深井鉆桿疲勞刺漏原因與鉆柱設(shè)計

王新虎，盧　強(qiáng)，蘇建文，謝巨良

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077；2.塔里木油田分公司　新疆　庫爾勒　841000)

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深井鉆桿疲勞刺漏原因與鉆柱設(shè)計

王新虎1，盧強(qiáng)2，蘇建文2，謝巨良2

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室陜西西安710077；2.塔里木油田分公司新疆庫爾勒841000)

摘要：分析了西部油田多年鉆桿大量疲勞刺漏的原因，認(rèn)為127 mm鉆桿不適合深井、超深井的的大拉力、高扭矩、高轉(zhuǎn)速、大狗腿、強(qiáng)腐蝕等等復(fù)雜工況。通過計算論證，表明只有大直徑鉆桿才能滿足深井、超深井安全鉆進(jìn)的要求，提出了用于深井的大直徑鉆柱設(shè)計思想，推薦了可用于深井、超深井的大直徑鉆桿。

關(guān)鍵詞：鉆柱；深井；設(shè)計；疲勞

1西部某油田鉆桿疲勞刺漏概況

近幾年西部某油田鉆具失效情況發(fā)生了明顯的變化，表1是鉆具失效類型及次數(shù)變化情況。

在西部油田會戰(zhàn)初期，物資供應(yīng)充足，鉆桿更新很快，主要使用的是新鉆桿及一級鉆桿，所以2000年以前鉆桿疲勞刺漏很少，主要以底部鉆具螺紋疲勞斷裂為主。隨后推廣應(yīng)用了中國石油石油管工程技術(shù)研究院的抗疲勞螺紋技術(shù)，并對底部鉆具螺紋及時 “趕扣”維修，鉆具螺紋斷裂失效明顯減少。隨著體制的改革，鉆桿更新速度減緩，從2002年開始，鉆桿管體疲勞刺漏顯著增加。

表1　近幾年西部某油田鉆具失效類型及次數(shù)變化情況

注：斷指螺紋斷裂，刺指鉆桿刺漏。

2深井鉆桿疲勞刺漏原因分析

2.1127 mm鉆桿在深井、超深井中壽命顯著縮短

如圖1示，根據(jù)古德曼的疲勞理論，鉆桿的疲勞強(qiáng)度不僅與鉆桿自身的性能有關(guān)，而且與其承受的平均應(yīng)力即拉伸應(yīng)力有關(guān)，拉伸應(yīng)力越大，鉆桿疲勞所需的最低彎曲應(yīng)力幅越小，所以井越深、鉆桿越靠近井口，鉆桿就容易發(fā)生疲勞。圖2是西部某油田鉆桿疲勞刺漏深度分布圖，越靠近井口，鉆桿刺漏頻率越高。

圖1　鉆桿疲勞強(qiáng)度與平均拉伸應(yīng)力關(guān)系

圖2　西部某油田2001至2005年上半年鉆桿疲勞刺漏深度分析

管研院通過鉆桿全尺寸疲勞試驗，得出空氣介質(zhì)中鉆桿疲勞壽命與鉆桿循環(huán)彎曲應(yīng)力幅及拉伸應(yīng)力的關(guān)系為：

式中，N是鉆桿疲勞時應(yīng)力循環(huán)數(shù)；

σp是鉆桿彎曲應(yīng)力幅， MPa；

σj是鉆桿拉伸應(yīng)力， MPa；

表2是計算得到的不同井深時位于井口的127 mm鉆桿(壁厚9.19 mm)的疲勞壽命，假設(shè)井口鉆桿彎曲，彎矩恒定，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力80 MPa，底部鉆鋌規(guī)格為159 mm、長度200 m，泥漿比重1.20 g/cm3。計算結(jié)果表明，隨著井深的增加，鉆桿疲勞壽命急劇減少。在深度超過5 000 m以上井中的鉆桿疲勞壽命顯著低于3 000 m以下的井。

表2　計算得到的不同井深時位于井口的

表3是早期統(tǒng)計的長慶油田、華北油田、克拉瑪依油田的鉆桿使用壽命，這些油田的井深約是西部某油田的一半，內(nèi)涂層鉆桿的使用壽命超過10萬米。表4是西部某油田2003年至2005年刺漏鉆桿級別數(shù)量，刺漏鉆桿大部分是二級鉆桿，這些鉆桿大部分是1998年前購入的進(jìn)口或國內(nèi)合資廠生產(chǎn)的鉆桿，這些鉆桿進(jìn)尺約60 000 m，現(xiàn)在已經(jīng)疲勞老化， 這是因為普通127 mm鉆桿在深井、超深井中壽命明顯縮短。

