API應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)配合接頭在鉆井中的使用

張建中，田 波，杜 松

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

1 發(fā)生經(jīng)過

2021 年8 月29 日3:04，地處塔北項(xiàng)目部一開發(fā)水平井銑錐磨銑修窗至井深5563.71m（鉆壓5t，排量28L/s，泵壓16.5MPa）上提鉆具懸重由 198t↑209t（未提開，上提過程中泵壓由16.5↓15.7MPa）；下放鉆具開頂驅(qū)，扭矩3.8kN·m，降排量至18L/s 后再次提排量至28L/s（泵壓由15.7↓8.4↑13.7MPa），4:10起鉆檢查鉆具，8 月 30 日 12:00 起鉆完，發(fā)現(xiàn)距 411*NC52T 母轉(zhuǎn)換接頭母扣端面以下約105mm處斷裂。

2 鉆井設(shè)計(jì)情況及鉆井過程

（1）鉆井地質(zhì)情況：該井位于塔北隆起哈拉哈塘凹陷北部的輪南低凸起東河塘斷裂背斜構(gòu)造帶上，遇地層從新到老依次為新生界第四系、新近系、古近系，中生界白堊系、侏羅系、三疊系，古生界石炭系、志留系、奧陶系，主要含油氣層系為侏羅系和石炭系。

（2）鉆井設(shè)計(jì)基本情況：設(shè)計(jì)井深6408/5776.85m（斜深/垂深），開發(fā)井，水平井。

（3）鉆井過程如表1所示。

表1 鉆井過程

①失效時(shí)鉆具組合：?216mm銑錐+?172mm轉(zhuǎn)換接頭（411*NC52T母）+5″非標(biāo)加重15柱+5″非標(biāo)鉆桿。

②落魚結(jié)構(gòu)：?216mm銑錐（1.23m）+?172mm轉(zhuǎn)換接頭（0.84m），魚長(zhǎng)：2.07m，理論魚頂：5561.64m。

③轉(zhuǎn)換接頭失效前鉆井參數(shù)：鉆壓40～60kN，轉(zhuǎn)速50r/min，排 量 28L/s，泥 漿 密 度 1.27g/cm3；泵 壓16.5MPa，扭矩6～18kN·m。

3 斷口描述

失效接頭在鉆柱中距離井口5563.71m，在螺紋上發(fā)現(xiàn)沒有加工API 應(yīng)力減輕槽，斷口距離轉(zhuǎn)換接頭母扣端面以下90～113mm（接頭有效長(zhǎng)度970mm）（見圖1），即內(nèi)螺紋根部第二扣與第三扣之間，斷口外徑172mm 內(nèi)徑118mm ,斷口3/5 端面均有明顯沖蝕刺痕，有大面積的裂縫產(chǎn)生，瞬斷區(qū)約占2/5，剪唇區(qū)高25mm（見圖2），長(zhǎng)50mm；宏觀斷口判斷為應(yīng)力累積大面積刺穿斷裂斷口。

圖1 斷面?zhèn)让鎴D

圖2 斷裂處剖面

4 失效接頭基本情況

失效?172mm 轉(zhuǎn)換接頭（411*NC52T），鋼號(hào)2005-1225，生產(chǎn)廠家是油田優(yōu)選的轉(zhuǎn)換接頭生產(chǎn)廠商,近幾年油田生產(chǎn)轉(zhuǎn)換接頭市場(chǎng)占有率超50%,責(zé)任失效0起。失效接頭于2020 年7月入網(wǎng)，全新接頭（曾發(fā)GL-303H井未用）；本次送井前超聲、磁粉探傷均合格，該轉(zhuǎn)換接頭本井累計(jì)連續(xù)入井7 次，1 次通井，2 次送入斜向器，4 次直連不同銑錐開窗磨銑作業(yè)，累計(jì)使用時(shí)間294h（純鉆時(shí)間56h，進(jìn)尺4.71m）。

5 失效原因分析

根據(jù)失效轉(zhuǎn)換接頭在井底鉆具組合中位置，結(jié)合失效前鉆井參數(shù)，此接頭此時(shí)在提供鉆壓，受高頻交變彎扭應(yīng)力，且此接頭沒有應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)，根據(jù)宏觀斷口判斷為銑錐與轉(zhuǎn)換接頭在斜井段長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，高頻交變彎扭交變應(yīng)力作用下使之應(yīng)力累積產(chǎn)生微裂紋，在沒有應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)情況下微裂紋繼而擴(kuò)展為裂縫而刺穿，大面積刺穿到約60%斷口總面積時(shí)，上提噸位到209t后，下放泵壓下降，剩余40%連接不足以提供所需拉力，接頭斷裂失效。

