科威特油田鉆具失效原因分析及預防

宋張康

中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司（山東東營 257000）

科威特石油儲量非常豐富，占世界石油儲量的十分之一。中石化國際石油工程有限公司科威特分公司（以下簡稱公司）自2009 年進入科威特市場以來，陸續啟動了40 余部鉆修井機，近年來各鉆井隊在施工中發生的鉆具失效問題較為突出，有的甚至在同一井段連續多次發生鉆具斷裂落井的惡性井下事故，進行打撈和處理井下事故產生了大量的停工時間。由于公司和甲方簽訂的是日費制合同，所以在科威特鉆井施工中一旦發生鉆具失效情況，必然造成停工，嚴重的還會導致其他井下復雜情況的發生，給井隊和公司造成巨大的經濟損失。通過對科威特鉆井施工中鉆具失效情況統計，分析鉆具失效原因，依據分析結論采取針對性的措施。

1 鉆具失效統計

對近年公司在科威特鉆井施工中發生的鉆具失效情況進行統計，發現鉆鋌螺紋斷裂占比最大，見表1。

2 鉆具失效原因分析

2.1 地層巖性

科威特油田地層為第三系和上、下白堊系，以石灰巖、白云巖、頁巖、砂巖為主，受沉積環境影響，該區塊地層巖性結構復雜，并且軟硬地層頻繁交錯[1]，夾層多，鉆進中易憋跳鉆，鉆頭工作不穩定，使鉆具發生疲勞失效的幾率加大。RUS 組地層巖性有礫巖、硬石膏，HARTHA 組地層巖性有白云巖和硬質灰巖，部分含有硫鐵礦夾層，硬度高，對鉆頭和鉆具產生嚴重傷害。由表1 可以看出，大部分鉆具失效發生在406.4 mm井眼鉆進時，該井眼鉆遇了上述硬地層和軟硬交錯的夾層。

表1 鉆具失效統計

2.2 彎曲強度比（BSR）

內外螺紋連接后的彎曲強度比對鉆鋌的疲勞失效有嚴重影響[2]。根據API RP 7G推薦，鉆鋌內外螺紋連接后在井內工作時允許的彎曲強度比范圍為1.9:1～3.2:1。在硬地層或者軟硬交錯地層和鉆鋌長期使用后磨損或腐蝕較為嚴重時，推薦的BSR的范圍是2.5:1～3.0:1。由API RP 7G給出的BSR計算公式可知，鉆鋌外徑磨損特別是內螺紋外側磨損會導致BSR 值變小，如果BSR 減小到2.0:1 以下時，鉆鋌產生內螺紋疲勞失效的可能性會大幅增加。由表1 可以看出，大部分失效的鉆鋌內螺紋外徑的磨損情況都比較嚴重，這是導致大部分斷裂發生在鉆鋌母接頭的原因之一。

2.3 鉆井參數與鉆柱共振

2.3.1 鉆井參數

鉆進過程中，鉆壓和轉速是鉆頭破巖的兩個主要參數，從追求機械鉆速的角度來看，鉆壓和轉速越大，越有利于提高破巖效率和機械鉆速。但是，從井下管柱力學的角度來看，隨著鉆壓的增大，底部鉆具組合會產生不同程度的彎曲，所受的拉力、壓力、側向力和彎曲應力等各種形式的交變載荷會隨之增大，鉆鋌作為底部組合的主要組成部分，會承受大部分的交變載荷，發生疲勞斷裂的幾率更大。轉速則決定了鉆鋌單位時間內所承受的交變載荷次數，轉速越高，單位時間內承受交變載荷次數越多，越容易產生疲勞，根據井隊在科威特油田施工的經驗，轉速達到90～110 r/min 時鉆鋌斷裂故障明顯增加。

2.3.2 鉆柱共振

鉆柱振動是導致鉆具失效的主要因素，振動產生的高頻應力波與裂紋相互作用，會降低材料韌性，加速裂紋擴展[3]，導致鉆具疲勞和失效?？v向振動對鉆具壽命影響很大。

牙輪鉆頭破巖機理是沖擊壓碎和滑動剪切，所以在鉆進過程中能產生兩種類型的縱向振動：一種是由于牙輪接觸井底巖石而隨著鉆柱的旋轉發生滾動，小位移高頻率的縱向振動就此產生；另外一種是由于每個牙輪破巖后都形成波浪狀的井底，后面的牙輪作用在這種斷面上時就產生大位移低頻率的縱向振動。第一種振動對鉆柱影響較小，但是第二種大位移振動會傳遞到整個鉆柱上，對鉆具的危害較為嚴重[4]。

從力學角度分析，鉆具螺紋連接處與本體相比，剛度較小，截面形狀復雜,易出現應力集中，是鉆具的薄弱部位。鉆井過程中，當鉆柱承受扭轉力過大時，螺紋根部承受拉應力和壓應力的交變應力，并產生應力集中，致使螺紋部位發生疲勞斷裂。

