關(guān)于鉆桿失效分析與質(zhì)量控制研究

支鵬鵬，張然，劉智超

（渤海能克鉆桿有限公司，河北 滄州 062650）

專供石油使用的管材有油管、套管以及鉆桿這3 類產(chǎn)品，在這之中鉆桿產(chǎn)品在油氣勘探開發(fā)工作之中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，是鉆柱組合之中不可或缺的組成部分。最近幾年，我國(guó)對(duì)石油和天然氣的需求逐漸遞增，導(dǎo)致淺層油氣資源的儲(chǔ)蓄量幾近耗空。因此必須要加大對(duì)西部油氣田的勘探與開發(fā)工作，深井、超深井、高含二氧化碳以及硫化氫的酸性氣田的數(shù)量成比增長(zhǎng)。在這樣嚴(yán)苛的工況環(huán)境中，鉆柱的工作環(huán)境也更加嚴(yán)苛，這樣就會(huì)導(dǎo)致鉆柱出現(xiàn)失控的情況更加頻發(fā)，鉆桿也是失效事故的多發(fā)點(diǎn)，這將會(huì)對(duì)工程進(jìn)度造成很大的影響，嚴(yán)重拖慢工程的進(jìn)度，甚至?xí)?dǎo)致出現(xiàn)大量的財(cái)產(chǎn)損失，危害相關(guān)人員的生命健康。所以開展高性能鉆機(jī)以及鉆探用管的研發(fā)工作顯得尤為重要，加強(qiáng)對(duì)鉆桿失效案例的原因分析工作以及對(duì)其的質(zhì)量控制工作，保證鉆桿的產(chǎn)品質(zhì)量以及其使用的可靠性是確保油氣田生產(chǎn)安全性的重要舉措，也是全方位促進(jìn)提升高性能鉆桿質(zhì)量水平的不二手段。

1 鉆桿失效情況分析

鉆桿在鉆井之下的受力情況十分復(fù)雜，經(jīng)常處在一種復(fù)合載荷的作用情況之下，并且在鉆井的過程之中，鉆桿會(huì)不停地和井壁產(chǎn)生摩擦和碰撞，在這種情況下，鉆桿就成為了整個(gè)鉆柱最薄弱的部位。一旦鉆桿出現(xiàn)失效的問題，輕則將會(huì)拖慢工程的進(jìn)度，重則將會(huì)造成全井報(bào)廢的嚴(yán)重后果，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

鉆桿的失效形式主要存在以下兩種：鉆桿螺紋失效，鉆桿本體失效。導(dǎo)致出現(xiàn)鉆桿螺紋失效問題的原因多且復(fù)雜，常見的有內(nèi)螺紋接頭漲螺紋、內(nèi)螺紋接頭開裂、螺紋粘結(jié)、刺漏等、以及鉆桿本體刺漏、斷裂等這幾種。

失效的原因主要能夠氛圍由腐蝕環(huán)境引起的失效、使用不規(guī)范引起的失效、制造質(zhì)量不合格出現(xiàn)的失效以及設(shè)計(jì)不夠合理引發(fā)的失效四種。

