中蓬某井5 1/2″鉆桿斷裂失效調(diào)查

田 波

（西部鉆探庫爾勒管具技術(shù)服務(wù)分公司，新疆庫爾勒 841000）

塔里木油田鉆井地質(zhì)條件復(fù)雜苛刻，井下鉆具受力情況復(fù)雜，易發(fā)生鉆具失效，且失效后處理周期長、難度大，風(fēng)險(xiǎn)高；損失也較國內(nèi)其他油田大得多，通過失效分析，歸結(jié)成因給鉆具廠商提供支撐，進(jìn)一步優(yōu)化鉆具綜合機(jī)械性能，推動(dòng)鉆具質(zhì)量提升，找出使用操作方面的不足，有效減少或避免失效斷裂，保障油田勘探開發(fā)安全生產(chǎn)。本文通過對(duì)某鉆井隊(duì)承鉆的中蓬某井發(fā)生的鉆桿斷裂問題進(jìn)行分析調(diào)查，通過分析失效鉆桿基本情況，提出了相應(yīng)的防范措施。

由勘探公司某鉆井隊(duì)承鉆的中蓬某井，短起井深5 104m靜止觀察時(shí)，大鉤負(fù)荷突然由2 248↓768kN，起鉆檢查發(fā)現(xiàn)5 1/2”鉆桿外螺紋斷，下部鉆具落井。中蓬某井為總包井，所用鉆具由西部鉆探庫爾勒管具技術(shù)服務(wù)分公司提供保障服務(wù)，鉆具發(fā)井前按照塔里木油田相關(guān)技術(shù)要求對(duì)鉆桿實(shí)施第三方檢測，本文分析了失效原因，并制定了相應(yīng)措施。

1 鉆井設(shè)計(jì)情況

地質(zhì)構(gòu)造：塔里木盆地塔中隆起塔中北斜坡塔中構(gòu)造帶，位于新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)民豐縣境內(nèi)，東距中古某井1.2km，西距塔中某井5.7km；設(shè)計(jì)井深：6 840m；井別：風(fēng)險(xiǎn)探井；井型：直井；承鉆井隊(duì)：勘探公司某隊(duì)。

2 事故經(jīng)過

2.1 發(fā)生經(jīng)過

2月4日3：30鉆至設(shè)計(jì)中完井深5 980m，打完，短起下、測后效、調(diào)整泥漿于2月5日15：30中完，后續(xù)進(jìn)行了通井、第一次電測、通井、第二次電測，刮壁稱重、通井等低扭和低泵壓中完施工作業(yè)。

2月13日14：00下鉆到底，21：00循環(huán)（排量36L/s、泵壓12MPa），23：30短起井深5 104m 處靜止。

至14日07：44（靜止觀察時(shí)，共靜止8h），大鉤負(fù)荷突然由2 248↓768KN，12：20起鉆至第67柱+2單根，從中單根外螺紋根部第二至三扣處斷裂，下部鉆具落井。

2.2 失效時(shí)鉆具組合

9 1/2”牙輪鉆頭+雙母接頭630*410+7”鉆鋌1 根+Ф239mm 螺旋扶正器+7”鉆鋌1根+Ф239mm 螺旋扶正器+7”鉆鋌13根+轉(zhuǎn)換接頭411*520+5 1/2”加重14根+5 1/2”鉆桿。

2.3 落魚組合

9 1/2”牙輪鉆頭*0.25m+雙母接頭630×410*0.75m+7”鉆鋌1根*9.34m+Ф239mm 螺旋扶正器*1.49m+7”鉆鋌1根*8.63m+Ф239mm 螺旋扶正器*1.43m+7”鉆鋌13根*116.66m+轉(zhuǎn)換接頭411×520*0.49m+5 1/2”加重14 根*130.71m+5 1/2”鉆桿*3 749.06m，落魚長：4 018.81m，理論魚頂位置：1 951.19m。

2.4 完鉆前鉆井參數(shù)

鉆壓60～80kN，轉(zhuǎn)速40+螺桿，泵壓15～17MPa，排量36L/min，泥漿密度1.20g/cm3無異常情況。

2.5 失效調(diào)查

2月14日，西部鉆探庫爾勒管具技術(shù)服務(wù)分公司得知中蓬*井鉆具失效信息后，立即展開調(diào)查，從報(bào)表及電話溝通得知該井前期無可能引起斷裂失效的任何異常復(fù)雜情況。

