油田鉆具失效原因及解決對(duì)策研究

李從東

川慶鉆探國(guó)際工程公司 四川 成都 610000

石油是國(guó)家極其重要的戰(zhàn)略資源，我國(guó)的石油資源一般分布在裂谷型盆地以及海上的沉積盆地之中。復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境分布導(dǎo)致石油開(kāi)采中鉆井成為關(guān)鍵工作之一，油田鉆井是開(kāi)發(fā)石油能源的第一步，其作業(yè)效率決定了整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的順利與否。鉆具作為鉆井機(jī)械的重要組成部分，其質(zhì)量和組合的科學(xué)性決定了鉆井效率。然而隨著我國(guó)石油開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的油田被開(kāi)發(fā)出來(lái)，隨之而來(lái)的鉆具的工作環(huán)境變得更加多樣化和復(fù)雜化，鉆具在作業(yè)中的難度也隨之提升，鉆具失效的情況也越來(lái)越常見(jiàn)。鉆具失效給鉆井工作帶來(lái)很多影響，也給油田開(kāi)采帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失，近年來(lái)一些因?yàn)殂@具失效帶來(lái)的鉆井重鉆、側(cè)鉆現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，在影響了工程進(jìn)度的同時(shí)，還可能造成重大的安全事故。由此可見(jiàn)通過(guò)對(duì)鉆具失效事故進(jìn)行分析，探尋油田鉆具實(shí)現(xiàn)的原因并找到相應(yīng)的解決對(duì)策對(duì)石油開(kāi)采工作十分必要，因此系統(tǒng)分析總結(jié)了油田鉆具的失效原因，對(duì)油田鉆具管理提出了自己的見(jiàn)解，希望能對(duì)廣大一線(xiàn)工作者有所幫助。

1 油田鉆具失效原因總結(jié)分析

由于油田鉆井的場(chǎng)所處于地下，操作人員很難完整的觀(guān)察到鉆具的工作過(guò)程和工作狀態(tài)，鉆具是否失效或者工作狀態(tài)不佳等情況只有在發(fā)生事故后才能知道，由此給鉆具造成的傷害一般是無(wú)法彌補(bǔ)的，這種情況嚴(yán)重影響了石油開(kāi)采工作的整體進(jìn)程，因此我們必須深度探尋鉆具失效的內(nèi)在原因，并找到實(shí)用的措施來(lái)預(yù)防和減少鉆具失效事故的發(fā)展，提高鉆井工作效率。通過(guò)常見(jiàn)的鉆具失效事故和有關(guān)資料分析，筆者總結(jié)了一下幾種鉆具失效原因：

1.1 鉆具斷裂導(dǎo)致鉆具失效

鉆具斷裂導(dǎo)致鉆具失效最常見(jiàn)的原因之一，鉆具是由方鉆桿、鉆桿、鉆挺、各種接頭和鉆頭組成的有機(jī)整體，導(dǎo)致鉆具斷裂的主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）疲勞斷裂。疲勞斷裂是指鉆具使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致鉆具使用壽命到期導(dǎo)致的斷裂，疲勞斷裂往往發(fā)生在鉆具螺紋之上，由于鉆具的螺紋的硬度相對(duì)于鉆具主體來(lái)講較小，而螺紋卻是直接受力的部分，長(zhǎng)久使用中其經(jīng)受的壓力也是最大的，給整個(gè)鉆井過(guò)程帶來(lái)巨大動(dòng)力的同時(shí)也讓整個(gè)鉆具的應(yīng)力不平衡，導(dǎo)致螺紋經(jīng)常會(huì)發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致鉆具失效[1]。

（2）過(guò)載斷裂。過(guò)載斷裂是指鉆具承受應(yīng)力超過(guò)其最大承受能力而發(fā)生的斷裂，過(guò)載斷裂一般是由操作員不當(dāng)?shù)男袨閷?dǎo)致的。由于鉆井的環(huán)境一般比較惡略，鉆具經(jīng)常會(huì)遇到礫石層、軟硬夾層等復(fù)雜地質(zhì)，很容易引起憋鉆、跳鉆的情況出現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員如果強(qiáng)行拖拽、按壓或拔起鉆具，外力施加會(huì)導(dǎo)致鉆桿的承受力超過(guò)極限而發(fā)生斷裂。