石油管工程技術(shù)研究院相關(guān)研究人員展開了材料性能對(duì)鉆桿腐蝕疲勞壽命影響的實(shí)驗(yàn)研究，研究人員們將多種材料放在一起進(jìn)行腐蝕疲勞壽命的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，最終得到的結(jié)果顯示成分偏析是導(dǎo)致腐蝕疲勞壽命縮減的核心因素，并且提出了一種通過低倍組織酸蝕檢驗(yàn)的方式，該檢驗(yàn)方式所需要花費(fèi)的成本相對(duì)來說不高，該方法能夠?qū)︺@桿材料的性能進(jìn)行充分的評(píng)判。研究人員針對(duì)某油田Φ139.7mm 鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱向開裂失效問題進(jìn)行了原因分析研究，分析結(jié)果顯示由于內(nèi)外旋合螺紋之間出現(xiàn)了劇烈的摩擦現(xiàn)象，其作用力促使內(nèi)螺紋牙頂逐漸形成了馬氏體，裂紋從馬氏體的內(nèi)部產(chǎn)生，并且因?yàn)椴牧现g的橫向沖擊功大大小于縱向沖擊功，所以導(dǎo)致其裂紋沿著縱向產(chǎn)生了脆性擴(kuò)展，最終引起了鉆桿接頭部位出現(xiàn)了縱向開裂失效的情況。不僅如此，研究人員還指出，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)操作的管理，對(duì)上扣扭矩環(huán)節(jié)嚴(yán)格把控，均勻涂抹螺紋脂，對(duì)于存在螺紋參數(shù)超差情況的鉆桿要及時(shí)的更換，做好上述措施就能夠最大限度減輕由于螺紋旋合面之間出現(xiàn)劇烈摩擦進(jìn)而形成馬氏體的現(xiàn)象。除此之外，相關(guān)的生產(chǎn)廠家改進(jìn)自身的熱加工工藝，提升鉆桿接頭材料的橫向沖擊功，這樣也能夠減輕此類失效事故的發(fā)生。鉆桿制造質(zhì)量存在問題也是導(dǎo)致鉆桿出現(xiàn)失效問題的主要原因之一。研究人員對(duì)鉆柱失效原因進(jìn)行了一個(gè)統(tǒng)計(jì)總結(jié)，其中引起鉆桿失效事故的因素之中，由制造質(zhì)量問題引起的失效事故占據(jù)總體數(shù)量的三成以上，引起鉆柱失效的制造方面的原因也是十分繁雜，鉆柱的制造工作之中存在的微小缺陷很可能就會(huì)形成應(yīng)力集中或者是降低疲勞裂紋萌生壽命，削弱材料具備的服役抗力，容易誘發(fā)鉆柱在早期出現(xiàn)失效的問題。研究人員通過技術(shù)手段并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況對(duì)刺穿鉆桿失效的原因也進(jìn)行了分析。最終的分析結(jié)論顯示，由空氣鉆井轉(zhuǎn)用到泥漿鉆井的時(shí)候，知識(shí)對(duì)鉆井的方式以及鉆頭進(jìn)行了改變，但是并沒有改變其鉆具組合，最終造成鉆具和井壁之間的間隙逐漸擴(kuò)大，從而造成鉆桿出現(xiàn)疲勞斷裂的情況。

上述的文獻(xiàn)分析結(jié)論都充分證明了鉆桿失效主要是由于腐蝕環(huán)境因素、使用因素、制造因素和設(shè)計(jì)因素等因素造成了，但是往往并不是由于單一的一種因素促成，往往是有多個(gè)因素伴生，以及在其共同的作用下導(dǎo)致的。所以，要想提升鉆桿的質(zhì)量，不僅僅要在使用過程之中注意相關(guān)的問題，還要加強(qiáng)對(duì)鉆桿制造環(huán)節(jié)的監(jiān)督，提升鉆桿的質(zhì)量，進(jìn)而避免由于鉆桿失效事故導(dǎo)致的損失，促進(jìn)鉆井工作的安全順利的運(yùn)行。

2 加強(qiáng)質(zhì)量控制確保鉆桿質(zhì)量

隨著我國(guó)水平井、深井、超深井、大位移井等鉆井技術(shù)的研發(fā)程度逐漸加深，其運(yùn)用的范圍也愈加廣泛，除了API 標(biāo)準(zhǔn)鉆桿，大量的非API 鉆桿也逐漸被廣泛應(yīng)用在油氣田領(lǐng)域之內(nèi)，這些非API 鉆桿在一些復(fù)雜嚴(yán)峻的環(huán)境之中都得到了利用，綜合鉆桿失效事故的具體情況進(jìn)行分析，本文提出了大量有關(guān)于提升鉆桿質(zhì)量控制工作的措施，能夠促進(jìn)提升鉆桿使用的穩(wěn)定性以及可靠性。

2.1 加強(qiáng)鉆桿產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)理解及應(yīng)用