我國深井鉆柱設(shè)計與淺井鉆柱設(shè)計的主要區(qū)別是將淺井采用的G級鉆桿改變?yōu)橥叽绲腟級鉆桿，只是材料強(qiáng)度的提高，而幾何尺寸沒有變化。S135鉆桿與同規(guī)格尺寸的G105鉆桿相比，雖然拉伸強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度提高，但疲勞強(qiáng)度并沒有提高。另一個重要問題是鉆柱的抗彎性能及水力性能并沒有得到改善，為快速鉆井不得不強(qiáng)化鉆井參數(shù)如高轉(zhuǎn)速、大排量、高泵壓等，這無疑加大了鉆具的損傷，增加了鉆具事故，影響了鉆井速度。

表3　是長慶油田、華北油田、克拉瑪依油田的鉆桿使用壽命

表4　西部某油田2003至2005年上半年刺漏鉆桿級別

有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)不能反映鉆桿的抗腐蝕性能，各廠家鉆桿性能差異大，表5是西部某油田各廠家及不同級別鉆桿2004年至2005年刺漏數(shù)量，表6是2000年以來逐步購買的BG廠國產(chǎn)鉆桿，其進(jìn)尺約30 000 m，進(jìn)口NKK鉆桿大部分是98年前購買的，進(jìn)尺估計60 000 m。從表5及表6的數(shù)據(jù)看出BG廠鉆桿壽命明顯低于國外及合資廠家。

表5　西部某油田2004至2005年上半年刺漏鉆桿廠家及級別

表6　西部某油田購置BG廠鉆桿時間及數(shù)量

2001年油田購買BG廠127 mmS135鉆桿共計6480根，于2002年初開始投入使用。該批鉆桿分10套，在輪古地區(qū)、哈德地區(qū)、輪南地區(qū)、輪西地區(qū)和塔中五個區(qū)塊使用，該批鉆桿自投入使用至2004年上半年，累計進(jìn)尺為30 156 m，共發(fā)生斷裂、刺漏事故159起(其中，2002年斷裂1起、刺漏45起、接頭開裂33起；2003年刺漏29起；2004年1～6月刺漏51起)，鉆桿發(fā)生事故的頻率為2.45%。降為二級以下鉆桿2098根，降級率為32.38%。2002年初與該批鉆桿同時購進(jìn)的BNK產(chǎn)127 mm斜坡鉆桿1800根(3套)截止到2004年上半年累計進(jìn)尺38 560 m，未發(fā)生一起刺漏及斷裂失效事故，降為二級以下鉆桿418根，在全部用于山前井的情況下降級率為23.22%。

管研院就各廠家鉆桿的性能做了許多對比試驗[1]，雖然國產(chǎn)鉆桿試驗數(shù)據(jù)符合API標(biāo)準(zhǔn)及我國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但材料耐腐蝕性明顯不如其它廠家鉆桿，如圖3示BG鉆桿腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率高于其它廠家。中國石油管材研究所正深入研究以制定鉆桿腐蝕疲勞性能快速評判方法。

圖3　BG廠(1#)與其它廠鉆桿(2#)腐蝕疲勞擴(kuò)展速率

2.2鉆柱轉(zhuǎn)速快，轉(zhuǎn)速可能與鉆柱固有頻率重合導(dǎo)致鉆桿振動

鉆柱轉(zhuǎn)速過快無疑增大了應(yīng)力交變頻率，減少了鉆桿疲勞壽命。

根據(jù)機(jī)械振動理論，當(dāng)轉(zhuǎn)速與鉆柱固有頻率重合時，鉆柱便發(fā)生共振，共振是鉆井的大敵，當(dāng)共振發(fā)生時無論鉆桿新舊便會很快疲勞。圖4反映出鉆桿刺漏數(shù)與轉(zhuǎn)速的分布近似正態(tài)分布，在轉(zhuǎn)速100120轉(zhuǎn)/min時，鉆桿刺漏數(shù)量達(dá)200次，占總數(shù)的58%，其中在110轉(zhuǎn)/min時鉆桿刺漏80次，二個因素導(dǎo)致了這個統(tǒng)計結(jié)果，一是可能大部分井鉆柱轉(zhuǎn)速主要在100120轉(zhuǎn)/min，二是可能轉(zhuǎn)速與鉆柱固有頻率重合引起鉆柱共振導(dǎo)致鉆桿刺漏。以K7016井為例，在轉(zhuǎn)速120轉(zhuǎn)時，連續(xù)發(fā)生了5起刺漏，而在其后的3 015～3 207 m井段，當(dāng)轉(zhuǎn)速為120～180轉(zhuǎn)時，未發(fā)生鉆具刺漏。

圖4　西部某油田2001～2006年上半年刺漏鉆桿轉(zhuǎn)速分布

2.3一些井有較大的狗腿

當(dāng)井眼特別是上部井眼出現(xiàn)較大的狗腿時肯定發(fā)生大量鉆桿疲勞失效，如LG42與LG13井在圖5、圖6顯示的狗腿處分別發(fā)生4次及15次鉆桿疲勞刺漏。

