鉆具回收檢驗(yàn)必要性研究

楊 斌，李 敏，鄔 柯

（1.四川宏華石油設(shè)備有限公司產(chǎn)品研究所，四川 廣漢 618300；2.中石化西南石油工程有限公司 管具分公司，四川 德陽 618000）

0 引言

西南油氣田中鉆具服役地質(zhì)條件十分復(fù)雜，并且由原來的常規(guī)井向水平井、大斜度井、多分支井等新型井發(fā)展，對(duì)鉆桿的各方面性能要求更加嚴(yán)格。很多鉆具失效事故是可以避免的，通過檢測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆具承載能力已經(jīng)降低，鉆具出現(xiàn)了裂紋。本文提出鉆桿在使用一定時(shí)期后，必須進(jìn)行專業(yè)檢測(cè)，包括管體及內(nèi)外螺紋檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆桿缺陷，預(yù)防失效鉆桿下井操作，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，減少鉆井事故。

1 鉆具失效形式

鉆具在井下受到不同載荷的作用，可以概括為軸向力、彎曲力、離心力、扭矩、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向振動(dòng)、動(dòng)載、桿管柱與井壁的正壓力和摩擦力、內(nèi)壓力和熱外力等。在各種載荷情況下，單一載荷或者復(fù)合載荷可能使鉆桿發(fā)生不同形式的失效［1］。

1.1 過量變形

每種型號(hào)、每種鋼級(jí)的鉆桿都具有相應(yīng)的屈服極限強(qiáng)度，當(dāng)鉆桿所受實(shí)際的應(yīng)力超過規(guī)定的屈服極限時(shí)，鉆桿接頭螺紋伸長(zhǎng)，管體彎曲及扭轉(zhuǎn)［2］。如圖1所示為某井隊(duì)使用后嚴(yán)重扭曲的鉆具。

1.2 斷裂

鉆具應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到斷裂極限或者疲勞極限時(shí)，鉆具會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度破壞，造成鉆具的斷裂。鉆具的斷裂對(duì)生產(chǎn)帶來了較大的損失，不僅推延工期，最關(guān)鍵的是產(chǎn)生井下事故，容易使整個(gè)管柱掉入井中，輕則造成打撈事故，給油田造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，重則造成全井報(bào)廢，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)損失［3］。

斷裂在失效事故中所占的比例很大，某油田2002年～2004年鉆具失效事故中，鉆鋌失效的主要形式為早期的疲勞斷裂，油井鉆鋌斷裂主要發(fā)生在外螺紋接頭，占油井鉆鋌失效總數(shù)的65.6%。斷裂形式主要為過載斷裂、低應(yīng)力斷裂、應(yīng)力腐蝕、氫脆、疲勞和腐蝕疲勞等。如圖2所示，為鉆桿外螺紋接頭斷裂。

圖1 扭曲鉆桿

圖2 斷裂鉆桿

1.3 表面損傷

鉆具在井下除了受各種載荷外，還要受到鉆井液沖刷和地層水、H2S、CO2、NaCl腐蝕等，容易造成鉆具管體及螺紋接頭表面損傷，主要包括腐蝕、磨損和機(jī)械損傷。

腐蝕包括均勻腐蝕、小孔腐蝕和縫隙腐蝕。磨損包括黏著磨損、磨料磨損、沖蝕磨損。機(jī)械損傷如表面的碰傷、拉傷、大鉗卡瓦及其他工具的咬傷等，如圖3所示為鉆具螺紋表面損傷。經(jīng)檢驗(yàn)兩種損傷都已經(jīng)使鉆具失效，可以進(jìn)行維修再次使用。

1.4 黏扣、脫扣

當(dāng)鉆具振動(dòng)強(qiáng)烈，鉆具外螺紋和內(nèi)螺紋會(huì)黏在一起，使鉆具失效，此時(shí)要及時(shí)維修鉆具。鉆具連接時(shí)，如錯(cuò)扣發(fā)生，或者上扣不到位，容易發(fā)生內(nèi)螺紋膨脹和外螺紋縮徑，使鉆桿脫扣失效。

2 預(yù)防檢驗(yàn)

鉆具的變形、斷裂、損傷等失效事故，不可以全部避免，但可以預(yù)防。如當(dāng)鉆具出現(xiàn)細(xì)小裂紋時(shí)，沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則裂紋可能發(fā)展致穿孔、成核、擴(kuò)展或完全斷裂。因此對(duì)回收的鉆具進(jìn)行檢驗(yàn)，確定其承載能力是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，利用無損探傷檢驗(yàn)方法判斷其是否有疲勞裂紋及疲勞失效傾向，可避免承載力不合格或者已經(jīng)存在裂紋的鉆具再次入井。對(duì)可以維修的鉆具進(jìn)行維修，對(duì)需要降級(jí)的鉆具進(jìn)行降級(jí)處理，對(duì)需要報(bào)廢的鉆具及時(shí)報(bào)廢，保證鉆具入井質(zhì)量。

圖3 鉆具螺紋表面損傷

2.1 承載能力檢測(cè)

鉆具的承載能力是否達(dá)標(biāo)，關(guān)系鉆具使用過程的安全。鉆具的承載能力主要取決于鉆具的鋼級(jí)、壁厚及接頭外內(nèi)徑及密封面寬度。鉆具鋼級(jí)在使用過程中不會(huì)改變，因此在鉆具承載能力檢測(cè)過程中，主要檢查管體壁厚和接頭內(nèi)外徑及密封面寬度變化。

