某油田鉆鋌斷裂原因綜合分析及建議

王新虎，宋順平

(1.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　陜西　西安　710077；2.川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井工程公司管具公司　陜西　西安　710010)

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·失效分析與預(yù)防·

某油田鉆鋌斷裂原因綜合分析及建議

王新虎1，宋順平2

(1.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西西安710077；2.川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井工程公司管具公司陜西西安710010)

某油田鉆鋌疲勞斷裂一直是影響鉆井的嚴(yán)重問題。對(duì)某油田幾年內(nèi)發(fā)生的鉆鋌斷裂事故進(jìn)行了綜合統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用鉆柱力學(xué)底部鉆柱進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果表明鉆壓顯著超過鉆鋌彎曲臨界鉆壓是該油田鉆鋌疲勞斷裂的原因，并提出改進(jìn)鉆井工藝、降低鉆壓(例如使用PDC鉆頭)是減少鉆鋌疲勞斷裂的好措施。

鉆鋌；疲勞；鉆壓

0　引　言

某油田鉆具失效相當(dāng)頻繁，嚴(yán)重制約了正常勘探開發(fā)。為解決鉆具失效問題，雖然已多次采取措施，取得了一定效果，但沒有取得突破性進(jìn)展。該油田在內(nèi)蒙古發(fā)現(xiàn)了大型氣田，根據(jù)該氣田的特點(diǎn)，決定采用小井眼對(duì)該氣田進(jìn)行勘探開發(fā)，鉆具斷裂問題是迫切需要解決的問題。

石油管工程技術(shù)研究院已做過多起某油田鉆具斷裂失效分析，但是缺乏對(duì)整個(gè)氣田鉆具失效情況的全面了解。為解決實(shí)際問題，石油管工程技術(shù)研究院對(duì)該氣田鉆具失效情況進(jìn)行了調(diào)查，取得了許多數(shù)據(jù)，本文根據(jù)這些調(diào)查資料以及以前做過的許多失效分析，對(duì)鉆具斷裂原因進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1　鉆具斷裂失效統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

某油田一年內(nèi)鉆具失效情況統(tǒng)計(jì)見圖1～8。一年內(nèi)共發(fā)生鉆具失效事故193次。其中鉆鋌155次，占80.3%，1月～6月共發(fā)生鉆具失效事故129次。其中鉆鋌102次，占79.1%。鉆具失效事故呈上升趨勢(shì)，鉆鋌內(nèi)螺紋接頭的疲勞斷裂是主要的失效類型，178 mm鉆鋌是失效最多的鉆鋌。鉆鋌內(nèi)螺紋接頭疲勞斷裂主要發(fā)生在井深2 000 m以上時(shí)，第11號(hào)到16號(hào)鉆鋌斷裂次數(shù)最多，鉆壓在20～25 t，轉(zhuǎn)速50～60 r/min，泥漿比重1.00～1.06 g/cm3。

2　鉆具組合

舉幾個(gè)井的例子說明該油田的鉆具組合：

圖1　鉆具失效情況

圖2　鉆鋌失效類型

圖3　失效鉆鋌的位置

圖4　鉆鋌失效時(shí)的井深(平均2 600 m)

圖5　鉆鋌失效時(shí)的鉆壓(平均21噸)

圖6　鉆鋌失效時(shí)的轉(zhuǎn)速

圖7　鉆鋌失效時(shí)的泥漿比重(平均1.03 g/cm3)

圖8　失效鉆鋌的規(guī)格

SU39-14-1欠平衡井鉆具：

一開346.1 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP;二開241.3 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP;三開152.4 mmBit+120.7 mmDC+88.9 mmDP。

SU33-18欠平衡井鉆具組合：

一開444.5 mmBit+127 mmDP;二開346.1 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP;三開241.3 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP;四開152.4 mmBit+120.7 mmDC+88.9 mmDP。

YU 26井鉆具組合：

一開346.1 mmBit+203.2 mmDC×2+165.1 mmDC×21根+127 mmDP;二開241.3 mmBit+165.1 mmDC×21根+127 mmDP。

G36-2井鉆具組合：

一開346.1 mmBit+203.2 mm×2+177.8 mmDC×21根+127mmDP;二開241.3 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP。

177.8 mm鉆鋌是用量最多的鉆鋌，所以該規(guī)格鉆鋌斷裂最多。

3　底部鉆具力學(xué)及導(dǎo)致鉆鋌疲勞損傷的力學(xué)因素分析

為解決鉆具失效問題，油田已多次采取措施，例如采用石油管工程技術(shù)研究院的NNC螺紋形式，加工API Spec7推薦的后孔內(nèi)螺紋應(yīng)力減輕槽等，對(duì)鉆柱組合進(jìn)行改進(jìn)等，取得了一定效果，抑制了一些鉆具失效事故的發(fā)生，但鉆具失效事故仍相當(dāng)頻繁。