（3）低應(yīng)力斷裂。低應(yīng)力斷裂是受到鉆具鉆桿材質(zhì)影響和操作影響而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。鉆井是一個(gè)需要多元件協(xié)同參與的過(guò)程，在鉆井中鉆具受到的力是不規(guī)則的，合格的鉆井方式是讓鉆具每次受到的力都在其最大承受范圍之內(nèi)，但受到鉆具材料的影響，鉆具的最大承受力不同或承受力下降過(guò)快就會(huì)導(dǎo)致在其受力過(guò)大時(shí)極容易發(fā)生低應(yīng)力斷裂。

（4）氫脆斷裂。氫脆斷裂主要是由于鉆具與鉆井中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的斷裂，由于在鉆井過(guò)程中鉆頭不停向下，導(dǎo)致氫化物與鉆具發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致。由于鉆具是由鋼打造而成，氫與鋼材之間會(huì)發(fā)生氫脆反應(yīng)，導(dǎo)致鋼的塑性下降而脆性升高，鉆具長(zhǎng)時(shí)間工作下極容易發(fā)生氫脆斷裂。

1.2 鉆具損傷導(dǎo)致鉆具失效

鉆具損傷主要包括了鉆具表面損傷、鉆具腐蝕性損傷和鉆具機(jī)械損傷三種，鉆具表面主要是指鉆具螺紋在鉆井過(guò)程中與巖層發(fā)生劇烈摩擦導(dǎo)致的磨損，導(dǎo)致螺紋容易出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致鉆具損傷；鉆具腐蝕性損傷是指鉆具在鉆井過(guò)程中會(huì)與井中的含有的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得鉆具表面出現(xiàn)嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的鉆具表面產(chǎn)生損傷；鉆具機(jī)械損傷主要是指鉆具在儲(chǔ)存、搬運(yùn)等過(guò)程中發(fā)生的磕碰或者在鉆井施工中發(fā)生的重大碰撞導(dǎo)致鉆具發(fā)生的損傷[2]。

1.3 鉆具受力支撐斷裂導(dǎo)致鉆具失效

鉆柱是整個(gè)鉆具的重要應(yīng)力點(diǎn)，由于鉆井工作是一個(gè)長(zhǎng)期且重復(fù)的工作，鉆具在深入鉆井工作中會(huì)讓鉆柱承受大量的作用力，如果長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)會(huì)導(dǎo)致鉆柱出現(xiàn)一定程度的裂紋，從而讓鉆柱出現(xiàn)疲勞狀況，一旦出現(xiàn)這種情況，在鉆井過(guò)程中極容易出現(xiàn)鉆桿受力過(guò)強(qiáng)而斷裂的情況，從而引發(fā)鉆具失效。

1.4 鉆具變形導(dǎo)致鉆具失效

鉆具變形主要是指鉆具在經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間超越材料極限應(yīng)力的情況下產(chǎn)生變形的情況，鉆具中有幾個(gè)部分極容易產(chǎn)生變形，其中有鉆桿、鉆桿接頭、鉆具螺紋等部位。如果鉆具出現(xiàn)變形，就會(huì)導(dǎo)致在高強(qiáng)度的工作中容易發(fā)生斷裂導(dǎo)致鉆具失效。

2 鉆具失效防治對(duì)策

從現(xiàn)階段總結(jié)的鉆具失效原因中我們可以看出，造成鉆具失效的原因主要集中在人為因素、鉆井工作流程和鉆具養(yǎng)護(hù)三個(gè)方面，在預(yù)防鉆具失效對(duì)策研究中我們也應(yīng)該以這幾個(gè)方面為主。