圖5　LG42井狗腿度

圖6　LG13井狗腿度

2.4鉆井液腐蝕

在腐蝕環(huán)境下鉆桿沒有疲勞極限，任何大小的循環(huán)應(yīng)力都可以發(fā)生腐蝕疲勞。其中溶解氧是鉆桿腐蝕的主要因素，3 ppm的氧就能夠減少鉆桿壽命的一半，氯離子(Cl-)加速鉆桿的氧腐蝕，鹽水鉆井液較強(qiáng)的導(dǎo)電性也加速氧腐蝕，鉆井液pH值低于10就可發(fā)生腐蝕，并非人們認(rèn)為低于7。

包括西部某油田在內(nèi)我國油田鉆井液都沒有防腐蝕設(shè)計，鉆井液都有不同程度的腐蝕性，不只腐蝕鉆桿也腐蝕套管，這是全國油田普遍存在的問題，并非西部某油田獨有。

3深井全占柱設(shè)計

綜上所述，API標(biāo)準(zhǔn)127 mm鉆桿不適合深井、超深井的的大拉力、高扭矩、高轉(zhuǎn)速、大狗腿、強(qiáng)腐蝕等復(fù)雜工況。革新鉆柱設(shè)計，通過不同規(guī)格鉆桿組合，不但可以提高深井鉆桿疲勞壽命而且可以提高鉆柱綜合性能。

3.1新的鉆柱設(shè)計

深井鉆柱設(shè)計的趨勢是使用大規(guī)格鉆桿，與目前普遍使用的127 mm鉆桿相比，大規(guī)格鉆桿不但有更高的疲勞壽命而且有更高的拉伸強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、抗彎剛度及水力性能。

顯然鉆柱上部采用大規(guī)格鉆桿、下部采用小規(guī)格鉆桿是一個好的設(shè)計思路。

表鉆桿及其不同組合時鉆桿疲勞壽命

表8　推薦的大規(guī)格鉆桿與127 mm鉆桿尺寸及性能比較

3.2改進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)

通過改進(jìn)鉆植結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高鉆桿自身疲勞強(qiáng)度，過去那種延長內(nèi)加厚過渡長度的技術(shù)仍然是一種好辦法。適當(dāng)增加壁厚也是一種好辦法。延長鉆桿外加厚長度超過內(nèi)加厚長度也是一種好設(shè)計，由于增加了內(nèi)加厚過度處的壁厚，所以將提高鉆桿的疲勞強(qiáng)度。

表9　不同加厚形式鉆桿的結(jié)構(gòu)尺寸和綜合性能

4結(jié)論

1)127 mm鉆桿不適合深井、超深井中大拉力、高扭矩、高轉(zhuǎn)速、大狗腿、強(qiáng)腐蝕等復(fù)雜工況；

2)采用上部大鉆桿、下部小鉆桿或全部大鉆桿的鉆柱設(shè)計方法不但顯著提高深井鉆桿疲勞壽命而且也提高鉆柱抗拉強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、抗彎剛度及水力性能，可滿足深井、超深井高質(zhì)量、快速鉆進(jìn)的要求；

3)進(jìn)一步優(yōu)化鉆桿加厚方式及結(jié)構(gòu)、提高鋼材的耐腐蝕性以提高鉆桿疲勞強(qiáng)度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王新虎，鄺獻(xiàn)任，呂拴錄，等.材料性能對鉆桿腐蝕疲勞壽命“影響的試驗研究”，石油學(xué)報，2009，30(2)：312-316.

[2] Terry E Prater,drill string considerations for gulf of mexico deepest well, 1999SPE/IADC drilling conference,amsterdaam, Holland,9-11 March 1999.

Analysis of Drillpipe Fatigue Wash and Drillstem Design for Deep Well

WANG Xinhu1, LU Qiang2, SU Jianwen2, XIE Juliang2

(1.CNPCTubularGoodsReseaichInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials，Xi′an,Shaanxi710077,China; 2.TarimOilfield,Kuerle,Xinjiang841000,China)

Abstract：This paper analyse the causes of drillpipe fatigue leak at a west oilfield in many years, it is realized that 127 mm drillpipe do not suit the great pull force, great torsional moment, rapid rotate speed, big dogleg, strong corrosion, etc.,conditions in deep and extra deep well. Through computation and analysis, it is show that large diameter drillpiepe can meet the demand for drilling deep well safety. The idea of large diameter drillstring design is put forword and large diameter drillpipe is recommended for deep well.

Key words：drill string；deep well；design；fatigue

(收稿日期：2015-11-12編輯：葛明君)

中圖法分類號：TE921+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0043-04

第一作者簡介：王新虎，男，1962年生，教授級高級工程師，中國石油集團(tuán)高級技術(shù)專家，長期從事油井管失效分析與科學(xué)研究。E-mail:wangxh66@163.com

·失效分析與預(yù)防·