深井钻具失效问题分析.doc

1、深井钻具失效问题分析摘 要油气钻井作业就原理上来讲并不复杂，就是利用钻铤或加重钻杆给破碎岩石的钻头上施加一定的压力，使钻头的牙齿吃入地层，然后利用钻柱的旋转带动钻头旋转，利用钻头旋转来切削地层，并依靠循环的钻井液将钻屑带出井眼，以保证持续钻进。但是油气钻井所面临的任务是艰巨的，它需要把覆盖在油气层以上数百米至数千米的岩石钻开，而且还要沿着预先设计好的井眼轴线把井眼钻的笔直，或向预定的方向倾斜钻到目的层。在此过程中钻具的合理使用和日常科学的维护有着至关重要的作用，它将直接影响着钻井速度以及钻井安全。及早的发现钻具的问题以及提前预防钻具发生问题对整个钻井过程都十分重要。 钻井中的钻具失效是一个世界

2、性难题，全球每年因此产生的损失高达亿元。钻具失效是钻具在使用过程发生刺漏、折断、裂纹而引起损坏的现象，钻具的工作环境一般比较恶劣，工作状况受载荷性质、加载次序、压力、温度等影响比较大，工作时所处的钻井液一般是由固体、液体等化学处理剂组成的复杂混合液，具有一定的腐蚀性。钻井液和其他腐蚀介质与钻具相互作用，会严重缩短钻具的使用寿命，导致钻具早期失效。 关键词钻具；钻井；预防措施 中图分类号：TG332 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01 一、事例分析 施工井深为 4050 米，发生断裂的钻铤为一根新的 177.8 普通钻铤，它是 2013 年 12 月 1

3、9 日到井的 9 根新 177.8 普通钻铤中的一根，春节过后才开始使用。在 2014 年 3 月 7 日钻进的施工中，钻具组合按钻井设计执行，当时钻压、钻速、钻铤的上扣扭矩等都符合钻井设计要求，当发生泵压少了 20 吨，悬重异常，起钻后发现 177.8 新钻铤公扣断裂，断裂时井深段为 2380 米，该断裂钻铤纯钻时 110 小时。 下图是断裂钻铤断面不同角度的照片。 （见图 1、2） 我们观察钻铤断裂情况，断裂位置在外螺纹根部第 35 扣范围内，在第 2 扣位置也有较大的裂纹。断口形貌参差不齐，有 1/3 圆周断口平齐，有 1/3 圆周断口与钻铤轴线呈 45角度，有 1/3 圆周断口突起于其

4、他断裂面为最后拉断段。 原因分析：断裂新钻铤的理化试验结果合格，证明材质不存在问题。我们观察断裂钻铤断口形貌，疲劳断裂形貌不典型，但断口形貌及第 2扣裂纹的总体特征，尤其“断口上有 1/3 圆周断口与钻铤轴线呈 45角度”这一断裂特征，体现了断裂钻铤在井下工作过程中有受到异常扭、拉力的迹象。我们分析这个异常的扭拉力来自于井下钻进遇卡后，井队操作人员在解卡活动钻具的过程中，很容易产生超过钻杆接头螺纹承受极限的扭矩和拉力，也就更容易发生断裂事故。 一般来说，裂纹的方向与应力的方向垂直，故钻具疲劳破坏的断面是沿圆周方向的。形成疲劳破坏的原因有以下几种：1、钻具在长期工作中承受拉伸、压缩、弯曲、扭切等