3.1底部鉆具彎曲變形與導(dǎo)致鉆鋌疲勞的力學(xué)因素分析

鉆鋌的疲勞損傷是其承受的交變彎曲應(yīng)力造成的。當(dāng)彎曲應(yīng)力低于螺紋的疲勞強(qiáng)度時(shí)，鉆鋌不發(fā)生疲勞。當(dāng)彎曲應(yīng)力超過螺紋的疲勞強(qiáng)度時(shí)，鉆鋌很快發(fā)生疲勞斷裂。應(yīng)力值越大，疲勞壽命越短。

鉆柱上部受拉應(yīng)力，底部鉆具因鉆壓受壓應(yīng)力，當(dāng)鉆壓小時(shí)，底部鉆柱保持直線狀，當(dāng)鉆壓超過一定值即臨界鉆壓后，受壓鉆柱將喪失穩(wěn)定而產(chǎn)生彎曲變形，這就是底部鉆具彎曲應(yīng)力的來源，也是鉆鋌疲勞的根源。

20世紀(jì)50年代初鉆柱力學(xué)專家Lubinski提出底部鉆具組合可以發(fā)生幾次彎曲，發(fā)生第一次彎曲時(shí)的鉆壓為第一臨界鉆壓，當(dāng)鉆壓進(jìn)一步增大到一定程度時(shí)便發(fā)生第二次彎曲，對(duì)應(yīng)的鉆壓為第二臨界鉆壓。魯賓斯基根據(jù)鉆柱彎曲微分方程解出鉆柱發(fā)生一次、二次彎曲的臨界鉆壓分別是

(1)

(2)

式中:I是鉆鋌的截面慣性矩，m4；

E是鋼的彈性模量，206×109Pa；

qm是單位長(zhǎng)度鉆鋌在泥漿中的重量，N/m。

(3)

式中:qa是鉆鋌在空氣中的質(zhì)量，N/m；

rm是泥漿密度，g/cm3。

下面計(jì)算長(zhǎng)慶油田使用最多的178 mm鉆鋌鉆具組合發(fā)生第一次彎曲的臨界鉆壓，已知178 mm鉆鋌(內(nèi)徑71 mm)在空氣中的質(zhì)量qa=1 637 N/m；橫截面慣性矩I=4 724×10-8m4；泥漿密度rm=1.03 g/cm3；計(jì)算得178 mm鉆鋌鉆具組合的臨界鉆壓

p1=55 kN；p2=110 kN；

同樣可以計(jì)算出203 mm鉆鋌(內(nèi)徑71 mm)鉆具組合的臨界鉆壓

p1=79 kN；p2=157 kN；

159 mm鉆鋌(內(nèi)徑71 mm)鉆具組合的臨界鉆壓

p1=39 kN；p2=78 kN；

自上世紀(jì)50年代初鉆柱力學(xué)專家Lubinski提出井下鉆柱彎曲失穩(wěn)的概念以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從壓桿穩(wěn)定性理論出發(fā)對(duì)井下鉆柱的軸向受力與變形進(jìn)行了一系列研究，取得了以下共識(shí)：

1) 鉆柱在井眼中有四種可能的平衡狀態(tài)：直立平衡狀態(tài)、平面正弦彎曲狀態(tài)、空間螺旋彎曲狀態(tài)和自鎖狀態(tài)。鉆柱本身的性質(zhì)及外載(工況)決定了鉆柱的平衡狀態(tài)或構(gòu)形。

2)在四個(gè)平衡狀態(tài)之間存在兩個(gè)臨界狀態(tài)及三個(gè)臨界軸壓：從直立平衡狀態(tài)向平面正弦彎曲狀態(tài)過度的臨界正弦彎曲狀態(tài)及正弦彎曲臨界軸壓；從平面正弦彎曲狀態(tài)向空間螺旋彎曲過度的臨界螺旋彎曲狀態(tài)及相應(yīng)的螺旋彎曲臨界軸壓；從空間螺旋彎曲進(jìn)入自鎖狀態(tài)的最小軸壓，即臨界自鎖軸壓。

正弦彎曲臨界軸壓：

螺旋彎曲臨界軸壓：

計(jì)算得178 mm鉆鋌鉆具組合的正弦彎曲臨界鉆壓

p1=89 kN；

計(jì)算得178 mm鉆鋌鉆具組合的螺旋彎曲臨界鉆壓

p1=157 kN；

鉆井鉆壓在20～25 t(200～250 kN)，顯著超過上面計(jì)算得出的臨界鉆壓，底部鉆具組合處于嚴(yán)重彎曲狀態(tài)，這加劇了長(zhǎng)慶油田鉆鋌的疲勞損傷。

石油管工程技術(shù)研究院曾在1996年進(jìn)行過全國(guó)鉆具失效調(diào)查，數(shù)據(jù)表明全國(guó)各大油田鉆井鉆壓基本在20 t以下。目前鉆壓最低的是塔里木油田，其鉆壓基本在5～8 t，不超過10 t(可能與PDC鉆頭有關(guān))，目前該油田鉆井鉆壓(20～25 t)在全國(guó)是比較高的。

