探索鉆具失效的解決之道

鉆井中的鉆具失效是一個(gè)世界性難題，全球每年因此產(chǎn)生的損失高達億元。華北石油局的施工隊伍為解決中國石化重要的天然氣產(chǎn)地——鄂爾多斯工區的鉆具失效難題，進(jìn)行了不懈探索。 
      
     鉆具失效是鉆具在使用過(guò)程發(fā)生刺漏、折斷、裂紋而引起損壞的現象，鉆具早期失效是指鉆具在使用初期就發(fā)生這種損壞現象。鉆具失效在世界各大油田普遍存在，原因各不相同。 
      
     美國的統計和估算表明，鉆具斷裂事故在14%的油氣井上發(fā)生，平均發(fā)生一次損失10.6萬(wàn)美元，這是正常成本以外的巨額費用。我國油田每年發(fā)生鉆具事故約五六百起，經(jīng)濟損失巨大，每年必須用數千萬(wàn)美元的外匯購置各種鉆桿和鉆鋌。 噪音計 | 色度計 | 手鉗 | 彎嘴鉗 | 管鉗 | 溶氧計 | 發(fā)生器 | 剝線(xiàn)鉗 | VOC檢測儀 | 空氣品質(zhì)監測儀 | 溫濕度儀 | 氧氣檢測 | 電導計 | 分析儀 | 扭力計 | 尖嘴鉗 | 試驗機 | 頻閃儀  
       
    據不完全統計，2002年~2005年間，中國石化鄂爾多斯工區每年發(fā)生十幾次甚至幾十次鉆具失效事件，最高的一年達50多次；嚴重時(shí)，一口井就發(fā)生鉆具事件十多次，一套價(jià)值200多萬(wàn)元的鉆具，使用兩口井就接近報廢。鉆具失效還使鉆井周期顯著(zhù)延長(cháng)，并對井壁穩定和井眼規則帶來(lái)影響。 
      
    如何解決鉆具早期失效難題，降低氣田鉆探開(kāi)發(fā)成本，考驗著(zhù)許多隊伍的生存發(fā)展能力，更制約著(zhù)鄂爾多斯大牛地氣田這個(gè)邊際氣田的開(kāi)發(fā)效益。 
      
    失效客觀(guān)規律開(kāi)展鉆具失效分析，必須先掌握鉆具失效的客觀(guān)規律，即鉆具在各種外加載荷和環(huán)境下發(fā)生的變形、斷裂、表面損傷等現象及其發(fā)展過(guò)程，以及隨外部服務(wù)條件和材料等因素變化的規律。 
      
     鉆具的工作環(huán)境一般比較惡劣，工作狀況受載荷性質(zhì)、加載次序、壓力、溫度等影響比較大，工作時(shí)所處的鉆井液一般是由固體、液體等化學(xué)處理劑組成的復雜混合液，具有一定的腐蝕性。鉆井液和其他腐蝕介質(zhì)與鉆具相互作用，會(huì )嚴重縮短鉆具的使用壽命，導致鉆具早期失效。 
      
     鉆具服務(wù)條件復雜，失效形式也多樣，比如斷裂、刺穿、表面損傷和過(guò)量變形等，其中斷裂在鉆具失效事故中所占的比例較大，約占50%左右；刺穿、脫扣和脹扣失效是僅次于斷裂失效的失效形式，在鉆桿和鉆鋌上都有發(fā)生；表面損傷包括腐蝕、磨損和機械損傷三方面；過(guò)量變形是由工作應力過(guò)大引起，如鉆桿接頭螺紋部分拉長(cháng)、鉆桿本體彎曲和扭轉等。 
      
    失效原因與預防 
      
     導致鉆具斷裂的主要原因是疲勞，也有一定數量的脆性斷裂。疲勞斷裂的原因，一是鉆具使用時(shí)間久，達到正常使用壽命；二是井下載荷復雜，鉆具受力苛刻，導致鉆具發(fā)生早期疲勞失效。脆性斷裂與材料、質(zhì)量、環(huán)境和使用方法有極大關(guān)系。 
      
     在鉆具的疲勞失效中，鉆鋌失效尤為突出。1992年全國鉆具失效總況的統計表明，鉆鋌的失效次數大致占鉆具總失效事故的48.7%。中國石化華北石油局也不例外，鄂爾多斯盆地2002年~2005年鉆鋌失效達78起。 
      