5、复杂应力，而且在某些区域还产生频繁的交变应力，如正常钻进中中和点附近的钻具、处理卡钻事故时的自由段钻具以及在弯曲井眼中运转的钻具，当这种应力达到足够的强度和足够的交变次数时，便产生疲劳破坏。2、临界转速引起的振动破坏。钻柱旋转速度达到临界转速时，会使钻具产生振动，有纵向振动和横向摆动两种形式，同时在一定的井深这两种形式的振动还会重合在一起，这种振动会使钻具承受交变应力，促使钻具过早地疲劳。3、钻进时的跳钻、别钻，即使钻具产生纵向振动，又使钻具产生横向振动，对受压部分的钻具破坏极为严重，所以在砾石层中钻进，最容易发生钻铤事故。4、钻具在弯曲的井眼中转动，必然以自身的轴线为中心进行旋转，这部分钻杆

6、靠井壁的一边受压力，离井壁的一边受拉力，每旋转一圈，拉压应力交变一次，如此形成频繁的交变应力，促使钻具早期破坏。 二、钻具事故的预防措施： 采用最佳紧扣扭矩钻具的紧扣扭矩不易过小，也不易过大，应采用一个最佳的紧扣扭矩值，一般而言，大尺寸钻铤大多数是由于紧扣扭矩不足而引起接头漏失或公接头疲劳破坏。除此之外，合理的紧扣扭矩还可避免刺钻具现象的发生。由于接头螺纹的顶部和底部都留有间隙，于是在螺纹两端之间形成通道，在台肩面之间可能发生泥浆泄漏，造成接头严重冲蚀，甚至刺漏钻具。使用加重钻杆。在钻杆的繁重工作段，在弯曲井眼段，使用加重钻杆可降低这些应力，延长整个钻柱的使用寿命。为了尽量避免钻具事故的发生，

7、在钻具的使用过程中，应做到以下几个方面： 1、严格钻具检查制度。钻具到井场后，井队工程技术人员应对钻具规格、钢级、管体、螺纹等进行严格检查，对不符合钻井设计要求的钻具不得入井，检查钻具管体有无电弧烧伤、大钳伤痕、卡瓦伤痕、切割伤痕等，避免引起钻具伤痕疲劳破坏；检查钻具螺纹、密封台肩及吊卡的承载台肩。特殊入井工具须绘制草图，以便发生钻具事故后能正确处理。起下钻时认真检查钻具弯曲，磨损、刺漏等情况。经常检查起下钻操作工具（吊卡、卡瓦等）的工作状态是否完好，注意防止在钻杆上造成伤痕。 2、遵守钻具使用要求。钻具连接前应在螺纹及台肩面均匀地涂抹螺纹密封脂，螺纹与密封脂均应清洁无杂物。钻具对扣时应平稳，

8、避免损伤螺纹和台肩面。井口工具必须与所用钻具的规格相符。钻具上下钻台应戴好护丝。钻具在使用过程中，要定期倒换和错扣，倒换钻具或错扣检查钻具时，要检查连接情况和扭矩大小，防止接头松晃，泥浆刺漏或粘扣损坏接头导致钻具事故。通过内涂层钻杆水眼的井下工具及仪器应带有保护装置，以防损伤内涂层。 3、钻具进行定期探伤。钻具使用一段时间后，即使没有发生损伤，也需进行探伤，只是不同钻具的探伤周期不同。钻杆：钻杆探伤主要检查管体疲劳裂纹、腐蚀、机械损伤等。在正常使用情况下。新钻杆的探伤周期为纯钻时间 4500 小时，旧钻杆的探伤周期是纯钻时间 2200 小时。加重钻杆：加重钻杆探伤主要检查壁厚变化部位的疲劳裂纹和螺纹上疲劳裂纹，在正常使用情况下探伤周期为纯钻时问 1200 小时。钻铤：在正常使用情况下，探伤周期为纯钻时间 600 小时。方钻杆：主要检查加厚向驱动过渡部位和螺纹上的疲劳裂纹，在正常使用情况下，探伤周期为纯钻时间 2200 小时。钻具经历过特殊作业、事故处理等，应缩短探伤周期。 参考文献 1 邵武锋.钻具的维护与使用2009 年 12 月. 2 郝瑞.钻井工程1993 年 3 月.