了解信息如下：失效鉆桿1月11日入井使用，2月11日電測完下刮壁管柱時(shí)進(jìn)行鉆具倒換，失效鉆桿由原據(jù)井口4 724m處倒換至距井口1 951m 處（失效后理論魚頂），且工程師反映失效鉆桿從未作為頂驅(qū)方替使用過。自入井至失效期間，無跳鉆、憋鉆等異?，F(xiàn)象，主要巖性為淺灰色灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，鉆井工況相對(duì)比較穩(wěn)定，完鉆井深5 970m，層位奧陶系鷹山組鷹3段中部，三開鉆進(jìn)施工中有油氣顯示，無其他復(fù)雜工況，與鉆井日志描述基本一致。

工程設(shè)計(jì)中提示：鄰井中古45（井距1.8km）、中古43等多口井在鷹二段氣測顯示活躍，并發(fā)生溢流、漏失等工程異常。塔中地區(qū)奧陶系-寒武系氣藏中普遍含有H2S，鄰區(qū)中古43井、中古45井在上奧陶統(tǒng)鷹二段及中深1井、中古58井寒武統(tǒng)均采取到H2S，要求控制好密度，盡量保持近平衡鉆井，控壓前加入不少于2%的除硫劑，加強(qiáng)H2S 檢測與防護(hù)，注意預(yù)防中毒！

本井鉆至鷹二段氣測活躍，且在井深5 489m 發(fā)生井漏；本井鉆進(jìn)中實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井液中除硫劑含量，及時(shí)補(bǔ)充保證了鉆井液中有足夠除硫劑，鉆井日志未顯示地面監(jiān)測到過H2S。根據(jù)氣體的特性，不排除少量氣體通過巖屑?xì)猓脫Q氣和擴(kuò)散氣方式進(jìn)入井筒。

3 失效鉆桿斷口描述

斷口距外螺紋根部17～24mm，觀察螺紋密封面完好，斷裂面平整斷面約2/5平滑，螺紋牙底存在局部棘輪花樣和月牙狀疲勞平臺(tái)，該處為裂紋起裂源，在旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力作用下快速擴(kuò)展發(fā)育。斷面約3/5的脆性斷裂花樣可能是最后剩余截面在應(yīng)力腐蝕反應(yīng)下，屈服強(qiáng)度顯著下降，遠(yuǎn)小于拉應(yīng)力下的脆斷（拉應(yīng)力指下部鉆具重量）。

4 失效鉆桿基本情況

外螺紋斷裂5 1/2″鉆桿，西鉆庫爾勒管具公司組織；鋼號(hào)：GPAS172409DH，格蘭特生產(chǎn)，2017 年進(jìn)貨。歷史上曾在TH12450、TH10383、KeS13-3 等井使用；KeS13-3 純鉆時(shí)間約1 000h、進(jìn)尺約4 000m，回收后根據(jù)檢修標(biāo)準(zhǔn)未進(jìn)行修扣，送井時(shí)一級(jí)，磁粉探傷檢測合格，1月9日發(fā)井前按要求安排第三方隨機(jī)取樣30%磁粉探傷檢測均合格。1月14日入井，2月13日提鉆至套管內(nèi)靜止（組織停工等電測），2月14日靜止期間突然斷裂（靜止期間未開泵、上提下放或旋轉(zhuǎn)），本井累計(jì)純鉆247.5h，進(jìn)尺825m。

5 失效原因分析

初步分析失效原因?yàn)橹饕獮槠诜e累擴(kuò)展+應(yīng)力腐蝕延滯斷裂。

1）從失效斷口看，平坦區(qū)占斷面的2/5，螺紋牙底局部存在棘輪狀疲勞花樣、海灘狀腐蝕進(jìn)展花樣，是典型的應(yīng)力集中導(dǎo)致起裂源，在彎扭應(yīng)力的交互作用下呈一定的快速擴(kuò)展形態(tài)。失效的主因是鉆具疲勞，疲勞條帶明顯，說明承受應(yīng)力高，裂紋擴(kuò)展比較快，分析可能是前期在山前井使用后存在疲勞積累，導(dǎo)致疲勞起裂。

2）該規(guī)格鉆桿接頭內(nèi)徑由88.9mm 增大至101.6mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)為了增加抗拉強(qiáng)度，壁厚由9.17mm 增加到10.54mm，導(dǎo)致管體剛性增加，外螺紋水眼增大，導(dǎo)致抗彎截面模量減小，在鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中外螺紋危險(xiǎn)截面承受彎曲應(yīng)力增加，加快了外螺紋的開裂和裂紋擴(kuò)展，該情況在5 7/8″V150鉆桿外螺紋失效中也有體現(xiàn)。

