浅析深井钻具失效及防护

摘要：机械钻速低影响油田深层开发，其中，频繁发生的钻具失效是影响机械钻速低的一个重要原因。本文就深井钻具失效进行详细分析，总结了失效的主要影响因素，最后并提出相关防护措施。
　　关键词：钻具失效，失效原因，预防措施
　　
　　随着油气勘探开发工作的不断深入，为满足各地区勘探开发深层石油和天然气的需要，深井钻井规模日益扩大，各油田深井钻井数量逐年增多，而且呈现出越来越深的趋势。在钻井过程中，钻杆的受力状况和工作环境异常恶劣，是一个极其复杂的动力学系统。钻具失效严重影响了深井的钻井速度，处理这些事故耗费了大量的人力和物力，这说明需要进一步研究钻具失效的机理，进而达到提高钻井效率、降低钻井成本的效果[1,2]。本文就是针对深井钻具失效问题进行相关研究。
　　1深井钻具失效形式
　　钻具失效的形式是多种多样的，概括起来主要分如下几种：（1）过量变形，是指在过大载荷作用下，钻柱接头的螺纹部分伸长以及钻柱本体的弯曲和扭转超过了极限范围。（2）断裂在钻柱事故中占的比例较大，危害也很严重，主要有以下几种：过载断裂，如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂整钻时的钻柱体折断等；低应力脆断，它在整个钻柱失效中占相当大的比例钻杆、钻挺和转换接头处均能发生，如钻杆焊缝的脆性断裂钻挺和转换接头螺纹部位的脆性断裂等。这种断裂的主要原因是疲劳损伤。其显著特点是在突然断裂前没有宏观前兆，一般测量手段查不出来，在不知不觉中造成灾难性事故，所以低应力脆断是最危险的断裂方式之一；应力腐蚀断裂，它是钻柱失效的常见形式。如钻柱在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂钻杆接触某些腐蚀介质如盐酸、氯化物类时的应力腐蚀断裂等；氢脆断裂，当金属中存在过多氢时，在拉应力作用下可使材料产生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的钻柱应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的；疲劳断裂一般发生在钻杆接头、钻挺和转换接头螺纹部位等截面变化区域或因表面损伤而造成的应力集中区处。由于整个钻柱承受复杂的交变应力，有些部位，如螺纹根部、焊缝及划伤等缺陷处会出现应力集中，缺口根部应力可高出平均应力几倍或更高，所以缺陷处很快发生裂纹并扩展，直到断裂。据统计70%钻柱失效是疲劳断裂失效，因此疲劳断裂失效是钻柱的主要失效形式。（3）表面损伤，包括腐蚀，包括均匀腐蚀(如钻具锈蚀)、小孔腐蚀(即点蚀，如钻杆存放或使用过程中的内外表面的点蚀)和焊缝腐蚀(如钻杆表面皱折处的钻井液腐蚀，内外螺纹接头处啮合部位的腐蚀等)；磨损：包括粘着磨损（如钻杆接头、钻挺及转换接头螺纹部分的磨损）、磨料磨损（如钻井液和井壁对钻柱的磨损、螺纹脂中的杂质对螺纹的磨损）和冲蚀磨损（如钻杆的内外表面及连接螺纹受到的钻井液的冲蚀磨损）；机械损伤，如表面碰伤、烧伤、大钳卡瓦及其它工具的压痕等。
　　2深井钻具失效主要影响因素
　　2.1材料本身因素
　　当钻柱材料本身存在缺陷也就是说存在微裂纹，特别是较大的原始缺陷时，交变应力达到疲劳极限后，在交变应力作用下该微裂纹不断地扩展和传播，达到一定程度后，就会发生疲劳破坏。
　　2.2地层因素
　　浅井中发生钻具失效很少，深井中钻具失效多一些，主要是浅井岩石硬度小，造成的振动应力小，不超过疲劳极限，故不发生疲劳破坏，随着井深的增加，岩石硬度增大，造成的振动的应力逐渐增大，在一定条件下可能超过疲劳极限，也就存在疲劳破坏的可能，说明地层性质是造成钻具失效的原因之一，地层因素又非常复杂，通过引发钻柱振动，导致钻柱失效。其中，对于硬地层，牙轮钻头破坏岩石是靠冲击破碎，岩石硬度越大，牙齿吃入越少，则冲击时间越短，冲击载荷越大。钻头工作时产生的冲击载荷有利于岩石破碎，但也会使钻头轴承过早损坏，使牙齿崩碎，而且应力波作用于钻柱上，引发钻柱的纵向振动，钻头的冲击载荷是钻柱纵向振动的激振载荷。另外，砾岩地层由于中间比周围岩石的硬度大进尺慢，在井底形成突起，使得井底形成高低不平的形状，钻头旋转钻进时，引发并加剧纵向振动，同时使钻头产生较大的弯矩，加剧稳定器刮井壁，钻出的井眼不规则，当稳定器旋转通过时，可能瞬间卡住，造成瞬间高扭矩，并引发扭转振动。