鉆桿的生產(chǎn)工作以及訂貨工作都應(yīng)該嚴(yán)格按照API SPEC 5DP《鉆桿規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，也就是在整個(gè)鉆桿生產(chǎn)以及后期投入使用的過程之中都需要嚴(yán)格依照該規(guī)范進(jìn)行相關(guān)的質(zhì)量檢測(cè)工作，對(duì)能夠?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量造成影響以及破壞產(chǎn)品性能穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析研究，一定要充分保障產(chǎn)品的合格率符合標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于出現(xiàn)失效情況的試樣，在檢測(cè)的過程之中也要嚴(yán)格遵守規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)工作。對(duì)于部分失效破壞比較嚴(yán)重的樣品，如果無法從標(biāo)準(zhǔn)的位置取樣的試驗(yàn)樣品，必須通過了各項(xiàng)檢測(cè)以后根據(jù)最終得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)來進(jìn)行判斷，判斷需符合生產(chǎn)、使用以及檢測(cè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。所以，也就是代表所有的鉆桿生產(chǎn)、訂貨乃至質(zhì)檢機(jī)構(gòu)都必須要強(qiáng)化對(duì)鉆桿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的理解，只有這樣才能夠盡可能確保鉆桿最終的得到的質(zhì)檢結(jié)果的有效性。

2.2 依據(jù)工況條件制定補(bǔ)充訂貨技術(shù)協(xié)議提升鉆桿適用性

API Spec 5DP《鉆桿規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的技術(shù)條件是國(guó)際上鉆桿生產(chǎn)廠家的平均水平?，F(xiàn)實(shí)的施工過程之中發(fā)生的鉆桿失效的案例也能夠充分證明，在鉆桿實(shí)際的使用過程之中，因?yàn)橐媾R著極其復(fù)雜的工況條件，各種工況條件共同作用，就導(dǎo)致鉆桿所工作的環(huán)境相對(duì)來說比較惡劣。由此可見，API 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)并不能完美適配所有的工況環(huán)境。所以在進(jìn)行鉆桿失效原因分析工作的時(shí)候已經(jīng)要將實(shí)際的鉆桿工況的環(huán)境納入考量的范圍之內(nèi)。鉆桿具體的使用環(huán)境情況決定著鉆桿最終的質(zhì)量性能評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)，例如如需在腐蝕環(huán)境之中工作的話，鉆桿的材料的選擇也應(yīng)該衡量其環(huán)境具體的腐蝕程度，來進(jìn)行耐腐蝕材料的選擇；根據(jù)工況最終確定的載荷與溫度條件來進(jìn)行對(duì)應(yīng)的鉆桿選擇。

2.3 加強(qiáng)鉆桿現(xiàn)場(chǎng)規(guī)范操作及使用管理

現(xiàn)場(chǎng)操作的不恰當(dāng)和失誤也是導(dǎo)致鉆桿失效事故發(fā)生的一大原因。選擇好符合質(zhì)量以及標(biāo)準(zhǔn)要求的鉆桿之后，如若在使用的過程之中存在不當(dāng)操作，也很有可能會(huì)引發(fā)鉆桿的失效事故，從而造成出現(xiàn)財(cái)產(chǎn)損失。所以，我們不僅僅要對(duì)鉆桿的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的要求，施工現(xiàn)場(chǎng)的操作行為也必須符合相關(guān)的操作規(guī)范，要加強(qiáng)對(duì)操作現(xiàn)場(chǎng)的管理監(jiān)察力度，只有將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作質(zhì)量管理進(jìn)行嚴(yán)格把控，促使鉆桿質(zhì)量能夠和現(xiàn)場(chǎng)的操作規(guī)范相匹配，這樣才能最大限度的將鉆桿失效事故發(fā)生的可能性降到最低。不僅如此，相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)操作管理規(guī)范必須要建立完善，日常對(duì)鉆桿的維護(hù)工作也要做到位，盡可能減少對(duì)鉆桿的損害。

