高新94-1井鉆桿本體刺漏原因和對策分析

劉功威，張 輝，方文超 （中國石油大學 （北京）石油工程學院，北京102200）

閔江本 （長江大學石油工程學院，湖北 武漢430100）

鉆具失效是指鉆具在鉆井作業(yè)過程中因斷裂、刺穿、粘扣等事故而發(fā)生部分或全部失去其效能的現(xiàn)象［1］。鉆桿本體刺漏屬于典型鉆具失效，在鉆井現(xiàn)場經(jīng)常發(fā)生該現(xiàn)象，嚴重影響鉆井作用并造成較大的經(jīng)濟損失。以高新94-1井為例，在該井鉆井過程中，共有3根鉆桿發(fā)現(xiàn)本體刺漏現(xiàn)象，都發(fā)生在定向造斜的井段，井深從619～677m，井斜角在8．53～13．27°，刺口位于鉆桿加厚過渡帶的本體上，與公扣的距離平均為0．55m，刺口直徑約為1．5cm。下面，筆者對該井鉆桿本體刺漏失效原因進行分析并提出相應對策，以便為處理類似鉆具失效問題提供借鑒。

1 鉆桿本體刺漏原因分析

1）鉆桿被腐蝕 高新94-1井的作業(yè)區(qū)屬于唐山唐?？h附近，地理自然位置靠近大海，空氣潮濕多雨，含氧量較高。鉆桿在長期的儲存和使用過程中經(jīng)常與氧氣和水相接觸，在有氧腐蝕的環(huán)境下，鉆井液中攜帶的溶解氧與鉆桿材料中的Fe發(fā)生電化學反應，溶解氧產(chǎn)生的電化學腐蝕的反應過程為［2］：

4Fe＋6H2O＋3O2→4Fe（OH）3Fe→Fe2＋＋2e-O2＋2H2O＋4e-→4OH-

上述過程導致鉆桿中的鐵質(zhì)不斷被氧化，加之循環(huán)系統(tǒng)中的鉆井液不斷沖刷鉆桿表面以及鉆桿在井壁內(nèi)的振動，使鉆桿表面的腐蝕產(chǎn)物逐漸脫落，從而形成很大的腐蝕坑。腐蝕坑造成鉆桿表面金屬的不連續(xù)，上述部位是容易產(chǎn)生應力集中的位置。因此，較小的交變應力即可在腐蝕坑周邊形成較高的應力集中，進而促使疲勞裂紋產(chǎn)生并不斷擴大，最終產(chǎn)生鉆桿本體刺漏現(xiàn)象［3］。

2）鉆桿濾清器的影響 高新94-1井是一口定向井，在鉆進過程中定向造斜時，為了防止井下鉆具的水眼堵塞和減少鉆頭的水力功率，在鉆桿中放置了濾清器。濾清器的外部是一層濾網(wǎng)，鉆井液通過濾網(wǎng)時流向、流速會發(fā)生變化，在鉆桿旋轉(zhuǎn)的作用下會產(chǎn)生渦流，加之鉆井液中的固相顆粒不停的高速沖擊鉆桿內(nèi)壁，會導致鉆桿內(nèi)的保護涂層部分脫落，從而加快鉆桿的有氧腐蝕并導致鉆桿內(nèi)裂紋的產(chǎn)生，由此形成鉆桿本體刺漏現(xiàn)象。

3）鉆桿受交變應力作用 在鉆進過程中，當鉆桿鉆遇狗腿井段時，鉆桿要承受彎曲載荷 （見圖1）。彎曲的鉆桿在最大彎曲截面處一邊受壓，另一邊受拉，當鉆桿旋轉(zhuǎn)一周后，鉆桿上某一點經(jīng)受了從拉到壓的一個應力循環(huán)，此即交變應力 （動載）［4］。交變應力作用的結(jié)果容易導致鉆桿表面應力集中部位產(chǎn)生裂紋，只要交變應力持續(xù)作用，則裂紋會繼續(xù)擴展，直至穿透鉆桿壁厚，嚴重時導致鉆桿刺穿或斷裂。

圖1 鉆桿受交變應力作用示意圖

4）鉆桿薄弱部分的影響 鉆桿加厚過渡帶是鉆桿的一個非常薄弱的部分，大部分出現(xiàn)鉆桿本體刺漏的部位都發(fā)生在加厚過渡帶上。其原因是腐蝕坑造成鉆桿本體不連續(xù)，周圍形成很高的應力集中，加上鉆桿內(nèi)加厚過渡段本身就存在嚴重的應力集中，在上述應力共同作用下，鉆桿內(nèi)加厚過渡帶產(chǎn)生疲勞裂紋并快速擴大，最后產(chǎn)生鉆桿本體刺漏現(xiàn)象。