　　2.3井眼因素
　　由于各种原因造成井径扩大较多，造成较大的钻柱的弯矩，加剧钻柱的疲劳破坏。由于地层泥页岩吸水膨胀造成局部的缩径，稳定器通过时会产生较高的扭矩。
　　2.4振动引起的疲劳失效
　　钻柱失效中疲劳失效占大部分，疲劳失效就是材料在交变载荷作用下，经过长时间的运转后，突然失效或破坏，也称为疲劳现象，其疲劳机理为机械零件在交变应力作用下，晶体表面会产生细小滑移带，这种细小滑移带往往成为萌生疲劳裂纹的区域，在相反方向载荷作用下，毗邻的滑移平面上产生沟槽和隆起，从而产生微裂纹，并逐步扩大，扩大到临界尺寸，导致失效。疲劳与钻柱的预紧力、静态应力和振动应力有关。
　　2.5管理因素
　　由于加工或运输过程中产生的及材料本身的原始缺陷，包括弯曲度、壁厚、磨损程度、伤痕深度、螺纹质量等微观上存在较大的微裂纹，在振动作用下扩展和传播，达到一定程度后就会造成疲劳破坏。钻具和井下工具长时间使用，应定期进行倒换、措扣检查、探伤和更换，及时检查出有问题的钻具，在其失效之前更换，若管理有问题也会造成钻具失效.
　　3深井钻具失效预防措施
　　3.1优选钻具组合及钻进参数
　　(1)改变钻柱的转速，当钻柱发生共振时，改变转速是一种最简便可行的减振有效措施。转速改变将会改变钻头激振力的频率，不会改变钻柱的固有频率。其效果使原来十分接近的激振力的频率和固有频率相互错开，以此达到减振的目的。改变转速可以是减小转速，也可以是增加转速，增减量不应太大，以避免振动从当前的共振区跳到相邻的另一个共振区里。（2）加大钻压，当钻柱发生激烈振动时，如果原钻压不是太大时，适当的加大钻压对减振也有一定好处，但时间不可过长。适当加大钻压能使钻头跳动减小，可达到减小振动的目的。（3）调换钻头，钻柱发生激烈振动，有时是钻头部分断齿造成的。特别是牙轮钻头掉齿以后，转动很不平稳，跳动很大而进尺很小，长时间的钻磨跳动，将会造成钻柱的疲劳断裂。出现这种情况必须及时更换钻头，这需要司钻凭丰富的钻井经验来及时发现和及时更换。(4)调换钻具，钻柱发生激烈振动时，首先要想到钻具结构是否合理，如果钻挺太少应适当增加钻挺数量，一般不少于12~15根钻挺，同时钻挺上端要放加重钻杆。
　　3.2防止钻具失效辅助措施方面
　　（1）合理确定上扣扭矩和按合理扭矩上扣；（2）使用高摩擦系数螺纹脂可以提高钻柱的抗扭能力加强管理，严禁使用不合格钻挺和井下工具，经常倒换和定期检测，到一定时间应更换；（3）减少钻井液的摩擦系数，增加润滑剂，减少摩阻；（4）钻井工艺措施：钻头开始旋转时就承受了全井钻压，在地面驱动后一定时间，钻柱开始旋转，而钻头仍在静止，其结果是井下扭矩出现了接近线性的递增，一旦扭矩上升到足可以克服由于大的重力产生的静摩擦扭矩时，钻头转速迅速上升到最大值，然后再一次停止，该振动缓慢减弱，由此可见，启动时钻头提离井底，然后小心谨慎地施加钻压是相当重要的。
　　3.3使用合适的井下工具
　　钻具失效主要与产生的应力极限值有关，应用软件优选参数和钻具组合，由于不确定的参数太多，难以给准，使用新的仪器设备，也只是可以监测振动的变化，调整钻进参数，避免共振，有些地层如井径不规则或有棱角瞬间卡住稳定器以及缩径及砾岩层等，也不可能通过调整钻进参数解决，可以研制和应用合适的井下工具，配合其他措施，就可能把应力控制在疲劳极限内，可极大减少钻具失效。
　　钻具失效的原因十分复杂，除力学因素，还有化学因素，地层腐蚀性流体等等，不可能找到万能的办法，除技术因素，还有管理因素，需要根据不同情况采取不同的措施。
　　
　　
　　参考文献：
　　[1]王志勇,钻具失效的分析及预防[J].西部探矿工程,2008,20(8)：61-63
　　[2]岳远瞩,聂荣国,黎彬.普光气田气体钻井钻具失效情况及其规律研究[J].钻采工艺,2008,31(4):20-22