鉆具失效影響因素分析及規(guī)范管理對(duì)策＊

譚雷川

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川 成都 610051）

隨著川渝地區(qū)天然氣勘探開發(fā)的不斷深入，為了充分探明燈影組等深部氣藏情況，川渝地區(qū)鉆井規(guī)模日益增大，超深井?dāng)?shù)量逐年增多[1-3]。在鉆井過程中由于井眼軌跡復(fù)雜、鉆壓大、轉(zhuǎn)速高、環(huán)境苛刻，鉆具失效事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重制約了鉆井工程的安全性和可靠性，造成了嚴(yán)重的生產(chǎn)時(shí)效滯后和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。因此，對(duì)川渝地區(qū)超深井鉆具失效情況進(jìn)行分析研究，充分了解鉆具失效的機(jī)理和原因，制定相應(yīng)的防范措施，對(duì)提高鉆具使用壽命，預(yù)防井下復(fù)雜的發(fā)生，降低鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)有著十分重要的價(jià)值[5]。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

19 世紀(jì)60 年代開始，國外初步開展了金屬材料失效方面的探索，吸引了眾多的研究者[1-3]。進(jìn)入20 世紀(jì)，EWING 和BASQUIN 基于金屬材料失效的理論認(rèn)識(shí)，建立了金屬失效與疲勞系數(shù)的關(guān)系模型，該模型后來在鉆具力學(xué)失效分析中得到了廣泛的運(yùn)用。緊接著，開展了鉆井液腐蝕、金屬疲勞等對(duì)井下鉆具材質(zhì)的影響分析，認(rèn)為提高井下鉆具鋼級(jí)、降低鉆井液中腐蝕材料的含量可以有效地降低鉆具失效的概率。20世紀(jì)50 年代開始，研究者們開始從微觀上研究鉆具失效的機(jī)理，THOMPSON 通過大量的試驗(yàn)，認(rèn)為金屬疲勞裂紋的出現(xiàn)是失效的主要原因。HANSFORD 等將井身結(jié)構(gòu)質(zhì)量跟鉆具的工況相結(jié)合，認(rèn)為較大的狗腿度會(huì)導(dǎo)致鉆具在旋轉(zhuǎn)過程中受到交變應(yīng)力的影響。隨著鉆井行業(yè)的不斷發(fā)展，深井、超深井、大位移井涌現(xiàn)，復(fù)雜的井下工況使得鉆井工程對(duì)鉆具強(qiáng)度提出了更高的要求[4-5]。相關(guān)學(xué)者通過對(duì)鉆具接頭的疲勞失效進(jìn)行研究，認(rèn)為金屬材料內(nèi)部的非金屬夾雜物成分會(huì)影響鉆具的屈服強(qiáng)度、沖擊功等參數(shù)，不恰當(dāng)?shù)姆墙饘賷A雜物的比例會(huì)導(dǎo)致鉆具變脆、強(qiáng)度變?nèi)鮗6-8]。近年來，新型材料的研發(fā)，鉆具檢測手段、鉆具管理規(guī)范等方面的高速發(fā)展，大大提高了鉆井過程中井下鉆具的安全性和可靠性。研究者們還通過有限元建模來對(duì)井下鉆具的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，還原了三維空間下鉆具的實(shí)際受力形態(tài)，并考慮了鉆壓、扭矩、立壓等影響因素，全面分析了鉆具失效的原因。另外，在鉆具失效預(yù)防方面，平滑的井眼軌跡、鉆井參數(shù)的合理調(diào)配、鉆具探傷檢測等均可以有效降低鉆具失效的概率，而選擇合適的彎曲強(qiáng)度比和最佳緊扣扭矩、優(yōu)化鉆具組合等方法也可以有效延長井下鉆具的壽命[9-10]。

2 鉆具的失效情況概述

2.1 失效形式

川渝地區(qū)超深井鉆具失效形式主要發(fā)生在鉆具接頭處，占比川渝地區(qū)超深井鉆具失效總數(shù)的66.7%，此種失效主要以鉆桿、鉆鋌連接螺紋根部為主，表現(xiàn)為金屬合金材料的復(fù)合疲勞脆性斷裂。鉆具接頭的主要表現(xiàn)形式為刺漏，占比78.0%，表現(xiàn)為金屬合金材料產(chǎn)生縱向、橫向疲勞裂紋后受鉆具內(nèi)外壓差的影響被鉆井液刺穿。鉆具接頭刺漏已成為川渝地區(qū)超深井鉆具失效的主要矛盾。

