鉆井提速工具壽命的影響因素

楊宏哲，李相勇，紀(jì) 博，李 博，董昔今，鄭瑞強(qiáng)

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413）

提高或是保持油田油氣產(chǎn)量對(duì)于老油田而言是一個(gè)未來(lái)必須面對(duì)的長(zhǎng)期課題，對(duì)深層油氣藏的勘探與開(kāi)發(fā)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，隨著深井?dāng)?shù)量逐年增多，井深日益增加，深部地層鉆井難度逐漸加大，這類(lèi)地層具有巖石硬度大、可鉆性極值高等特性，使得單只鉆頭機(jī)械鉆速低、進(jìn)尺少、壽命短、起下鉆頻繁，嚴(yán)重影響了深層油氣藏勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

為了解決深部硬地層鉆速慢、效率低的難題，國(guó)內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)相繼研制出多種以鉆井液動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的提速工具，其中包括扭力沖擊器、渦輪鉆具、旋沖螺桿鉆具和復(fù)合沖擊工具等，輔助鉆頭破巖的高效提速工具。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，此類(lèi)鉆井提速工具前期均能夠顯著提高平均機(jī)械鉆速，但中后期鉆速都會(huì)因工具壽命下降，造成破巖效率降低，甚至發(fā)生如連接螺紋失效導(dǎo)致落井等嚴(yán)重井下事故。因此壽命問(wèn)題制約著工具的發(fā)展，進(jìn)而影響工具壽命，主要體現(xiàn)在如下幾方面。

1 提速工具使用壽命降低的表現(xiàn)

（1）螺紋斷裂：提速工具通過(guò)螺紋扣上部連接鉆柱，下部連接鉆頭，在部分提速工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)生了公扣螺紋斷裂，導(dǎo)致嚴(yán)重的落井事故。

（2）螺紋刺漏：螺紋因沖蝕、磕碰或是疲勞破壞產(chǎn)生漏點(diǎn)，出現(xiàn)密封不嚴(yán)，流體從漏點(diǎn)泄出，前期表現(xiàn)為泵壓逐漸下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生螺紋斷裂導(dǎo)致事故。

（3）提速效果下降：提速工具的本體外殼、內(nèi)部零件以及密封圈受到各種因素作用下發(fā)生磨損、鉆井液沖蝕以及刺漏，也是造成提速工具后期提速效果不理想，鉆井液循環(huán)泵壓下降的主要原因之一。

2 導(dǎo)致提速工具失效的內(nèi)在原因

提速工具在深井作業(yè)時(shí)失效主要體現(xiàn)在交變應(yīng)力作用下因疲勞破壞所導(dǎo)致的螺紋失效或螺紋刺漏，機(jī)械結(jié)構(gòu)受高頻沖擊載荷的作用下，因磨損或疲勞破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，殼體或密封處受鉆井液腐蝕以及地層巖屑沖蝕作用下導(dǎo)致的刺漏等等。可以歸納為以下幾點(diǎn)：

2.1 高強(qiáng)度下的疲勞破壞

鉆井提速工具在鉆井液驅(qū)動(dòng)下內(nèi)部存在高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)本體及螺紋連接部位施加交變載荷，提速工具的螺紋，焊接處以及焊接缺陷，材質(zhì)因鑄造工藝不合格產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷以及運(yùn)輸或安裝過(guò)程中所造成的螺紋損傷和表面損傷，這些部位容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。另外在工具使用過(guò)程中，這些部位在高頻次交變應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生出疲勞裂紋，疲勞裂紋在交變載荷的作用下不斷擴(kuò)展使得螺紋、焊接或是本體發(fā)生刺漏、甚至是斷裂。隨著難鉆地層鉆壓的加大，提速工具受到鉆柱所施加的靜載荷也越來(lái)越大。特別是起下鉆次數(shù)增多，上卸扣次數(shù)頻繁，不可避免地導(dǎo)致螺紋損傷和表面損傷。深井地層條件復(fù)雜化，也使得提速工具受力情況更復(fù)雜。另外，在大排量循環(huán)鉆井液使得沖擊提速工具獲得更高的沖擊頻率，這同樣是加速疲勞破壞的原因之一。

金屬材料在無(wú)限次交變載荷作用下會(huì)產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力為其疲勞強(qiáng)度，金屬疲勞伴隨著錯(cuò)位滑移以及塑性變形與破壞，在對(duì)金屬拉伸實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，其斷裂機(jī)理與金屬疲勞有一定相似性，而在行業(yè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)中，金屬疲勞強(qiáng)度與其抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān)。因此，材料的疲勞強(qiáng)度跟抗拉強(qiáng)度一樣受材料組分以及相變熱處理工藝相同的影響，抗拉、疲勞強(qiáng)度優(yōu)秀的鋼材，例如鉆具常用的42CrMo、42CrMnMo，其顯微組織主要為晶粒度較細(xì)的奧氏體與馬氏體。部分鋼材顯微組織主要為粗大的珠光體和鐵素體，強(qiáng)度韌性差，抗疲勞表現(xiàn)差。在鑄造過(guò)程中，混入了氧化物、硫化物、氮化物等非金屬夾雜物，固溶在金屬中的氫原子，是造成金屬應(yīng)力集中，萌生疲勞裂紋的重要源頭。

2.2 鉆井液的化學(xué)元素對(duì)金屬的腐蝕作用

鉆井液中常含有氯離子，氯離子在酸性條件下與金屬表面容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，pH 值越低，腐蝕越劇烈。鉆井液在敞開(kāi)環(huán)境進(jìn)行循環(huán)，這使得鉆井液含有溶解氧，溶解氧在井下高溫環(huán)境下對(duì)金屬產(chǎn)生強(qiáng)氧化作用生成氧化物。在含硫井中，從地層滲透出來(lái)的硫化氫氣體溶解于鉆井液生成硫離子，同樣在酸性條件下會(huì)對(duì)金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕。同時(shí)，地層中的硫化氫與二氧化碳溶解于鉆井液會(huì)產(chǎn)生大量的氫離子，降低鉆井液的pH值，加速腐蝕速度。