2.1 規(guī)范鉆具參數(shù)和使用的管理

規(guī)范鉆具各個(gè)部件的參數(shù)首先要做的就是保證鉆具各個(gè)部分的質(zhì)量，使用高疲勞度的鉆具材料和先進(jìn)技術(shù)，減少鉆具失效情況發(fā)生。

（1）鉆鋌質(zhì)量保障。現(xiàn)階段很多鉆鋌斷裂的原因就是其質(zhì)量不合格導(dǎo)致的，因此在鉆井工作開(kāi)展之前要嚴(yán)格對(duì)鉆鋌規(guī)格、材質(zhì)等方面進(jìn)行細(xì)致檢查，將不合格的鉆鋌剔除，選擇質(zhì)量好的鉆鋌補(bǔ)充進(jìn)來(lái)。在鉆鋌的選擇中一定要注意檢查鉆鋌的各項(xiàng)參數(shù)和工藝。首先鉆鋌的尺寸選擇要以最新的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格審查，依據(jù)不同規(guī)格、地形的油田來(lái)選擇鉆鋌標(biāo)準(zhǔn)[3]。例如美國(guó)的API SPEC7-1標(biāo)準(zhǔn)中，要求了鉆鋌的壁厚差必須小于或等于公稱(chēng)壁厚的百分之十二，直線(xiàn)度偏差涉及到全長(zhǎng)時(shí)不應(yīng)該超過(guò)0.52mm/m，涉及到鉆鋌兩端兩米內(nèi)的不應(yīng)該超過(guò)2mm。其次鉆鋌的外觀(guān)也要進(jìn)行嚴(yán)格的審查，鉆鋌的形狀有圓柱形和螺旋形兩種，在審查中要重點(diǎn)關(guān)注鉆鋌的表面是否有明顯損傷，例如裂紋、褶皺、疤痕等情況，嚴(yán)格按照鉆鋌標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審查。最后是鉆鋌的材質(zhì)檢查。鉆鋌一般采用合金鋼材制成，鋼材的化學(xué)成分中硫和磷含量要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，其含量不得超過(guò)0.025%，鋼材要選擇整體熱軋或鍛造坯料機(jī)械加工成型。鉆鋌到達(dá)后要進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械性能測(cè)試，確保鉆鋌的質(zhì)量合乎相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）鉆桿質(zhì)量保障。鉆桿的選擇也需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量審核，首先是規(guī)格尺寸、鉆桿接頭的同軸度等參數(shù)要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行檢查，保證在鉆井過(guò)程中鉆桿的平穩(wěn)工作。其次對(duì)鉆桿的焊接外觀(guān)進(jìn)行詳細(xì)的檢查，確定是否存在凸起或者截面突變的情況，防止在工作中出現(xiàn)應(yīng)力集中等情況。然后對(duì)鉆桿的整體外觀(guān)進(jìn)行檢查，鉆桿的直度、壁厚度、內(nèi)外涂層等方面不得存在彎曲的現(xiàn)象出現(xiàn)，對(duì)其關(guān)鍵部分要施加防腐蝕處理，避免氫脆斷裂的產(chǎn)生。最后是鉆桿螺紋檢查，螺紋是連接鉆桿和其他部位的重要部位，一旦鉆桿螺紋出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)影響整個(gè)鉆具的安裝和拆卸，因此要細(xì)致檢查螺紋是否有磨損、變形的情況發(fā)生，對(duì)螺紋進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的處理，像加油防護(hù)、磷化等方式保證螺紋不被腐蝕。