2.2 失效尺寸

川渝地區(qū)鉆具失效尺寸集中發(fā)生在5 1/2″及5″鉆桿，占川渝地區(qū)鉆具失效數(shù)量的80%。鉆具失效呈明顯的“大鉆具、高負(fù)荷、高失效”特征。

2.3 失效層位

在淺井段的沙溪廟、自流井、涼高山、須家河層位（小于3 000 m）發(fā)生的鉆具失效次數(shù)較多，鉆具失效所在位置發(fā)生在井深小于3 000 m 的，占比64.1%；發(fā)生在井深大于3 000 m 的井，占比35.9%；失效鉆具發(fā)生的位置集中發(fā)生在鉆具中下部，占比57.2%；鉆具失效發(fā)生的井深與失效鉆具位置呈現(xiàn)明顯的“一深一淺”特征，即井深“深”，鉆具“淺”。

2.4 服役年限

服役年限大于3 年的鉆具失效占比63.4%，服役年限小于3 年的鉆具失效占比36.6%。服役年限大于3年的鉆具明顯出現(xiàn)失效集中爆發(fā)、負(fù)荷宏觀疲勞損壞的特征。

2.5 失效部位

鉆鋌失效基本發(fā)生在鉆壓動(dòng)態(tài)零應(yīng)力點(diǎn)、鉆頭及大小鉆鋌連接處的剛性過渡帶附近，約占鉆鋌失效總數(shù)的66.7%；鉆桿失效基本發(fā)生在與鉆鋌連接處的剛性過渡帶及井眼軌跡突變處，約占鉆桿失效總數(shù)的75%。

2.6 鉆井參數(shù)的影響

鉆壓對(duì)鉆具失效的規(guī)律不明顯，轉(zhuǎn)速范圍在60～79 r/min 鉆具可能發(fā)生了共振現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速大于等于80 r/min，鉆具可能發(fā)生了失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 鉆具失效原因分析

3.1 管理原因

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定執(zhí)行不到位

上卸扣操作不規(guī)范：個(gè)別井隊(duì)存在不按標(biāo)準(zhǔn)扭矩緊扣的問題，以小于規(guī)定的上扣扭矩上扣，不校準(zhǔn)大鉗精度。螺紋脂使用不規(guī)范：螺紋及臺(tái)肩面清潔不干凈，泡酸及堵漏后不及時(shí)清潔受污染的鉆桿，螺紋脂涂抹不均勻。鉆具錯(cuò)扣起鉆及倒換執(zhí)行不到位：個(gè)別井隊(duì)未執(zhí)行錯(cuò)扣起鉆，沒有按規(guī)定定期倒換鉆具。

3.1.2 現(xiàn)場技術(shù)管理落實(shí)不到位

鉆具失效未預(yù)警、操作不精細(xì)：個(gè)別井隊(duì)對(duì)鉆具失效的先期征兆發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，盲目操作導(dǎo)致鉆具落井故障。上扣情況無法追溯：部分井隊(duì)液氣大鉗未安裝扭矩儀，無法做到上扣扭矩的記錄查詢。

3.1.3 鉆具管理數(shù)字化程度不高

單根記錄卡片沒有相應(yīng)的檢維修信息，僅記錄鉆具分批管理的信息，缺少單根的獨(dú)立信息；鉆具使用記錄、探傷記錄、修理記錄分別記錄于不同的臺(tái)賬上，缺少統(tǒng)一的數(shù)字化管理平臺(tái)。

3.1.4 鉆具及專業(yè)人員配置不足

鉆具替換量不足：川渝地區(qū)深井超深井增多，對(duì)新、一級(jí)鉆桿的需求與現(xiàn)有可替換鉆桿的數(shù)量矛盾突出。檢維修專業(yè)人員不足：管子車工、檢驗(yàn)檢測等新生代專業(yè)化人員缺口較大，與鉆具檢維修質(zhì)量的需求矛盾突出。