磨銑作業(yè)處井斜為15°，井底斜向器4°，服役工況惡劣，失效接頭作業(yè)處彎扭應(yīng)力集中,對(duì)失效接頭本體外表面磁粉探傷可見密集型橫向磁痕顯示（見圖3）。

圖3 失效接頭磁痕顯示

失效主要原因分析如下：

（1）XX石油技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司提供開窗側(cè)鉆服務(wù)，其施工方案及鉆具組合，提供的銑錐螺紋未加工應(yīng)力分散槽，且未提供與之配套的轉(zhuǎn)換接頭。

（2）使用方錯(cuò)誤地使用了未帶應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換接頭（411*NC52T），這違反了《鉆具現(xiàn)場(chǎng)管理與使用手冊(cè)》中所及條款“接頭外徑158mm 及以上規(guī)格采用應(yīng)力槽（方鉆桿保護(hù)接頭除外）”。

（3）該轉(zhuǎn)換接頭自使用至斷裂失效，本井連續(xù)入井7次，累計(jì)入井使用時(shí)間294h，后4次均為更換銑錐，但未更換該轉(zhuǎn)換接頭，且該轉(zhuǎn)換接頭無應(yīng)力減輕機(jī)構(gòu)，自造斜點(diǎn)5559m 磨銑至5563.71m，進(jìn)尺約4.71m，純鉆56h，磨銑開窗長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，高頻壓應(yīng)力及高頻彎扭交變應(yīng)力使螺紋連接處應(yīng)力快速集中產(chǎn)生微裂紋進(jìn)而刺穿斷裂失效（本體外表面磁粉探傷可見密集型橫向微裂紋），見熒光磁粉探傷圖。

總結(jié)：統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示塔里木油田類似開窗作業(yè)較一般鉆井作業(yè)工況復(fù)雜，窗口附近工器具服役工況較為惡劣，開窗井在窗口附近失效斷裂比例相對(duì)常規(guī)作業(yè)大得多，其本質(zhì)還是連接螺紋部位的交變彎曲應(yīng)力集中引起的，怎樣減低螺紋交變彎曲應(yīng)力引起應(yīng)力集中，延長(zhǎng)螺紋壽命，有沒有解決的方法，在螺紋上加工應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)就是一個(gè)有效方法，目前塔里木油田使用的有API 應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)、TLM 應(yīng)力減輕槽和LET應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)，在這三種應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)的實(shí)用效果，API的應(yīng)力釋放效果較好；在新版《塔里木油田鉆工具管理與使用辦法》中所及應(yīng)力槽加工條款“鉆井用5”及以下規(guī)格鉆鋌螺紋用于定向井等斜井段的應(yīng)采用API應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)，這次失效事故主要原因除去工藝方面因素，洗錐和配合接頭的螺紋加工都沒有API 應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)，建議今后對(duì)于這種彎扭交變應(yīng)力容易集中的作業(yè)，優(yōu)選或者加工API 應(yīng)力減輕機(jī)構(gòu)的工器具進(jìn)行作業(yè)，從而降低風(fēng)險(xiǎn)減少失效。

6 預(yù)防措施

（1）按照油田鉆工具管理和使用辦法要求，斜井段所用鉆鋌及轉(zhuǎn)換接頭應(yīng)采用應(yīng)力減輕槽，斜井段從事特殊工藝更應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行，使用方應(yīng)參考《塔里木鉆工具管理與使用辦法》中推薦的相關(guān)參數(shù)，避免造成鉆具失效事故。

（2）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)鉆具探傷排查和跟蹤，控制現(xiàn)場(chǎng)探傷和在井使用時(shí)間，特殊工藝井應(yīng)使用工具方組織提供接頭、工具螺紋與配合接頭螺紋必須加工API 應(yīng)力減輕結(jié)構(gòu)。

（3）持續(xù)加強(qiáng)基地的質(zhì)量管理，嚴(yán)格按螺紋修復(fù)和檢測(cè)要求做好質(zhì)控，確保送井鉆具質(zhì)量100%。

（4）除去鉆具加工和使用方面的原因外，特殊工藝井的施工方案和工藝的優(yōu)化也是降低鉆具失效的積極因素。