科威特油田鉆具失效原因分析及預(yù)防

宋張康

中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司（山東東營 257000）

科威特石油儲量非常豐富，占世界石油儲量的十分之一。中石化國際石油工程有限公司科威特分公司（以下簡稱公司）自2009 年進(jìn)入科威特市場以來，陸續(xù)啟動了40 余部鉆修井機(jī)，近年來各鉆井隊在施工中發(fā)生的鉆具失效問題較為突出，有的甚至在同一井段連續(xù)多次發(fā)生鉆具斷裂落井的惡性井下事故，進(jìn)行打撈和處理井下事故產(chǎn)生了大量的停工時間。由于公司和甲方簽訂的是日費制合同，所以在科威特鉆井施工中一旦發(fā)生鉆具失效情況，必然造成停工，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致其他井下復(fù)雜情況的發(fā)生，給井隊和公司造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過對科威特鉆井施工中鉆具失效情況統(tǒng)計，分析鉆具失效原因，依據(jù)分析結(jié)論采取針對性的措施。

1 鉆具失效統(tǒng)計

對近年公司在科威特鉆井施工中發(fā)生的鉆具失效情況進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)鉆鋌螺紋斷裂占比最大，見表1。

2 鉆具失效原因分析

2.1 地層巖性

科威特油田地層為第三系和上、下白堊系，以石灰?guī)r、白云巖、頁巖、砂巖為主，受沉積環(huán)境影響，該區(qū)塊地層巖性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且軟硬地層頻繁交錯[1]，夾層多，鉆進(jìn)中易憋跳鉆，鉆頭工作不穩(wěn)定，使鉆具發(fā)生疲勞失效的幾率加大。RUS 組地層巖性有礫巖、硬石膏，HARTHA 組地層巖性有白云巖和硬質(zhì)灰?guī)r，部分含有硫鐵礦夾層，硬度高，對鉆頭和鉆具產(chǎn)生嚴(yán)重傷害。由表1 可以看出，大部分鉆具失效發(fā)生在406.4 mm井眼鉆進(jìn)時，該井眼鉆遇了上述硬地層和軟硬交錯的夾層。

表1 鉆具失效統(tǒng)計

2.2 彎曲強度比（BSR）

內(nèi)外螺紋連接后的彎曲強度比對鉆鋌的疲勞失效有嚴(yán)重影響[2]。根據(jù)API RP 7G推薦，鉆鋌內(nèi)外螺紋連接后在井內(nèi)工作時允許的彎曲強度比范圍為1.9:1～3.2:1。在硬地層或者軟硬交錯地層和鉆鋌長期使用后磨損或腐蝕較為嚴(yán)重時，推薦的BSR的范圍是2.5:1～3.0:1。由API RP 7G給出的BSR計算公式可知，鉆鋌外徑磨損特別是內(nèi)螺紋外側(cè)磨損會導(dǎo)致BSR 值變小，如果BSR 減小到2.0:1 以下時，鉆鋌產(chǎn)生內(nèi)螺紋疲勞失效的可能性會大幅增加。由表1 可以看出，大部分失效的鉆鋌內(nèi)螺紋外徑的磨損情況都比較嚴(yán)重，這是導(dǎo)致大部分?jǐn)嗔寻l(fā)生在鉆鋌母接頭的原因之一。

2.3 鉆井參數(shù)與鉆柱共振

2.3.1 鉆井參數(shù)

鉆進(jìn)過程中，鉆壓和轉(zhuǎn)速是鉆頭破巖的兩個主要參數(shù)，從追求機(jī)械鉆速的角度來看，鉆壓和轉(zhuǎn)速越大，越有利于提高破巖效率和機(jī)械鉆速。但是，從井下管柱力學(xué)的角度來看，隨著鉆壓的增大，底部鉆具組合會產(chǎn)生不同程度的彎曲，所受的拉力、壓力、側(cè)向力和彎曲應(yīng)力等各種形式的交變載荷會隨之增大，鉆鋌作為底部組合的主要組成部分，會承受大部分的交變載荷，發(fā)生疲勞斷裂的幾率更大。轉(zhuǎn)速則決定了鉆鋌單位時間內(nèi)所承受的交變載荷次數(shù)，轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)承受交變載荷次數(shù)越多，越容易產(chǎn)生疲勞，根據(jù)井隊在科威特油田施工的經(jīng)驗，轉(zhuǎn)速達(dá)到90～110 r/min 時鉆鋌斷裂故障明顯增加。