2.4 加強(qiáng)無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

除了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一系列內(nèi)容以外，還應(yīng)該引入無損檢測(cè)技術(shù)在鉆桿質(zhì)量控制工作之中的運(yùn)用，在對(duì)應(yīng)的補(bǔ)貨技術(shù)條件中之中要新增出對(duì)相關(guān)鉆桿部位進(jìn)行無損檢測(cè)的內(nèi)容，要提升對(duì)鉆桿無損檢測(cè)的要求。只有將無損檢測(cè)技術(shù)和鉆桿的質(zhì)量控制工作相結(jié)合，充分利用技術(shù)的優(yōu)越性來完善鉆桿的質(zhì)量管理工作，確保鉆桿的質(zhì)量能夠符合使用保準(zhǔn)的規(guī)定，才能夠進(jìn)一步確保施工現(xiàn)場(chǎng)的安全順利進(jìn)行，降低鉆桿失效事故發(fā)生的機(jī)率。

3 嚴(yán)苛工況用非 API 高性能鉆桿質(zhì)量控制流程

（1）生產(chǎn)商必須要按照非API 鉆桿生產(chǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品的整體性能進(jìn)行檢測(cè)，充分保障產(chǎn)品本身的質(zhì)量不存在問題。

（2）在鉆桿產(chǎn)品投入到正式的使用之前，還需要任命第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)鉆桿的質(zhì)量進(jìn)行全面的檢測(cè)工作。然后，根據(jù)相關(guān)的工作條件和補(bǔ)充訂購(gòu)的技術(shù)條件，對(duì)鉆桿產(chǎn)品的性能進(jìn)行進(jìn)一步的適用性評(píng)價(jià)，以確定其適用范圍。針對(duì)油氣田使用的質(zhì)量問題和年度監(jiān)督抽查故障分析中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題，分析其故障的具體原因，提出有針對(duì)性的改進(jìn)措施，進(jìn)一步提高鉆桿的質(zhì)量管理，確保高性能鉆桿質(zhì)量的可靠性。結(jié)合工廠檢驗(yàn)的質(zhì)量控制過程，結(jié)合以往的第三方檢驗(yàn)、適用性評(píng)價(jià)、質(zhì)量監(jiān)督和抽查檢查，如圖1 所示，可以進(jìn)一步保證鉆桿質(zhì)量的可靠性。

圖1 高性能鉆桿質(zhì)量控制流程

4 結(jié)語(yǔ)

通過以上我們可知：鉆桿的質(zhì)量控制工作涉及到產(chǎn)品研究、涉及、開發(fā)甚至使用的整個(gè)過程之中。做好鉆桿的質(zhì)量控制工作有利于節(jié)約成本比，減少失效事故的發(fā)生，能夠進(jìn)一步促進(jìn)鉆桿產(chǎn)品的質(zhì)量得到提升。本文研究得到的結(jié)論如下：

（1）通過對(duì)鉆桿失效事故的成因進(jìn)行分析研究，最終得出要加強(qiáng)質(zhì)量控制、避免出現(xiàn)鉆桿失效事故，只有這樣才能夠保證鉆井工作的安全運(yùn)行。

（2）根據(jù)鉆桿失效的原因分析結(jié)果，本文建議要加強(qiáng)對(duì)鉆桿產(chǎn)品的要求，要更加理解鉆桿產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；有嚴(yán)格規(guī)劃鉆桿現(xiàn)場(chǎng)施工的操作規(guī)范，加強(qiáng)對(duì)其的使用管理，引進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)在鉆桿檢測(cè)方面的應(yīng)用，以此來達(dá)到提升鉆桿質(zhì)量的目的，確保鉆桿能夠滿足使用需求，保障在特定的工況情況下施工不出現(xiàn)失效事故。

（3）開發(fā)一系列相應(yīng)的非原料藥高性能鉆桿的質(zhì)量控制手段，包括廠前檢驗(yàn)，建議使用第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)質(zhì)量監(jiān)督和現(xiàn)場(chǎng)檢查相結(jié)合的質(zhì)量控制手段進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高全尺寸適用性條件模擬試驗(yàn)的強(qiáng)度，確保鉆桿的質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)定，確保嚴(yán)格工作環(huán)境下油氣田勘探開發(fā)工作的質(zhì)量和性能。