     研究表明，為了減少鉆具振動(dòng)帶來(lái)的鉆具疲勞失效，可以從以下三方面做起：一是根據地層特點(diǎn)，選用合適的鉆頭；二是優(yōu)化鉆井參數，控制轉盤(pán)轉速，避免發(fā)生共振；三是研究井徑與振動(dòng)關(guān)系，減小鉆具振動(dòng)。 
      
     對于鉆具的刺穿失效分析，原因很多，失效機理復雜，比如鉆桿加厚過(guò)渡區間的截面突變，引起應力集中，導致鉆桿產(chǎn)生微裂紋，帶有腐蝕性的高壓鉆井液侵入微裂紋引起鉆具腐蝕疲勞；鉆井液中的硫化氫、二氧化碳、溶解氧對鉆桿的腐蝕損傷造成壁厚減薄，也會(huì )引起腐蝕疲勞失效；帶有固體顆粒的鉆井液高速流經(jīng)突變截面的過(guò)渡區間，對截面產(chǎn)生沖擊和摩擦。 
      
     鉆具的腐蝕失效原因與鉆井液中的腐蝕源有直接關(guān)系，其主要危害是硫化氫。保持較高的酸堿值以中和硫化氫濃度，對于控制腐蝕速率很重要，它能阻止來(lái)自地層、鉆井液處理劑、熱降解等的硫化氫侵入鉆井液系統；加入碳酸銅、堿式碳酸鋅、海綿鐵等也可迅速降低硫化氫含量；地面脫氣處理也是消除硫化氫的有效辦法。 
     
     鄂北鉆具失效探索 
      
     鄂爾多斯工區鉆具失效原因既有普遍性又有特殊性。統計2002年~2005年間的失效案例發(fā)現，鄂爾多斯地區鉆具失效主要表現在兩個(gè)方面：一是鉆具的斷裂和刺穿；二是鉆具特別是鉆桿的磨損嚴重。分析發(fā)現，鉆具斷裂主要以鉆鋌接頭斷裂為主，刺穿主要發(fā)生在鉆桿加厚過(guò)渡區。 
      
     鄂北工區下部地層堅硬，可鉆性差，機械鉆壓施加過(guò)大，是導致鉆具自身應力集中引起鉆具失效的主要原因。為此，華北石油局的施工隊伍對鄂爾多斯工區的鉆具失效難題進(jìn)行了探索研究。 
      
     由于斷裂、刺穿失效屬于應力集中導致疲勞和腐蝕疲勞失效，華北石油局采用了不同螺紋脂、降低螺紋尾端螺紋牙高度、開(kāi)應力減輕槽及螺紋表面處理等措施。介質(zhì)中的腐蝕成分對疲勞及腐蝕疲勞有很大的催化及參與作用，為此，他們根據介質(zhì)中的腐蝕成分，提出了預防化學(xué)腐蝕的多種具體措施。 
      
     鉆具失效是一系列復雜作用力的結果，科學(xué)的管理和合理使用鉆具，是提高鉆具效率、減少鉆具失效的重要措施。因此，他們在鉆具下部增加減震器裝置，減輕鉆具應力集中造成的疲勞失效；通過(guò)使用具有快速鉆進(jìn)性能的PDC鉆頭，有效減輕了鉆具負荷，PDC鉆頭的快速鉆進(jìn)，也使鉆井液浸泡井壁的時(shí)間縮短，井徑擴大率降低，進(jìn)一步減輕了鉆具阻力，減少了硫化氫對鉆具腐蝕的機會(huì )；加密對鉆具的探傷，鉆具使用兩口井進(jìn)行一次全面“體檢”，并按照鉆井規程，及時(shí)對鉆具上下部分進(jìn)行倒換，避免下部鉆具長(cháng)期處于負重狀態(tài)；在鉆進(jìn)過(guò)程中，做到均勻送鉆，控制轉盤(pán)轉速，防止鉆具產(chǎn)生共振；對鉆具采取及時(shí)的補救措施，鉆具使用兩口井，在易損的接頭部位鋪焊一層耐磨環(huán)，增加鉆具強度，壽命延長(cháng)。 
      
     通過(guò)以上措施，華北石油局2006年在鄂爾多斯工區的鉆具早期失效現象大幅減少，在部分井隊得到了根本性控制，不僅降低了鉆井企業(yè)的鉆井成本，也在一定程度上保證了大牛地氣田的開(kāi)發(fā)效益。