2.3.2 鉆柱共振

鉆柱振動是導(dǎo)致鉆具失效的主要因素，振動產(chǎn)生的高頻應(yīng)力波與裂紋相互作用，會降低材料韌性，加速裂紋擴(kuò)展[3]，導(dǎo)致鉆具疲勞和失效?？v向振動對鉆具壽命影響很大。

牙輪鉆頭破巖機(jī)理是沖擊壓碎和滑動剪切，所以在鉆進(jìn)過程中能產(chǎn)生兩種類型的縱向振動：一種是由于牙輪接觸井底巖石而隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)發(fā)生滾動，小位移高頻率的縱向振動就此產(chǎn)生；另外一種是由于每個牙輪破巖后都形成波浪狀的井底，后面的牙輪作用在這種斷面上時就產(chǎn)生大位移低頻率的縱向振動。第一種振動對鉆柱影響較小，但是第二種大位移振動會傳遞到整個鉆柱上，對鉆具的危害較為嚴(yán)重[4]。

從力學(xué)角度分析，鉆具螺紋連接處與本體相比，剛度較小，截面形狀復(fù)雜,易出現(xiàn)應(yīng)力集中，是鉆具的薄弱部位。鉆井過程中，當(dāng)鉆柱承受扭轉(zhuǎn)力過大時，螺紋根部承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的交變應(yīng)力，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使螺紋部位發(fā)生疲勞斷裂。

當(dāng)激勵頻率與鉆柱固有頻率接近或呈整數(shù)倍時，鉆柱會發(fā)生共振[5]。表1中RA-579井和SA-590井分別發(fā)生了2 次鉆具斷裂，轉(zhuǎn)速分別為100 r/min和110 r/min。地面能夠明顯感受到鉆柱的劇烈振動，由此判斷是正好處于鉆柱共振范圍，從而加劇了鉆具失效。

2.4 現(xiàn)場使用與管理

鉆具之間是依靠公扣和母扣上的2個臺肩面進(jìn)行密封，合理的上扣扭矩，既能保證螺紋連接的強度，也能起到壓力密封的作用。如果上扣扭矩達(dá)不到最小緊扣扭矩，那么2 個接觸的臺肩面就無法產(chǎn)生足夠的密封載荷。鉆進(jìn)過程中，螺紋連接處在井下受到各種交變應(yīng)力的作用，很容易使臺肩面分離，加上高壓鉆井液沖蝕的雙重作用，很容易出現(xiàn)斷扣故障。如果鉆具緊扣時的上扣扭矩超過最大緊扣扭矩，會使2個密封臺肩發(fā)生塑性變形，內(nèi)螺紋接頭因此而脹扣，強度降低，在井內(nèi)交變載荷的作用下也很容易出現(xiàn)斷扣故障。因此，上扣扭矩超過或者達(dá)不到推薦的扭矩范圍，都會引起鉆具接頭和螺紋失效。

3 預(yù)防鉆具失效的措施

3.1 鉆具技術(shù)措施

3.1.1 嚴(yán)控鉆具質(zhì)量

對科威特鉆具失效原因分析，發(fā)現(xiàn)大部分失效鉆具是209.6 mm鉆鋌和241.3 mm鉆鋌，在探傷和抽樣檢測后，發(fā)現(xiàn)部分在用的鉆鋌存在著一定的質(zhì)量缺陷，查出存在缺陷的鉆鋌，新購補充部分鉆鋌，新購鉆鋌時嚴(yán)格要求制造工藝技術(shù)，擬定規(guī)范的技術(shù)協(xié)議：

1）鉆鋌的主要尺寸公差按API SPEC7-1標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。鉆鋌的壁厚差應(yīng)小于或等于公稱壁厚的12%。鉆鋌全長直線度偏差不超過0.52 mm/m，兩端2 m 內(nèi)的直線度偏差最大為2 mm，接頭加長254 mm。短鉆鋌長度為3 m，帶應(yīng)力槽。

2）鉆鋌外觀結(jié)構(gòu)要求：鉆鋌類型為螺旋型，螺旋型式為BI型。BI型鉆鋌的螺旋槽尺寸要求按SY/T 5144—2013《鉆鋌》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。鉆鋌外表面不得有裂紋、折疊、凹坑和結(jié)疤等缺陷。