3.2 技術(shù)原因

鉆柱接頭厚度較大，部分鉆柱接頭厚度接近管體2倍，剛性超過管體，韌性遠(yuǎn)低于管體，在狗腿度較大的井眼段，會(huì)超過其承受的臨界點(diǎn)而發(fā)生斷裂失效。另外，上扣扭矩不足，致使鉆桿公、母螺紋副臺(tái)肩在工作狀態(tài)下不停松緊扣，公螺紋在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷積累，加速螺紋中部疲勞產(chǎn)生裂紋和擴(kuò)展，不能承受高載荷而發(fā)生斷裂。

在處理卡鉆過程中，長時(shí)間劃眼，巖屑、砂橋磨損本體，壁厚減薄，鉆桿抗拉能力降低，加之大噸位上下活動(dòng)鉆具，疲勞累積，造成本體斷裂失效。同樣，上扣扭矩不足，接頭抗拉、抗扭能力降低，加之螺紋應(yīng)力集中、接頭主副臺(tái)肩清潔不到位等問題，導(dǎo)致接頭密封失效。

其他技術(shù)原因還包括因動(dòng)力鉗設(shè)備、鉆桿主副臺(tái)肩清潔、螺紋脂等原因未按照緊扣扭矩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，未按規(guī)定平穩(wěn)操作、堅(jiān)持使用對(duì)扣器，碰撞損傷鉆桿密封面，以及泡酸、泡解卡劑、堵漏作業(yè)后未及時(shí)清洗污染鉆桿。

4 鉆具規(guī)范管理對(duì)策

4.1 進(jìn)一步加強(qiáng)管理辦法宣貫，明確管控目標(biāo)，嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)規(guī)定

進(jìn)一步加強(qiáng)公司事故復(fù)雜、鉆具管理辦法宣貫，嚴(yán)格落實(shí)公司相關(guān)管理辦法要求，深入開展鉆具故障專項(xiàng)治理活動(dòng)，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為抓手，進(jìn)一步加強(qiáng)鉆具使用、檢測與維修管理；杜絕因人為盲目操作導(dǎo)致的有責(zé)鉆具落井故障。

4.2 完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，修訂公司鉆具技術(shù)管理規(guī)定

完善、細(xì)化鉆具使用、檢測與維修等全過程的管理制度，增加并完善“三器”（鉆具穩(wěn)定器、震擊器、減震器）管理及使用的內(nèi)容，加強(qiáng)鉆桿、鉆鋌等鉆具的倒換以及現(xiàn)場雙臺(tái)肩鉆具的使用管理等。加強(qiáng)對(duì)人員標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的宣貫和培訓(xùn)，組織開展公司鉆具技術(shù)管理培訓(xùn)，落實(shí)培訓(xùn)內(nèi)容和相關(guān)人員，有針對(duì)性地開展相關(guān)培訓(xùn)，做到“管鉆具的熟悉標(biāo)準(zhǔn)，用鉆具的熟悉規(guī)程”。

4.3 從設(shè)計(jì)入手，消除源頭隱患

綜合考慮接頭的剛度比、抗拉應(yīng)力等導(dǎo)致鉆具失效的因素，優(yōu)化完善不同規(guī)格鉆桿的接頭規(guī)范（主要是5 1/2″、5″和4″雙臺(tái)肩鉆桿接頭）。優(yōu)化鉆具尺寸選擇，對(duì)超深井綜合考慮水力學(xué)性能以及中上部鉆桿承受拉伸應(yīng)力大，鉆具尺寸原則上優(yōu)選5 7/8″鉆桿。

4.4 強(qiáng)化鉆具全生命周期的過程管控

4.4.1 管理層面

強(qiáng)化質(zhì)量管控，嚴(yán)格執(zhí)行鉆具出站質(zhì)量檢驗(yàn)制度，杜絕不合格鉆具送井；強(qiáng)調(diào)聯(lián)管聯(lián)責(zé)，鉆具公司加強(qiáng)對(duì)鉆具狀態(tài)和現(xiàn)場使用的全面掌控、把好檢測關(guān)；現(xiàn)場嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和要求，發(fā)生鉆具故障，使用和管理雙方要共同承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任；加強(qiáng)考核督察，加強(qiáng)工具使用過程中的質(zhì)量管控監(jiān)督，定期開展技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行情況檢查；加強(qiáng)事故調(diào)查，發(fā)生鉆具故障后，及時(shí)進(jìn)行調(diào)查，查清原因，嚴(yán)格處理。