提速工具在此種腐蝕工況下，表面形成腐蝕坑與氧化物。這些部位導(dǎo)致應(yīng)力集中，形成疲勞裂紋萌生的源頭。在交變應(yīng)力作用下，疲勞裂紋逐步擴(kuò)展、長(zhǎng)大，使得腐蝕性的鉆井液進(jìn)入裂紋，腐蝕界面擴(kuò)大，加速了金屬疲勞。

同時(shí)，溶解在鉆井液的硫化氫與金屬表面接觸，使得氫原子滲透進(jìn)金屬內(nèi)部，導(dǎo)致金屬?gòu)?qiáng)度塑性進(jìn)一步下降，產(chǎn)生氫損傷，在應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋。

2.3 固相大顆粒在大排量下的沖蝕作用

環(huán)空中的鉆井液在循環(huán)過(guò)程中需要攜帶大量巖屑等固相顆粒帶到地表，開(kāi)大排量循環(huán)有利于將這些固相顆粒運(yùn)移至地面。但是它們會(huì)對(duì)工具表面產(chǎn)生沖擊作用，尤其是在鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)以及螺紋連接處易產(chǎn)生流場(chǎng)突變，被固相顆粒沖蝕的地方會(huì)產(chǎn)生密集的沖蝕坑，導(dǎo)致密封端面損傷。

部分井隊(duì)所使用的鉆井液凈化設(shè)備處理過(guò)的鉆井液仍然含有少量固體顆粒，它們隨著泥漿泵入裝置泵入到鉆柱中，這些固體顆粒會(huì)沖擊工具內(nèi)部的渦輪、軸承等零部件，致使工具因磨損過(guò)渡而失效，或是因?yàn)楣艿辣欢禄蚬腆w顆?？ㄗ∧承┗顒?dòng)零件致使提速工具不工作。

2.4 井下高溫環(huán)境的影響

深井鉆井一般都是在高溫工況之下進(jìn)行，而提速工具內(nèi)部起到密封作用的橡膠圈在超過(guò)橡膠圈工作溫度下，容易發(fā)生橡膠材料的老化分解，并且更容易造成磨損和疲勞致使橡膠圈更快地產(chǎn)生龜裂甚至永久變形致使密封失效，導(dǎo)致提速工具在后期提速效果不理想。

另外，對(duì)滑動(dòng)軸承等起到潤(rùn)滑作用的潤(rùn)滑脂，當(dāng)作業(yè)溫度高于潤(rùn)滑脂滴點(diǎn)時(shí)，潤(rùn)滑脂變的易流失，潤(rùn)滑失效使摩擦部位的磨損速度加快。

3 提高提速工具壽命的技術(shù)對(duì)策

導(dǎo)致提速工具壽命短有鉆井液、井底溫度和地層環(huán)境這些客觀因素影響，但是這些客觀因素難以改變甚至避免。為了提高鉆井提速工具的使用壽命，我們只能從工具本身進(jìn)行改進(jìn)：

（1）優(yōu)選鋼材，選用高強(qiáng)度、抗拉性能優(yōu)秀的高性能合金鋼以應(yīng)對(duì)金屬疲勞。嚴(yán)格把控鋼材鑄造與熱處理生產(chǎn)工藝，減少非金屬夾雜物與溶解氫原子在鋼材中的含量。進(jìn)料時(shí)要求廠家提供探傷合格報(bào)告，加工前要進(jìn)行嚴(yán)格的毛坯料探傷檢驗(yàn)，加工后根據(jù)工件特點(diǎn)，要再次進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，有些關(guān)鍵部件需要特殊處理，如鋪焊或噴涂，提高耐磨性能。

（2）采用四級(jí)固控設(shè)備，并在鉆具內(nèi)安裝過(guò)濾裝置，盡可能減輕固相大顆粒對(duì)鉆具內(nèi)零件的沖蝕。

（3）適當(dāng)降低提速工具的沖擊頻率，比如在動(dòng)力總成使用中空軸減小通過(guò)動(dòng)力節(jié)的排量來(lái)調(diào)節(jié)沖擊頻率，可以減小鉆井液對(duì)工具內(nèi)部的沖蝕速度，同時(shí)交變應(yīng)力頻率的降低也有助于延長(zhǎng)金屬疲勞的時(shí)間。

（4）選用耐高溫的氟橡膠作為密封圈材質(zhì)，選用耐高溫的鋰基潤(rùn)滑脂或是符合現(xiàn)場(chǎng)需求的潤(rùn)滑脂對(duì)摩擦部位進(jìn)行潤(rùn)滑。

4 結(jié)論

（1）提速工具壽命下降的主要表現(xiàn)形式為螺紋刺漏、螺紋斷裂，結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致后期提速效果不理想，循環(huán)泵壓下降甚至井下事故。

（2）導(dǎo)致提速工具壽命下降的內(nèi)在原因有鉆具往復(fù)工作時(shí)產(chǎn)生的疲勞破壞，鉆井液對(duì)鉆具本身的腐蝕，鉆井液固相顆粒對(duì)鉆具內(nèi)外結(jié)構(gòu)的沖蝕，以及深井高溫工況的影響。

（3）優(yōu)選鋼材，加裝固相過(guò)濾裝置，優(yōu)化沖擊頻率，選用耐高溫密封和潤(rùn)滑材料為提高提速工具使用壽命的可行辦法。