當激勵頻率與鉆柱固有頻率接近或呈整數倍時，鉆柱會發生共振[5]。表1中RA-579井和SA-590井分別發生了2 次鉆具斷裂，轉速分別為100 r/min和110 r/min。地面能夠明顯感受到鉆柱的劇烈振動，由此判斷是正好處于鉆柱共振范圍，從而加劇了鉆具失效。

2.4 現場使用與管理

鉆具之間是依靠公扣和母扣上的2個臺肩面進行密封，合理的上扣扭矩，既能保證螺紋連接的強度，也能起到壓力密封的作用。如果上扣扭矩達不到最小緊扣扭矩，那么2 個接觸的臺肩面就無法產生足夠的密封載荷。鉆進過程中，螺紋連接處在井下受到各種交變應力的作用，很容易使臺肩面分離，加上高壓鉆井液沖蝕的雙重作用，很容易出現斷扣故障。如果鉆具緊扣時的上扣扭矩超過最大緊扣扭矩，會使2個密封臺肩發生塑性變形，內螺紋接頭因此而脹扣，強度降低，在井內交變載荷的作用下也很容易出現斷扣故障。因此，上扣扭矩超過或者達不到推薦的扭矩范圍，都會引起鉆具接頭和螺紋失效。

3 預防鉆具失效的措施

3.1 鉆具技術措施

3.1.1 嚴控鉆具質量

對科威特鉆具失效原因分析，發現大部分失效鉆具是209.6 mm鉆鋌和241.3 mm鉆鋌，在探傷和抽樣檢測后，發現部分在用的鉆鋌存在著一定的質量缺陷，查出存在缺陷的鉆鋌，新購補充部分鉆鋌，新購鉆鋌時嚴格要求制造工藝技術，擬定規范的技術協議：

1）鉆鋌的主要尺寸公差按API SPEC7-1標準執行。鉆鋌的壁厚差應小于或等于公稱壁厚的12%。鉆鋌全長直線度偏差不超過0.52 mm/m，兩端2 m 內的直線度偏差最大為2 mm，接頭加長254 mm。短鉆鋌長度為3 m，帶應力槽。

2）鉆鋌外觀結構要求：鉆鋌類型為螺旋型，螺旋型式為BI型。BI型鉆鋌的螺旋槽尺寸要求按SY/T 5144—2013《鉆鋌》標準執行。鉆鋌外表面不得有裂紋、折疊、凹坑和結疤等缺陷。

3）鉆鋌材料采用4145H 合金鋼，化學成分中的硫、磷含量不得超過0.020%。坯料需經熱軋或鍛造成型，其機械性能應符合API SPEC7-1標準要求,做材質切片探傷報告，強度30～32，成品也要提供探傷報告，工件性能見表2。

表2 加工鉆鋌的工件性能要求

4）常溫夏比沖擊功要求（按照ASTM A370最新標準，試樣沿管體軸線方向切?。涸嚇拥臎_擊功必須滿足平均值80 J，最小值70 J。

3.1.2 提高螺紋抗疲勞強度

螺紋加工按API SPEC7-2 標準執行，外螺紋加工應力分散槽，內螺紋加工背孔式應力分散槽，公母扣接頭處做冷滾壓工藝處理。應力分散槽對螺紋連接處的應力起到了很好的分散作用，可以避免過高的應力集中，增強螺紋的抗疲勞能力；同時也能避免螺紋長時間工作應力載荷過大而發生斷裂。鉆鋌內、外螺紋以及臺肩表面采用磷化處理，給螺紋提供保護，防止腐蝕，運輸過程中和現場存放時配戴鋼塑復合護絲帽。

3.2 現場技術措施

3.2.1 鉆具上扣扭矩及操作規程規范

1）大尺寸鉆鋌使用高扭矩專用螺紋脂，上扣時首先將絲扣清洗干凈，然后均勻地涂抹高扭矩螺紋脂，保證螺紋連接的密封性。

2）井隊現場配備了3 種型號的吊鉗，包括SDD型、DB 型和C 型，其扣合管體外徑尺寸和最大扭矩分別為：101.6～431.8 mm，136 kN·m；88.9～431.8 mm，90 kN·m；60.3～273.1 mm，48 kN·m。要求不同尺寸和扣型的鉆具必須使用與之相匹配的吊鉗進行緊扣作業。

3）避免在操作過程中鉆具的表面損傷，尤其是鉆具密封面的碰傷及鉆桿管體大鉗咬傷，使用吊鉗緊扣時不能咬合在母螺紋外部，要咬合在母螺紋下端的本體處。

4）要根據鉆具的上扣扭矩上扣，上緊后要檢查臺肩面的結合情況，如不合縫，應卸開檢查；不同規格鉆具之間要使用轉換接頭，要及時根據鉆具規格調整緊扣扭矩，禁止不同規格的鉆具使用同一緊扣扭矩。如果使用雙鉗緊扣，注意扭矩拉到位時大鉗鉗柄和鉗尾繩要處于90°夾角。