（3）鉆井參數(shù)的分析。鉆井參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速和鉆壓兩個(gè)方面。從機(jī)械角度來(lái)看，提高鉆井參數(shù)會(huì)極大程度的提高鉆井效率，但面對(duì)復(fù)雜的井下環(huán)境和相關(guān)力學(xué)來(lái)看，當(dāng)鉆壓增高時(shí)，鉆具底部承受的壓力也會(huì)增大，從而導(dǎo)致鉆具產(chǎn)生彎曲變形的風(fēng)險(xiǎn)，假如鉆具出現(xiàn)彎曲變形，鉆具就會(huì)承受不同方向的力而形成交變載荷，導(dǎo)致鉆具的壓力會(huì)變大。鉆具底部的鉆鋌作為承受交變載荷最大的部位，就會(huì)容易產(chǎn)生疲勞斷裂的可能。而轉(zhuǎn)速的增大也會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)鉆具承受更多的交變載荷次數(shù)更多，造成疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)更大，通過(guò)研究表明鉆速在超過(guò)每分鐘90轉(zhuǎn)時(shí)，鉆鋌發(fā)生斷裂的可能性也會(huì)增大，除此之外，高轉(zhuǎn)速下極易引發(fā)鉆具共振，共振會(huì)產(chǎn)生高頻率的應(yīng)力，在鉆具裂紋的時(shí)候極易產(chǎn)生擴(kuò)大作用，大大降低了鋼材的韌性。由此可見(jiàn)較低的鉆井參數(shù)會(huì)極大程度的延長(zhǎng)鉆具的使用時(shí)間，挑選合適的鉆頭，進(jìn)行井眼實(shí)際測(cè)試，找到在鉆井過(guò)程中鉆具的震動(dòng)規(guī)律。例如跳鉆情況十分嚴(yán)重的時(shí)候就證明扭矩變化相對(duì)較小，在鉆井中就要加大鉆壓并減小轉(zhuǎn)速；而遇到憋鉆情況嚴(yán)重的時(shí)候就要減小鉆壓增大轉(zhuǎn)速，借此減少鉆井過(guò)程中的共振情況[4]。我們要及時(shí)總結(jié)鉆井參數(shù)的設(shè)置，最大限度的減少鉆具的共振，借此也可以減少在鉆井過(guò)程中的憋鉆、跳鉆的持續(xù)時(shí)間，減少鉆具疲勞斷裂的情況產(chǎn)生。

2.2 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理規(guī)范

鉆具失效是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)管理中要以科學(xué)的手段來(lái)使用和管理鉆具，在保證鉆具整體質(zhì)量的同時(shí)，減少鉆具的失效頻率。具體可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善：

（1）建立鉆具使用規(guī)范。鉆井全程要建立起細(xì)致的工作規(guī)范，依據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)你@井流程來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)。首先在鉆具出廠(chǎng)、運(yùn)輸、存放等過(guò)程建立起完善的制度，技術(shù)人員在鉆具出廠(chǎng)前進(jìn)行細(xì)致的質(zhì)量檢查，對(duì)于一些精密的元件采用專(zhuān)門(mén)的包裝進(jìn)行運(yùn)輸，鉆具到達(dá)后對(duì)鉆具進(jìn)行分類(lèi)儲(chǔ)藏，鉆具擺放不能超過(guò)五層，防止累計(jì)質(zhì)量過(guò)大導(dǎo)致鉆具變形。其次在鉆具安裝時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作。在鉆具上扣、緊扣之前要將扣紋細(xì)致的清理干凈，并按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行操作，上扣時(shí)大鉗不得在鉆桿上施加力，避免螺紋出現(xiàn)損傷，現(xiàn)場(chǎng)必須攜帶護(hù)絲，保證緊扣能夠達(dá)到相關(guān)規(guī)范的扭矩，螺紋密封脂也要在市場(chǎng)上進(jìn)行細(xì)致的調(diào)研，選擇效果較好的密封脂。

（2）建立鉆具組合優(yōu)化制度。鉆具組合優(yōu)化能夠有效減少鉆具接頭處產(chǎn)生應(yīng)變力的集中，從而減少鉆具疲勞損傷。因此在鉆井工作開(kāi)展之前，要對(duì)鉆井進(jìn)行細(xì)致的參數(shù)檢查，保證鉆具在進(jìn)入鉆井時(shí)鉆具的受力中心點(diǎn)不在接頭處；另外在每個(gè)鉆井工作開(kāi)展之前都要重新組合鉆具，嚴(yán)禁出現(xiàn)鉆井相似就選擇相同的鉆具組合的情況出現(xiàn)。例如在遇到地質(zhì)較復(fù)雜的時(shí)候，鉆具在鉆井中容易出現(xiàn)憋、跳鉆的情況，那么我們?cè)阢@具組合時(shí)就可以在底部增加減震裝置，減少鉆具震動(dòng)帶來(lái)的疲勞損傷；在實(shí)際工作中要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井內(nèi)震動(dòng)、狀態(tài)等參數(shù)，不斷優(yōu)化鉆具的組合方式，盡可能地減少鉆具疲勞、超越材質(zhì)極限的損傷出現(xiàn)[5]。