3）從失效前的工況情況結(jié)合斷口特征上分析，可能存在一定拉應(yīng)力下疲勞裂紋尖端區(qū)應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致的延滯斷裂。應(yīng)力腐蝕必然伴隨有氫的析出（鉆桿本體的工廠缺陷，也不排除是少量地層氣體），在應(yīng)力腐蝕和氫蝕交互作用下裂紋將以越來越快的速度向縱深擴(kuò)展，最終從疲勞裂紋發(fā)展到延滯斷裂，靜止無外力作用下脆斷（僅自身下部重力），具體分析如下：

造成金屬疲勞斷裂的周期應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載荷下材料的抗拉強(qiáng)度低，金屬對(duì)循環(huán)和周期性的載荷較為敏感，單一方向的靜載不產(chǎn)生疲勞積累，超過屈服強(qiáng)度通常表現(xiàn)為韌性斷裂，失效鉆具在僅自身下部重力且無任何外力的情況下脆斷，脆斷斷口約占斷面的3/5，故失效鉆具應(yīng)該不單純的是疲勞斷裂。

完鉆后經(jīng)歷2次通井和電測，刮壁結(jié)束后又再次通井下鉆時(shí)（歷時(shí)約10d），將該鉆桿從距井口4 724m 倒換至1 951m，處理好井筒后起鉆靜止，鉆桿失效部位所處位置由距井口1 951m 起鉆至1 081m；（井深4 724m，井溫95～100℃，1 951m井溫50～60℃，1 081m 井溫約30℃），氫的應(yīng)力腐蝕特點(diǎn)是在25℃左右金屬被破壞的速度最快，當(dāng)溫度超過93℃時(shí)不會(huì)發(fā)生氫的應(yīng)力腐蝕，從失效鉆桿所處井深的變化而導(dǎo)致的溫度變化來看，氫反應(yīng)活性由極低水平突增到非常活躍的水平，失效鉆具鋼級(jí)S135，屬高強(qiáng)度鋼，在KI/KIC 比值較小時(shí)，氫有充分的機(jī)會(huì)起作用，在一定溫度范圍（30℃），恒載（下部鉆具重量1 480kN）經(jīng)歷孕育、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展、最終導(dǎo)致剩余截面材料的屈服強(qiáng)度突降，不足承載下部鉆具重力而發(fā)生突然的脆性斷裂，故僅在恒定拉應(yīng)力（無彎扭交變載荷應(yīng)力）作用下瞬斷，且瞬斷區(qū)呈脆性花樣，與氫致延滯斷裂跡象吻合；

另一方面解釋了為什么鉆具在前期鉆進(jìn)有較大扭矩（泵壓未見異常）和提鉆有掛卡現(xiàn)象時(shí)均未失效斷裂，反而在完鉆后中完作業(yè)的10d，經(jīng)歷相對(duì)非常良好的工況（起下鉆、循環(huán)泵壓均未見異常），完全靜止8h 后，在無任何操作和其他變化的情況下突然發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象。

6 預(yù)防措施

1）立即對(duì)該井鉆具全套更換，并進(jìn)一步加強(qiáng)外協(xié)鉆具質(zhì)量監(jiān)管，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)管理人員和承包商員工的培訓(xùn)和評(píng)估，嚴(yán)格落實(shí)質(zhì)量管控措施，確保送井質(zhì)量可靠。

2）監(jiān)督落實(shí)外協(xié)單位控制該類鉆桿的使用，并在今后的檢維修過程中強(qiáng)化該類鉆桿外螺紋的強(qiáng)制修扣管理，特別是在山前井使用過的，及時(shí)消除疲勞積累。

3）進(jìn)一步梳理檢維修作業(yè)文件，細(xì)化完善工作流程和作業(yè)要求，明確作業(yè)步驟。

4）提示使用方按照推薦扭矩上扣，鉆井期間做好鉆具倒換和錯(cuò)扣應(yīng)力釋放，不定期的監(jiān)督檢查使用方現(xiàn)場鉆具的管理和使用，及時(shí)溝通反饋。

5）在今后的鉆桿訂貨中優(yōu)化外螺紋水眼和管體的匹配，避免追求某方面的性能產(chǎn)生其他方面的負(fù)面影響。