3.2鉆柱彎曲形狀與鉆鋌疲勞易發(fā)位置分析

當(dāng)鉆壓超過臨界鉆壓時(shí)，鉆柱將失穩(wěn)彎曲，魯賓斯基研究認(rèn)為鉆柱彎曲部分不只在鉆柱中和點(diǎn)以下鉆柱上，中和點(diǎn)上下鉆柱都將產(chǎn)生彎曲，如圖9示，T1是鉆柱發(fā)生一次彎曲后與井壁的切點(diǎn)，該位置在中和點(diǎn)N1稍下。當(dāng)鉆壓超過二次鉆壓后，鉆柱將再發(fā)生一次新的彎曲，切點(diǎn)T2在中和點(diǎn)N2稍下一點(diǎn)的位置。

圖9　底部鉆柱彎曲形狀

中和點(diǎn)以下鉆柱在泥漿中的質(zhì)量等于鉆壓，所以中和點(diǎn)距井底高度的計(jì)算公式是

(4)

式(4)中，pb是鉆壓，N；

長(zhǎng)慶油田鉆井鉆壓在20～25 t(200～250 kN)，計(jì)算得長(zhǎng)慶油田178 mm鉆鋌組合時(shí)的中和點(diǎn)高度為

Ln=140 m

中和點(diǎn)稍下位置鉆鋌緊貼井壁，是鉆柱彎曲最嚴(yán)重的部位，所以該位置是鉆鋌疲勞斷裂最容易發(fā)生的位置，圖3顯示12號(hào)到18號(hào)鉆鋌斷裂最多，這就證明了上文分析的正確性。

4　預(yù)防鉆鋌疲勞斷裂的措施

以上分析表明，鉆壓明顯高于鉆柱臨界鉆壓，底部鉆柱處于嚴(yán)重彎曲變形狀態(tài)，這是鉆鋌疲勞損傷的力學(xué)因素。這是老鉆井工作者知道的老問題，但如果缺乏傳承，新鉆井工作者仍然會(huì)犯同樣的錯(cuò)誤。這是本文重復(fù)這個(gè)常識(shí)性老問題的原因。

高鉆壓不一定能夠提高鉆速，而且影響鉆井質(zhì)量，這是因?yàn)閲?yán)重彎曲變形的鉆柱會(huì)帶來一些不良后果：(1)彎曲的鉆柱緊貼井壁，許多鉆壓消耗在井壁上，傳遞到鉆頭的鉆壓并不多；(2)處于嚴(yán)重彎曲變形狀態(tài)的鉆柱使井眼不容易控制，井眼容易彎曲，彎曲的井眼與鉆柱摩擦，消耗了一些鉆壓；(3)井眼彎曲又增加了鉆柱彎曲，增加了鉆柱疲勞損傷；(4)井眼彎曲會(huì)帶來其它不良后果。

所以降低鉆壓是減少鉆鋌疲勞損傷的有效途徑，建議將鉆壓降到臨界鉆壓以下，這樣可以保持鉆柱垂直狀態(tài)，同時(shí)由于使鉆壓充分傳遞到鉆頭上以及減少了井眼彎曲，提高了鉆井效率。PDC鉆頭容許較小的鉆壓，所以使用PDC鉆頭是降低鉆壓、減少鉆鋌疲勞斷裂的好措施。

鉆鋌內(nèi)螺紋疲勞斷裂多是該油田與其它油田不同的特點(diǎn)，應(yīng)該調(diào)查研究鉆鋌設(shè)計(jì)、制造等方面是否存在問題。

5　結(jié)　論

鉆壓顯著超過鉆鋌彎曲臨界鉆壓是鉆鋌疲勞損傷的力學(xué)原因，這是老鉆井工作者知道的老問題，但如果缺乏傳承，新鉆井工作者仍然會(huì)犯同樣的錯(cuò)誤。

Comprehensive Analysis and Advice on the Fracture Failure of Drill Collars at Oilfield

WANG Xinhu1, SONG Shunping2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials，Xi′an,Shaanxi710077，China;2.CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,Xi′an,Shaanxi710010，China)

The drill collar fatigue has been serious matter influencing the drilling in oilfield. The statistics and analyses of the drill collar fatigues of oilfield were made within a few years, and the mechanics of bottom drill stem was calculated. The result indicates that drill pressure exceeding the critical value of collar bend is the reason of collar fatigue, and the improving measures on drilling techniques and reducing drilling pressure (such as using PDC drill bit) are given to decrease collar fatigue.

drillcollar; fatigue; drill pressure

王新虎，男，1962年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)金屬材料專業(yè)，碩士學(xué)位，中國(guó)石油集團(tuán)高級(jí)技術(shù)專家，長(zhǎng)期從事油井管失效分析與科學(xué)研究。E-mail：wangxh66@163.com

TE921

A

2096-0077(2016)04-0043-03

2015-12-22編輯：葛明君)