（3）建立鉆具管理制度。企業(yè)有必要建立起專(zhuān)門(mén)的鉆具管理部門(mén)，從鉆具的出廠(chǎng)到入庫(kù)出庫(kù)全過(guò)程進(jìn)行細(xì)致管理。首先建立起鉆具標(biāo)識(shí)制度，建立起鉆具庫(kù)房存儲(chǔ)卡片，在對(duì)鉆鋌和鉆桿進(jìn)行嚴(yán)格的檢查后為其建立起單獨(dú)的號(hào)碼。在鉆井工作開(kāi)始之前就做出相應(yīng)的鉆具元件使用計(jì)劃，在鉆井工作開(kāi)始之前按照計(jì)劃對(duì)鉆具元件進(jìn)行全面檢查，按照各個(gè)元件的使用強(qiáng)度提前進(jìn)行探傷或分段探傷監(jiān)測(cè)，確保鉆具在使用之前是符合施工條件的，如果鉆井工作開(kāi)展的時(shí)間很長(zhǎng)的話(huà)，要嚴(yán)格按照鉆具的檢測(cè)周期進(jìn)行檢測(cè)對(duì)過(guò)期鉆具及時(shí)更換。其次在鉆具領(lǐng)用和現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)建立起相關(guān)制度，鉆具的領(lǐng)取要合乎規(guī)范，保證鉆具檔案數(shù)據(jù)有跡可循。在進(jìn)行鉆井工作之前，要建立起鉆井復(fù)查制度，由相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)井口參數(shù)進(jìn)行復(fù)查，將井口參數(shù)的原始數(shù)據(jù)留存好，并與初次測(cè)量人員做好數(shù)據(jù)對(duì)比，保證井口內(nèi)徑、外徑、長(zhǎng)度等參數(shù)一致。在鉆井工作結(jié)束后，要根據(jù)鉆具的回收制度進(jìn)行回收，并及時(shí)在鉆具檔案中填寫(xiě)相關(guān)信息。

2.3 加強(qiáng)鉆具探傷維護(hù)管理

鉆具探傷是保證鉆具具體情況的重要手段，現(xiàn)階段我們常用的探傷方法為第三方探傷公司到井探傷，在其探傷過(guò)程中要嚴(yán)格監(jiān)督，提高鉆具探傷質(zhì)量。首先安排專(zhuān)人監(jiān)督制度，在探傷公司到達(dá)工作現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，可安排工長(zhǎng)進(jìn)行全程監(jiān)督，保證探傷過(guò)程細(xì)致全面；其次在探傷過(guò)程中除了對(duì)鉆具表面進(jìn)行細(xì)致查看外，還應(yīng)該配備超聲探測(cè)儀，對(duì)鉆具內(nèi)部進(jìn)行檢查，確保鉆具質(zhì)量符合使用規(guī)范。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，鉆具作為鉆井工作的重要機(jī)械組成部分，其質(zhì)量和安裝操作規(guī)范決定了鉆井工作是否能夠穩(wěn)定、高質(zhì)量運(yùn)行。針對(duì)現(xiàn)階段常見(jiàn)的鉆具失效事故分析，不斷總結(jié)其內(nèi)在原因，據(jù)此建立起完善的鉆具管理制度、現(xiàn)場(chǎng)施工制度、探傷制度等，盡可能的減少鉆具失效情況的出現(xiàn)，充分提升我國(guó)能源行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。