3）鉆鋌材料采用4145H 合金鋼，化學(xué)成分中的硫、磷含量不得超過0.020%。坯料需經(jīng)熱軋或鍛造成型，其機(jī)械性能應(yīng)符合API SPEC7-1標(biāo)準(zhǔn)要求,做材質(zhì)切片探傷報告，強度30～32，成品也要提供探傷報告，工件性能見表2。

表2 加工鉆鋌的工件性能要求

4）常溫夏比沖擊功要求（按照ASTM A370最新標(biāo)準(zhǔn)，試樣沿管體軸線方向切?。涸嚇拥臎_擊功必須滿足平均值80 J，最小值70 J。

3.1.2 提高螺紋抗疲勞強度

螺紋加工按API SPEC7-2 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，外螺紋加工應(yīng)力分散槽，內(nèi)螺紋加工背孔式應(yīng)力分散槽，公母扣接頭處做冷滾壓工藝處理。應(yīng)力分散槽對螺紋連接處的應(yīng)力起到了很好的分散作用，可以避免過高的應(yīng)力集中，增強螺紋的抗疲勞能力；同時也能避免螺紋長時間工作應(yīng)力載荷過大而發(fā)生斷裂。鉆鋌內(nèi)、外螺紋以及臺肩表面采用磷化處理，給螺紋提供保護(hù)，防止腐蝕，運輸過程中和現(xiàn)場存放時配戴鋼塑復(fù)合護(hù)絲帽。

3.2 現(xiàn)場技術(shù)措施

3.2.1 鉆具上扣扭矩及操作規(guī)程規(guī)范

1）大尺寸鉆鋌使用高扭矩專用螺紋脂，上扣時首先將絲扣清洗干凈，然后均勻地涂抹高扭矩螺紋脂，保證螺紋連接的密封性。

2）井隊現(xiàn)場配備了3 種型號的吊鉗，包括SDD型、DB 型和C 型，其扣合管體外徑尺寸和最大扭矩分別為：101.6～431.8 mm，136 kN·m；88.9～431.8 mm，90 kN·m；60.3～273.1 mm，48 kN·m。要求不同尺寸和扣型的鉆具必須使用與之相匹配的吊鉗進(jìn)行緊扣作業(yè)。

3）避免在操作過程中鉆具的表面損傷，尤其是鉆具密封面的碰傷及鉆桿管體大鉗咬傷，使用吊鉗緊扣時不能咬合在母螺紋外部，要咬合在母螺紋下端的本體處。

4）要根據(jù)鉆具的上扣扭矩上扣，上緊后要檢查臺肩面的結(jié)合情況，如不合縫，應(yīng)卸開檢查；不同規(guī)格鉆具之間要使用轉(zhuǎn)換接頭，要及時根據(jù)鉆具規(guī)格調(diào)整緊扣扭矩，禁止不同規(guī)格的鉆具使用同一緊扣扭矩。如果使用雙鉗緊扣，注意扭矩拉到位時大鉗鉗柄和鉗尾繩要處于90°夾角。

3.2.2 優(yōu)選鉆具組合和鉆井參數(shù)

1）在設(shè)計鉆具組合時，在鉆具組合中適當(dāng)加入扶正器，優(yōu)先選用滿眼鉆具組合或者塔式鉆具組合，以減輕鉆鋌的彎曲程度[6]。同時使用加重鉆桿作為從底部鉆具組合到普通鉆桿的過渡區(qū)域，降低應(yīng)力集中。

2）鉆井參數(shù)的合理選擇:轉(zhuǎn)速要避免井下鉆柱蹩跳鉆及鉆柱共振的產(chǎn)生。鉆壓要避免鉆桿受壓導(dǎo)致的鉆具屈曲，發(fā)生偏磨等，防止鉆柱中和點位于鉆桿位置，導(dǎo)致位于中和點的鉆桿交變應(yīng)力產(chǎn)生疲勞破壞[7]。鉆進(jìn)過程中密切注意泵壓變化，及時發(fā)現(xiàn)鉆具刺漏，減小鉆具斷裂故障。

3）加強鉆具倒換制度，改善鉆具的受力情況。采取“抽上換下、抽下?lián)Q上、抽中間換兩頭”的方式，盡量使鉆具受力趨于均勻，減少鉆具受力狀態(tài)惡化。倒換鉆鋌要求：每使用100～150 h（或每趟鉆）左右倒換，將最下面3柱倒至最上面。倒換鉆桿要求：每使用200 h 左右倒換，將最下面5 柱倒至最上面。計算好中和點，每次起下鉆必須將中和點附近的3柱加重鉆桿倒換到其他位置。