4.4.2 執(zhí)行層面

嚴(yán)把現(xiàn)場驗(yàn)收關(guān)，要求提供第三方檢測報(bào)告、檢測曲線、設(shè)備使用記錄的證明文件，無相關(guān)資料不得入井；嚴(yán)把工具判廢關(guān)，減震器使用超過3 口井、返廠維修2 次執(zhí)行強(qiáng)制報(bào)廢，專人專崗進(jìn)行管理；加強(qiáng)工具新度控制，建立螺桿、震擊器等鉆具現(xiàn)場新度情況記錄，優(yōu)先使用全新螺桿鉆具；加強(qiáng)合同約束性，加強(qiáng)使用情況評(píng)價(jià)，細(xì)化投標(biāo)條件、合理控制合同份額，強(qiáng)化對(duì)造成故障的扣款條款執(zhí)行。

4.4.3 技術(shù)層面

進(jìn)一步優(yōu)化完善檢測標(biāo)準(zhǔn)，探索引入DS-1 鉆具檢測標(biāo)準(zhǔn)；強(qiáng)化鉆具使用技術(shù)管理，保證檢測記錄和曲線、上扣數(shù)據(jù)存檔記錄全覆蓋，做到可追溯；建立鉆具旋轉(zhuǎn)作業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫和判廢標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)倒換鉆具；嚴(yán)格督查鉆具檢驗(yàn)、探傷、維修和資料存檔，加強(qiáng)鉆具檢驗(yàn)質(zhì)量和維修質(zhì)量抽查；利用信息化手段，加強(qiáng)鉆具全生命周期管理。

4.5 加強(qiáng)現(xiàn)場鉆具使用管理

現(xiàn)場鉆具使用遵循“三個(gè)必須”的原則：上扣扭矩必須滿足廠家推薦的上扣扭矩要求，鉆具接頭必須清洗主副臺(tái)肩端面，必須按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用絲扣油。

加快扭矩記錄儀的配套，全面覆蓋超深井、重點(diǎn)井及復(fù)雜井：新購液氣大鉗全部配備扭矩儀配置，包括更新自動(dòng)化鉆機(jī)配置液氣大鉗；正作業(yè)的深井、超深井使用4″雙臺(tái)肩鉆桿必須配備扭矩記錄儀。

4.6 加強(qiáng)鉆具檢測管理

明確現(xiàn)場鉆具探傷方式，定期對(duì)鉆鋌、井下工具進(jìn)行超聲波探傷；明確鉆具質(zhì)量檢測和失效分析要求。新鉆具使用前應(yīng)檢測，發(fā)生故障的鉆具原則上開展全面失效分析；購買或租賃多套井口隨（起下）鉆漏磁檢測裝置以滿足探傷要求。但目前鉆桿加厚過渡帶、鉆工具螺紋仍需要人工超聲波裝置檢測，建議調(diào)研并引進(jìn)加厚過渡帶、螺紋的電磁探傷儀器，能利用起下鉆進(jìn)行探傷，機(jī)器判別，提高缺陷識(shí)別度和結(jié)果可靠性。

4.7 強(qiáng)化鉆具檢維修管理

雙臺(tái)肩鉆具必須使用數(shù)控車床維修，以滿足加工精度的要求。站內(nèi)鉆具出廠使用漏磁檢測裝置檢測管體，以滿足鉆具檢測的基本要求。推廣鉆具螺紋輕便式清理工具的使用，尤其是對(duì)副臺(tái)肩面的清理。

5 結(jié)束語

川渝地區(qū)超深井鉆具失效形式主要發(fā)生在鉆具接頭部位，表現(xiàn)為金屬合金材料產(chǎn)生縱向、橫向疲勞裂紋后受鉆具內(nèi)外壓差的影響被鉆井液刺穿。

管理技術(shù)手段、工作環(huán)境和鉆井工況是影響鉆具失效的主要因素。

為有效預(yù)防鉆具失效，應(yīng)做好以下幾點(diǎn)工作：嚴(yán)格鉆具管理辦法宣貫，完善公司鉆具技術(shù)規(guī)范，狠抓設(shè)計(jì)源頭，強(qiáng)化鉆具全生命周期的過程管控，加強(qiáng)現(xiàn)場鉆具使用管理，加強(qiáng)鉆具檢測管理，強(qiáng)化鉆具檢維修管理。