對(duì)回收鉆具進(jìn)行外觀檢測(cè)是第一步，可以不借助儀器，對(duì)管體和螺紋外觀進(jìn)行目測(cè)。管體外觀檢測(cè)主要檢測(cè)管體是否存在明顯彎曲、明顯裂紋、超標(biāo)缺陷、機(jī)械或者腐蝕性損傷和涂層老化等情況。管體外徑可以采用卡規(guī)進(jìn)行檢測(cè)，管體壁厚采用超聲波進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于管體外壁上槽深采用專用測(cè)量?jī)x進(jìn)行軸向和徑向測(cè)量。接頭內(nèi)、外徑可以取圓周方向幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均值。不允許對(duì)密封臺(tái)肩進(jìn)行銼削處理?？梢愿鶕?jù)檢測(cè)值對(duì)鉆具進(jìn)行分級(jí)、報(bào)廢處理。

2.2 疲勞損傷檢測(cè)

根據(jù)疲勞斷口的宏觀特征可知，疲勞破壞過程是一個(gè)疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的過程［4，5］。鉆具使用中受到各種載荷而發(fā)生的疲勞損傷，在每種應(yīng)力水平下?lián)p耗一定壽命，當(dāng)累積疲勞損傷DC達(dá)到100%時(shí)發(fā)生疲勞破壞，此時(shí)必須做檢驗(yàn)或報(bào)廢處理。按Miner累積疲勞損傷原理［6］計(jì)算累積疲勞損傷DC：

其中：ni為鉆具施加應(yīng)力水平下旋轉(zhuǎn)次數(shù)；Ni為鉆具施加應(yīng)力水平下的疲勞壽命。

鉆具旋轉(zhuǎn)次數(shù)ni可根據(jù)鉆具的鉆速v和轉(zhuǎn)速比值與所鉆過的距離確定，計(jì)算公式為：

其中：n為轉(zhuǎn)速，r／min；v為鉆速，m／h；Lpass為鉆過的距離，mm。

鉆具施加應(yīng)力水平下疲勞壽命Ni可根據(jù)鉆具裂紋的變化情況、裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子及與臨界狗腿度的數(shù)學(xué)關(guān)系來確定，其數(shù)學(xué)模型如下：

臨界狗腿嚴(yán)重度C可根據(jù)鉆具鋼級(jí)、外徑、長(zhǎng)度等確定，計(jì)算公式如下：

其中：σb為最大允許彎曲應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，MPa；D為鉆具外徑，mm；L為兩接頭之間鉆具長(zhǎng)度之半，mm；I為鉆具橫截面慣性矩，mm4；T為狗腿點(diǎn)以下鉆具浮重，kN。

式（3）中，應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔKI與應(yīng)力增量、裂紋深度及裂紋形狀因子有關(guān)，計(jì)算公式如下：

其中：a為裂紋深度，mm；Δσ為裂紋尖端循環(huán)應(yīng)力增量，MPa；Q為裂紋形狀因子；Y為幾何形狀因子；c為鉆具與井壁的摩擦因數(shù)，c≈0.2。

通過利用式（1）預(yù)測(cè)鉆具累積疲勞損傷，可以制定鉆具疲勞裂紋檢驗(yàn)計(jì)劃，及時(shí)發(fā)現(xiàn)具有疲勞裂紋的或者可能形成疲勞裂紋的鉆具。疲勞裂紋通常通過目測(cè)不能發(fā)現(xiàn)，只能由具有資質(zhì)的人員采用無損探傷方法進(jìn)行檢測(cè)。

無損探傷方法可采用磁粉探傷、電磁探傷、超聲波探傷、渦流探傷、滲透探傷等。常用漏磁探傷法檢測(cè)鉆桿兩端加厚之間管體橫向裂紋；用有效交流磁場(chǎng)干磁粉技術(shù)、濕熒光粉技術(shù)或超聲波技術(shù)對(duì)加厚區(qū)外表面橫向裂紋或三維裂紋進(jìn)行檢測(cè)；用濕熒光磁粉技術(shù)對(duì)鐵磁接頭表面橫向裂紋和內(nèi)螺紋熱裂裂紋進(jìn)行探傷檢測(cè)。管體常采用全長(zhǎng)范圍橫向缺欠、縱向缺欠和壁厚的超聲檢測(cè)。

3 結(jié)論

隨著近幾年鉆井新技術(shù)新工藝的開發(fā)，鉆井越來越深，鉆井地層越來復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年送井所需鉆具3×105m，除投入部分新鉆具外，還有近2／3的鉆具循環(huán)使用［7］，因此必須對(duì)在用的鉆具定期進(jìn)行回收檢測(cè)，分析其承載能力與疲勞損傷，對(duì)其做出分級(jí)、維修或報(bào)廢處理，確保入井鉆具質(zhì)量可靠，力爭(zhēng)對(duì)鉆具失效起到良好的預(yù)防作用。

［1］ 李子豐.油氣井桿管柱力學(xué)及應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［2］ 李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預(yù)防［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［3］ 呂拴錄，倪淵詮，楊成新，等.某油田鉆具失效統(tǒng)計(jì)分析［J］.理化檢驗(yàn)，2012，48（6）：414－418.

［4］ Hill T H，Durham K S.A unified approach to drillstem－failuer prevention［J］.SPE Drilling Engineering，1991，7（4）：254－260.

［5］ 周惠久，黃明志.金屬材料強(qiáng)度學(xué)［M］.北京：科技出版社，1996.

［6］ Grondin G Y，Kulak G L.Fatigue testing of drill pipe［J］.SPE Drilling＆Completion，1994，18（1）：95－102.

［7］ 張慶社，殷廷旭，張志剛.固定式電磁管材檢測(cè)系統(tǒng)在鉆桿檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.無損檢測(cè)，2006，28（3）：151－164.