3.2.2 優選鉆具組合和鉆井參數

1）在設計鉆具組合時，在鉆具組合中適當加入扶正器，優先選用滿眼鉆具組合或者塔式鉆具組合，以減輕鉆鋌的彎曲程度[6]。同時使用加重鉆桿作為從底部鉆具組合到普通鉆桿的過渡區域，降低應力集中。

2）鉆井參數的合理選擇:轉速要避免井下鉆柱蹩跳鉆及鉆柱共振的產生。鉆壓要避免鉆桿受壓導致的鉆具屈曲，發生偏磨等，防止鉆柱中和點位于鉆桿位置，導致位于中和點的鉆桿交變應力產生疲勞破壞[7]。鉆進過程中密切注意泵壓變化，及時發現鉆具刺漏，減小鉆具斷裂故障。

3）加強鉆具倒換制度，改善鉆具的受力情況。采取“抽上換下、抽下換上、抽中間換兩頭”的方式，盡量使鉆具受力趨于均勻，減少鉆具受力狀態惡化。倒換鉆鋌要求：每使用100～150 h（或每趟鉆）左右倒換，將最下面3柱倒至最上面。倒換鉆桿要求：每使用200 h 左右倒換，將最下面5 柱倒至最上面。計算好中和點，每次起下鉆必須將中和點附近的3柱加重鉆桿倒換到其他位置。

3.2.3 加強井下振動檢測

通過合理地改變鉆壓和轉速調整鉆柱振動的激勵頻率，最大限度地避免鉆柱共振的發生，從而避免鉆具失效。如果遇到嚴重跳鉆，表現為井口鉆具上下擺動幅度大，而扭矩變化相對較小的情況，就適當增加鉆壓，降低轉速，減小鉆柱產生的共振。如果憋鉆嚴重，表現為井口鉆具橫向擺動幅度大，相對有規律地撞擊井口補心，則要適當減小鉆壓，提高轉速，減小鉆柱產生的共振。參數的調整方法并不是一成不變，需要司鉆根據實鉆情況來調整，目的就是盡可能地減小或避免共振。

3.3 加強鉆具探傷管理

針對探傷公司提供的探傷服務質量較差的情況，采取以下措施：

1）第三方探傷人員到井探傷時，由場地工長專人負責監督探傷過程，保證探傷工作做到位。

2）公司配備全數字超聲波探傷儀，鉆具出井后對鉆具進行外觀檢查，特別是公扣端和母扣端，由第三方首先進行鉆鋌螺紋磁粉探傷發現外表面缺陷，然后現場進行超聲波鉆鋌螺紋探傷發現中部和內表面缺陷。要確保鉆具探傷的質量，不合格鉆具嚴禁入井使用。

3）鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌、配合接頭均應打印鋼印編號，鋼印編號以清晰、易操作為標準。鋼印打在外螺紋接頭螺紋消失端光面上（公扣尾部）或斜坡處；對車有應力分散槽的接頭，鋼印應打在外螺紋接頭表面專門刻槽內。鉆鋌、鉆桿車制螺紋后仍在外螺紋處打鋼??；鉆桿切頭對焊后，仍需對焊后的接頭上打鋼??；提升短節鋼印打在不易磨損處；對目前已經打有鋼印的鉆具，可直接登記，進入檔案。

4）打印的鉆具編號（或已經存在的鋼印編號）應與鉆具的出廠證書及探傷報告一一對應，并記錄檔案，使之具有可追溯性。

5）鉆鋌及特殊工具（如減震器、隨鉆震擊器、扶正器及打撈工具等）入井前應測量打撈尺寸，并畫出草圖；如鉆具檔案中已經有草圖，可與鋼印號對應參照。

4 結論

1）對所有的鉆鋌螺紋加工出應力分散槽，降低螺紋根部的應力集中程度。

2）螺紋根部經冷滾壓后會形成預壓應力層，從而提高螺紋根部的抗疲勞強度，預防螺紋部位的疲勞失效。

3）152.4～200.0 mm 鉆鋌采用的彎曲強度比為2.25:1～2.75:1，大于等于203.2 mm鉆鋌采用彎曲強度比2.50:1～3.20:1，降低鉆鋌發生疲勞破壞的幾率。

4）對新購置鉆鋌材料的沖擊韌性提出更高的要求，夏比沖擊功單個值應大于75 J。

5）如果振動嚴重，可考慮使用減振器，同時增加鉆壓（增加鉆鋌數量），倒換鉆鋌使用，降低轉速，減輕跳鉆。

6）磁粉加超聲波探傷及早發現缺陷及裂紋，及時修復損傷的鉆鋌，在牙輪鉆頭轉換PDC 鉆頭時，進行多次中間探傷，剔除已損傷的鉆具。