5）鉆桿放置不合理 一般而言，在正常的鉆井過程中，鉆桿一般都是放置在專門的鉆桿架上，但當一口井固井完井后，從井底起出來的鉆桿，有的會安置在2層鉆桿之間 （見圖2）。這樣會使鉆桿在自下而上的堆積過程中不斷受到?jīng)_擊載荷的作用，導致鉆桿受到很大的金屬疲勞傷害。與沒有受到傷害的鉆桿相比，在同等的鉆井環(huán)境下這些鉆桿本體更加容易刺漏。

圖2 鉆桿放置不合理

2 應對措施

1）在鉆井液中加入適量的緩蝕劑和除氧劑 由于鉆井液中的溶解氧對鉆桿表面造成氧腐蝕并形成腐蝕坑，對此應在鉆井液中加入適量的緩蝕劑和除氧劑去除鉆井液中的氧氣，對鉆桿表面起到隔離保護的作用，從而有效防止鉆桿本體刺漏失效。

2）用錐形泥漿濾網(wǎng)取代圓柱形泥漿濾網(wǎng) 由于鉆桿濾清器上圓柱狀泥漿濾網(wǎng)不僅造成濾網(wǎng)與鉆桿內(nèi)管壁間隙過小，還會導致鉆井液高壓射流對鉆具內(nèi)壁的大力沖擊，因此，可以考慮使用錐形泥漿濾網(wǎng)，該裝置可大大降低鉆井液對鉆桿內(nèi)壁的沖蝕程度，進而減少鉆桿本體刺漏失效事故的發(fā)生。

3）強化鉆桿本體探傷檢查執(zhí)行力度 在鉆井現(xiàn)場，雖然工作人員會定期對鉆桿進行探傷檢查，但一般只對鉆桿的接頭和絲扣進行檢查，容易忽略對鉆桿本體的探傷檢查。為了消除安全隱患，應該加強對鉆桿本體探傷檢查的力度。

4）合理設計井身結(jié)構(gòu) 由于定向造斜中形成的狗腿度導致鉆桿本體產(chǎn)生交變應力，進而產(chǎn)生疲勞裂紋并造成鉆桿本體刺漏，因而在設計井身結(jié)構(gòu)時，應注重減少鉆桿在井下的彎曲程度，由此降低交變應力，這樣可以有效防止產(chǎn)生鉆桿本體刺漏現(xiàn)象。

5）正確放置鉆桿并加強日常養(yǎng)護 在鉆井作業(yè)過程中，應注重正確放置鉆，同時定期對鉆桿進行保養(yǎng)和維護，這樣做能減少鉆桿本體刺漏現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論與建議

1）引起鉆桿本體刺漏的原因主要包括鉆桿被腐蝕、鉆桿濾清器的影響、鉆桿受交變應力作用、鉆桿薄弱部分的影響和鉆桿放置不合理。

2）為防止鉆桿本體刺漏，應采取以下措施：在鉆井液中加入適量的緩蝕劑和除氧劑、用錐形泥漿濾網(wǎng)取代圓柱形泥漿濾網(wǎng)、強化鉆桿本體探傷檢查執(zhí)行力度、合理設計井身結(jié)構(gòu)和正確放置鉆桿并加強日常養(yǎng)護。

3）由于引起鉆桿本體刺漏的原因很多，對于各個不同的井，應根據(jù)實際情況查找原因并制定相應的對策。

［1］侯立中，吳俊霞 ．腐蝕引起鉆柱刺漏的機理分析及預防措施 ［J］．石油鉆探技術(shù)，2006，3（5）：26-28．

［2］郭海清，馬永安 ．井斜對鉆具影響理論在輪古13井鉆具刺漏原因分析中的應用 ［J］．鉆采工藝，2003，26（12）：1-4．

［3］萬里平，孟英峰，楊龍，等 ．鉆柱失效原因及預防措施 ［J］．鉆采工藝，2006，29（1）：57-59．

［4］張春婉，張國正，董會，等．S135鉆桿本體刺穿失效分析 ［J］．石油礦場機械，2009，38（12）：65-75．