一例鉆柱穩(wěn)定器斷裂原因分析及措施

郝宙正，李 波，左 凱，劉禹銘，胡國金

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

穩(wěn)定器是鉆具結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對于穩(wěn)定下部鉆具、改善鉆頭工作環(huán)境、提高井身質(zhì)量具有重要作用[1]。在鉆進過程中，穩(wěn)定器斷裂事故時有發(fā)生[2-3]，不僅延長了鉆井工期，而且增加了施工成本。國內(nèi)外研究機構(gòu)對提升穩(wěn)定器性能方面做了大量研究[4-5]，但未完全解決穩(wěn)定器的斷裂問題。本文以南海西部油氣田某探井為例，闡述了2起因穩(wěn)定器斷裂而造成的鉆井事故。基于簡支梁模型對鉆柱“A-B”危險截面進行了受力分析，同時對取樣試件宏觀斷口形貌與金相組織進行了觀察，分析其斷裂原因，并提出合理建議與措施，對于保證鉆井作業(yè)安全具有重要意義。

1 井況介紹

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

該探井基本數(shù)據(jù)：井型為直井，設(shè)計井深3 795.00 m，預(yù)測井底溫度155 ℃。?444.50 mm (17英寸)井段巖性預(yù)測為厚層箱狀灰色含礫粗砂巖和中粗砂巖夾薄層雜色泥巖。鉆具轉(zhuǎn)速60～80 r/min, 鉆壓60～92 kN, 轉(zhuǎn)矩4.10～8.10 kN·m。泵排量70.00 L/s,泵壓12.20～14.40 MPa。井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某探井井身結(jié)構(gòu)示意

1.2 事故描述

1) 第1起井下事故。為便于后續(xù)電測和下套管作業(yè)，進行短起倒劃眼作業(yè)，倒劃眼至一開508.00 mm(20英寸)套管鞋處，泵壓由14.00 MPa快速降至12.50 MPa，鉆具轉(zhuǎn)矩由7.80 kN·m降至6.10 kN·m，懸重略微下降。起鉆至井口，發(fā)現(xiàn)?444.50 mm (17英寸)穩(wěn)定器母扣根部斷裂。井下“落魚”為：?444.50 mm鉆頭(長度0.48 m)+浮閥接頭(浮閥/測斜座)(長度0.67 m)+2根?203.20 mm鉆鋌(長度9.15 m)+?444.50 mm穩(wěn)定器(長度2.03 m)，“落魚”總長21.48 m。

2) 第2起井下事故。二開鉆進至1 636.00 m,泵壓由13.50 MPa快速降至11.20 MPa，鉆具轉(zhuǎn)矩由7.50 kN·m降至5.90 kN·m，懸重略微下降。起鉆至井口，發(fā)現(xiàn)?444.50 mm (17英寸)穩(wěn)定器母扣根部斷裂。井下“落魚”為：?444.50 mm鉆頭(長度0.48 m)+浮閥接頭(浮閥/測斜座)(長度0.67 m)+2根?203.20 mm鉆鋌(長度9.15 m)+?444.50 mm穩(wěn)定器(長度2.10 m)，“落魚”總長21.55 m。

兩次打撈均采用打撈筒，并且均成功撈獲“落魚”。打撈鉆具組合：撈筒(長度1.85 m)+?203.20 mm變扣(長度0.80 m)+?393.70 mm穩(wěn)定器(長度2.20 m)+配合接頭(631×DSHT55)+9根?139.70 mm加重鉆桿+配合接頭(DSHT55×631)+?203.20 mm震擊器+配合接頭(631×DSHT55)+若干?139.70 mm鉆桿。

2 斷裂原因分析

2.1 鉆柱受力分析

鉆進過程中，穩(wěn)定器受力情況與鉆柱基本相同，主要承受軸向力、轉(zhuǎn)矩及彎矩[6-7]。由鉆柱組合可知，PDC鉆頭和穩(wěn)定器最大外徑435.30 mm，與井壁近似貼合，因此穩(wěn)定器以下鉆柱剛度大，彎曲變形幾乎為零。穩(wěn)定器以上鉆鋌、震擊器及加重鉆桿等組件最大外徑203.20 mm，與井壁間隙大，鉆柱剛度小?；诤喼Я耗Ｐ秃喕@具，穩(wěn)定器以上鉆柱為懸臂梁，穩(wěn)定器最大外徑處為“固定端”，其余部分為“活動端”，越靠近固定端彎矩越大。因此，穩(wěn)定器內(nèi)螺紋處是鉆柱中最薄弱點(A-B截面)，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)示意

查閱材料力學(xué)[8]及相關(guān)書籍，A-B截面最大應(yīng)力計算式為：

(1)

式中：σmax是截面最大應(yīng)力，MPa；Mmax是截面處最大彎矩，N·mm；W是截面抗彎系數(shù)，mm3。

圓環(huán)抗彎截面系數(shù)計算式為：

(2)

