的鉆具疲勞極限起到至關(guān)重要的影響。也就是說，鉆具所受拉伸應(yīng)力越大，鉆桿疲勞所需的最低彎曲應(yīng)力幅越小。井口附近狗腿最危險（即淺造斜點），井越深越危險。

根據(jù)上面曲線圖，以 127.0mm S135鉆具為例，假定造斜點為300m，斜井段長度為3 000m，則狗腿嚴(yán)重度臨界值為3.44°／30m，在淺井造斜的情況下此造斜率非常容易超過。換而言之，這樣的井使用的鉆具在造斜段附近均處于疲勞損傷累積極限區(qū)域。

針對以上分析，根據(jù)常用的 127.0mm和 139.7mm鉆具曲線圖，反算出常用的鉆桿容許的最大井眼曲率如表4，可在現(xiàn)場使用參考。以此表格對比發(fā)生失效的4口井的情況（表2），可知其造斜點處的狗腿度均超過了容許限度，茍西003－H1更是達到了6.24°／30m。

表4 常用鉆桿容許的最大狗腿嚴(yán)重度表［12］

就設(shè)計部門而言，不唯深井超深井需關(guān)注井眼狗腿嚴(yán)重度問題，淺層造斜點的中深井設(shè)計也應(yīng)能避免則避免，尤其是施工周期較長，鉆具疲勞累計容易達到極限而造成頻繁鉆具刺漏、斷鉆具的井。

從現(xiàn)場檢驗角度而言，如果淺造斜點井已成事實，應(yīng)對鉆具疲勞壽命做出有效預(yù)測預(yù)警，估算累計疲勞破壞，對鉆具做出及時檢驗。并可用此來識別疲勞鉆桿并對疲勞鉆桿進行分級，對經(jīng)計算使用壽命已達100%以上的鉆桿進行檢查。若不降級使用或報廢，則應(yīng)盡可能地嚴(yán)密監(jiān)測，鐓粗帶過渡區(qū)尤其需要嚴(yán)格檢測［13］。對現(xiàn)場而言，應(yīng)對鉆具進行更嚴(yán)格的管理，及時倒換鉆具，避免部分鉆具始終處于彎曲疲勞極限區(qū)，造成損傷累積以致頻繁批量的刺漏、斷鉆具。

4 結(jié)論

1）淺造斜點定向井施工一定周期后，發(fā)生嚴(yán)重的頻繁刺漏、斷鉆具的主要原因是鉆具疲勞損傷累積。

2）造斜點越淺，鉆桿疲勞所需的最低彎曲應(yīng)力幅越??；較小的狗腿度即可達到損傷累積極限，井越深越危險。

3）鉆桿鐓粗加厚帶及其附近位置為現(xiàn)代鉆具生產(chǎn)的薄弱區(qū)，是最主要的應(yīng)力集中點，因而也是最易發(fā)生疲勞損壞最終表現(xiàn)為刺漏、斷的位置。

4）若非特殊設(shè)計目井的施工需要，鉆井設(shè)計部門應(yīng)盡可能避免設(shè)計淺造斜點的中深定向井；針對淺造斜點井設(shè)計，應(yīng)根據(jù)鉆具疲勞損傷累積法計算出最大許可狗腿度，從源頭上避免使鉆具進入損傷累積極限區(qū)的設(shè)計。

5）針對淺造斜點井，應(yīng)對鉆具疲勞壽命做出有效預(yù)測，進行更嚴(yán)格的管理，對鉆具做出及時檢驗和分級，避免造成損傷累積以致頻繁批量的刺漏、斷鉆具。

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