3.2.3 加強井下振動檢測

通過合理地改變鉆壓和轉(zhuǎn)速調(diào)整鉆柱振動的激勵頻率，最大限度地避免鉆柱共振的發(fā)生，從而避免鉆具失效。如果遇到嚴(yán)重跳鉆，表現(xiàn)為井口鉆具上下擺動幅度大，而扭矩變化相對較小的情況，就適當(dāng)增加鉆壓，降低轉(zhuǎn)速，減小鉆柱產(chǎn)生的共振。如果憋鉆嚴(yán)重，表現(xiàn)為井口鉆具橫向擺動幅度大，相對有規(guī)律地撞擊井口補心，則要適當(dāng)減小鉆壓，提高轉(zhuǎn)速，減小鉆柱產(chǎn)生的共振。參數(shù)的調(diào)整方法并不是一成不變，需要司鉆根據(jù)實鉆情況來調(diào)整，目的就是盡可能地減小或避免共振。

3.3 加強鉆具探傷管理

針對探傷公司提供的探傷服務(wù)質(zhì)量較差的情況，采取以下措施：

1）第三方探傷人員到井探傷時，由場地工長專人負(fù)責(zé)監(jiān)督探傷過程，保證探傷工作做到位。

2）公司配備全數(shù)字超聲波探傷儀，鉆具出井后對鉆具進(jìn)行外觀檢查，特別是公扣端和母扣端，由第三方首先進(jìn)行鉆鋌螺紋磁粉探傷發(fā)現(xiàn)外表面缺陷，然后現(xiàn)場進(jìn)行超聲波鉆鋌螺紋探傷發(fā)現(xiàn)中部和內(nèi)表面缺陷。要確保鉆具探傷的質(zhì)量，不合格鉆具嚴(yán)禁入井使用。

3）鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌、配合接頭均應(yīng)打印鋼印編號，鋼印編號以清晰、易操作為標(biāo)準(zhǔn)。鋼印打在外螺紋接頭螺紋消失端光面上（公扣尾部）或斜坡處；對車有應(yīng)力分散槽的接頭，鋼印應(yīng)打在外螺紋接頭表面專門刻槽內(nèi)。鉆鋌、鉆桿車制螺紋后仍在外螺紋處打鋼印；鉆桿切頭對焊后，仍需對焊后的接頭上打鋼印；提升短節(jié)鋼印打在不易磨損處；對目前已經(jīng)打有鋼印的鉆具，可直接登記，進(jìn)入檔案。

4）打印的鉆具編號（或已經(jīng)存在的鋼印編號）應(yīng)與鉆具的出廠證書及探傷報告一一對應(yīng)，并記錄檔案，使之具有可追溯性。

5）鉆鋌及特殊工具（如減震器、隨鉆震擊器、扶正器及打撈工具等）入井前應(yīng)測量打撈尺寸，并畫出草圖；如鉆具檔案中已經(jīng)有草圖，可與鋼印號對應(yīng)參照。

4 結(jié)論

1）對所有的鉆鋌螺紋加工出應(yīng)力分散槽，降低螺紋根部的應(yīng)力集中程度。

2）螺紋根部經(jīng)冷滾壓后會形成預(yù)壓應(yīng)力層，從而提高螺紋根部的抗疲勞強度，預(yù)防螺紋部位的疲勞失效。

3）152.4～200.0 mm 鉆鋌采用的彎曲強度比為2.25:1～2.75:1，大于等于203.2 mm鉆鋌采用彎曲強度比2.50:1～3.20:1，降低鉆鋌發(fā)生疲勞破壞的幾率。

4）對新購置鉆鋌材料的沖擊韌性提出更高的要求，夏比沖擊功單個值應(yīng)大于75 J。

5）如果振動嚴(yán)重，可考慮使用減振器，同時增加鉆壓（增加鉆鋌數(shù)量），倒換鉆鋌使用，降低轉(zhuǎn)速，減輕跳鉆。

6）磁粉加超聲波探傷及早發(fā)現(xiàn)缺陷及裂紋，及時修復(fù)損傷的鉆鋌，在牙輪鉆頭轉(zhuǎn)換PDC 鉆頭時，進(jìn)行多次中間探傷，剔除已損傷的鉆具。