式中：D是圓環(huán)截面外徑，mm；d是截面螺紋內(nèi)徑，mm。

結(jié)合式(1)～(2)可知，最大彎曲應(yīng)力與圓環(huán)截面最大彎矩成正比，與抗拉截面系數(shù)成反比?？箯澖孛嫦禂?shù)W綜合反映了截面形狀與尺寸對彎曲應(yīng)力的影響。

當(dāng)鉆柱承受交變彎矩時，先假設(shè)穩(wěn)定器內(nèi)螺紋B點承受最大的壓應(yīng)力，則A點承受最大拉應(yīng)力。當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)180°后，B點壓應(yīng)力逐漸減小至0，拉應(yīng)力則逐漸增大至最大值，A點情況則正好相反，因此鉆柱每轉(zhuǎn)1圈，B點承受的應(yīng)力變化也是1個周期。鉆柱長時間在這種交變應(yīng)力狀態(tài)下，內(nèi)螺紋根部應(yīng)力集中處就容易產(chǎn)生疲勞裂紋，在軸向力和轉(zhuǎn)矩共同作用下，進一步加速了疲勞裂紋擴展，導(dǎo)致穩(wěn)定器因疲勞裂紋而斷裂。

2.2 螺紋牙底裂紋分析

對穩(wěn)定器的內(nèi)螺紋進行了縱向取樣，螺紋牙底的形貌如圖3，靠近斷口的螺紋牙底發(fā)現(xiàn)1條裂紋。磨拋后裂紋整體形貌如圖4所示，裂紋起源于螺紋牙底，開始裂紋較為平直，內(nèi)部存在黑色的泥漿腐蝕產(chǎn)物，當(dāng)裂紋延伸至4 mm左右，裂紋形貌發(fā)生改變，裂紋由原來的橫向走勢變?yōu)榭v向走勢，并且裂紋逐漸變寬。經(jīng)觀察斷口附近的顯微組織為回火索氏體+鐵素體，切片金相組織符合原材料熱處理工藝要求，如圖5。

圖3 取樣試件

圖4 裂紋形貌(拋光態(tài)，50×)

結(jié)合螺紋牙底裂紋整體形態(tài)及宏觀斷口形貌，可以推斷疲勞裂紋是造成穩(wěn)定器斷裂的根本原因，當(dāng)疲勞裂紋擴展到一定深度后，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，加劇了“A-B”截面斷裂的速度。

3 建議措施

3.1 優(yōu)選穩(wěn)定器

3.2 改進穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)

南海西部油氣田埋藏淺、地層疏松易出砂[9]，鉆井過程中，經(jīng)常遇見井眼縮頸、變形及井壁臺階等復(fù)雜井況，鉆具上提困難。解決此問題常采用倒劃眼作業(yè)，即利用鉆具穩(wěn)定器的肩部先修整井壁，待穩(wěn)定器上提通過后，再利用鉆頭修整井壁，但常規(guī)穩(wěn)定器肩部磨損嚴(yán)重和倒劃眼問題突出。目前，通過在穩(wěn)定器螺旋工作面上安裝切削齒，增加切削功能[10-11](如圖6)，能夠在鉆井過程中對井眼起到切削和修復(fù)平整的作用，使井眼軌跡達到理想狀態(tài)，改善倒滑眼過程穩(wěn)定器“A-B”截面受力狀態(tài)，有效提高短起倒劃眼效率，為鉆井作業(yè)節(jié)省時間和費用。

4 結(jié)論

1) 通過對南海西部油田2起穩(wěn)定器斷裂事故進行闡述，基于簡支梁模型對鉆柱“A-B”截面進行了受力分析，同時對試件宏觀斷口形貌與金相組織進行觀察，認(rèn)為螺紋牙底疲勞裂紋是造成穩(wěn)定器斷裂的根本原因。

2) 穩(wěn)定器打撈外徑相對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的打撈外徑減小25.30 mm, 從而降低了穩(wěn)定器承載能力。因此，穩(wěn)定器選取需嚴(yán)格執(zhí)行SY/T5051—2016相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在條件允許情況下，適當(dāng)增加穩(wěn)定器打撈外徑。

3) 通過在穩(wěn)定器螺旋工作面上安裝PDC切削齒，增加切削功能，改善倒劃眼過程中穩(wěn)定器“A-B”截面受力狀態(tài)，降低穩(wěn)定器斷裂風(fēng)險。

4) 建議對鉆柱“A-B”截面所承受交變載荷進行計算?？勺儚降箘澭鄯€(wěn)定器在復(fù)雜井況具有更好的適應(yīng)性，對提高短起倒劃眼效率，節(jié)省鉆井作業(yè)時間和費用具有重要意義，應(yīng)作為下一步重點研究對象。