普光高含硫氣田氣體鉆井鉆具斷裂損壞機理

黃志強黃繼亮李琴宋嘉寧楊鳳申徐曉蓉魏武許期聰

1.西南石油大學機電工程學院 2.中國石油東方地球物理勘探有限責任公司3.中國石化勝利油田分公司魯明石油開發有限責任公司 4.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程公司

普光高含硫氣田氣體鉆井鉆具斷裂損壞機理

黃志強1黃繼亮1李琴1宋嘉寧1楊鳳申2徐曉蓉3魏武4許期聰4

1.西南石油大學機電工程學院 2.中國石油東方地球物理勘探有限責任公司3.中國石化勝利油田分公司魯明石油開發有限責任公司 4.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程公司

黃志強等.普光高含硫氣田氣體鉆井鉆具斷裂損壞機理.天然氣工業,2010,30(2):75-77.

針對普光氣田氣體鉆井過程中存在的鉆具斷裂頻繁的問題,在對現場事故統計分析的基礎上,從特殊的鉆井介質、不同的破巖方式以及鉆井過程中鉆柱共振等方面定性分析了鉆具斷裂的原因;通過對鉆具斷口宏觀、微觀及材質分析,找到了鉆具斷裂失效的規律和主要形式——疲勞斷裂。提出以下建議:①結合氣體鉆井情況,研制適合氣體鉆井工況的專用鉆具,制定符合氣體鉆井鉆具的新的API標準;②開展牙輪鉆井條件下,鉆柱縱振對鉆具疲勞斷裂的量化影響,尤其應考慮不同鉆壓下鉆柱縱振對鉆具疲勞斷裂的作用機理研究。以期為預防氣體鉆井鉆具斷裂、降低鉆井成本、推廣應用氣體鉆井技術提供理論依據。

深井 超深井 氣體鉆井 鉆具斷裂 疲勞斷裂 機理

0 引言

氣體鉆井是在鉆井過程中以壓縮氣體作為循環介質來實現鉆進的欠平衡鉆井技術,最初探索于20世紀50年代,受配套技術與裝備的限制,該技術一度被擱置,直到20世紀90年代,氣體鉆井技術才真正開始起步和發展[1-2]。相對于鉆井液鉆井,其優勢在于能夠大幅度提高機械鉆速,減少或避免井漏、井斜控制等[3-6]。

鑒于以上優點,近年來,氣體鉆井技術在我國油氣田的應用越來越廣泛,尤其在普光氣田的應用,取得了顯著成效(見表1),已成為加快該氣田勘探開發的核心鉆井技術,應用前景良好。

表1 氣體鉆井與鉆井液鉆井在普光氣田的應用對比情況表

但是,在氣體鉆井現場應用中,鉆具斷裂頻繁,嚴重地影響了氣體鉆井優勢的充分發揮,成為制約該技術推廣應用的瓶頸。為此,對普光氣田氣體鉆井過程中斷鉆具情況進行了統計分析,對其斷裂損壞機理進行了研究,以期為預防氣體鉆井鉆具斷裂、降低鉆井成本、推廣應用氣體鉆井技術提供參考。

1 氣體鉆井鉆具斷裂統計分析

表2 普光氣田氣體鉆井鉆具斷裂統計表 起

截至2008年8月25日,普光區塊實施氣體鉆井共計40口井,其中26口井(占總井數的65%)發生鉆具斷裂(鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌、空氣錘鉆頭)53起(見表2),平均每口井發生斷鉆具2次;其中,P305-2井發發生了斷鉆具6次,鉆具斷裂落井,處理不成功導致填井側鉆4起。鉆具頻繁斷裂不僅大大降低了氣體鉆井的提速效果,而且給井下安全帶來了隱患[3-6]。

統計分析發現,普光氣體鉆井鉆具斷裂有以下規律:

1)牙輪鉆頭鉆進比空氣錘鉆頭鉆進鉆具斷裂失效概率高。截至2008年8月25日,普光氣田氣體鉆井總進尺為110524.48m,空氣錘累計進尺為59947.48m,占氣體鉆井總進尺的54.2%,空氣錘鉆進過程中發生鉆具斷裂失效13井次,鉆具斷裂發生頻率1次/4611.3m。而牙輪鉆頭累計進尺48577.82m,期間發生鉆具斷裂失效39起,鉆具斷裂發生頻率1次/1245.6m。可見牙輪鉆頭鉆進鉆具斷裂頻率遠高于空氣錘鉆進。

2)鉆桿斷裂失效特點:鉆桿斷落位置主要集中在鉆桿管體與加厚部分的過渡帶區域,斷口距公扣端平均距離為0.52m,距母扣端0.68m,為應力集中區;且斷口平齊,呈現為疲勞斷裂特征。

3)鉆鋌斷裂失效特點:鉆鋌斷落位置主要集中在鉆鋌母扣處,存在應力集中;斷裂鉆鋌多為大尺寸鉆鋌(?203.2mm、?228.6mm),而小尺寸鉆鋌(?177.8mm)基本沒有發生斷裂事故;斷口規則,有明顯疲勞斷口特征。

4)鉆具斷裂多發生在侏羅系沙溪廟組和千佛崖組。

2 氣體鉆井鉆具斷裂機理分析

2.1 鉆具斷口分析

2.1.1 斷口宏觀分析

圖1 鉆桿斷口形貌圖

圖1、圖2為鉆桿、鉆鋌斷口宏觀形貌,分析得出:①斷口沒有明顯的塑性變形,斷口光滑發亮,為裂紋擴展反復開合摩擦的結果;②斷面基本分為兩部分,即:平坦光滑區和粗糙區,平坦光滑為裂紋源區和擴展區,在此區域內可觀察到貝殼線紋絡,為明顯疲勞斷口特征;③粗糙區所占面積較小,說明鉆具斷裂時承受的應力相對較小。

圖2 鉆鋌斷口形貌圖

2.1.2 斷口微觀分析

在裂紋源區取樣,用醋酸纖維酯對裂紋源表面清洗后,用掃描電子顯微鏡觀察斷口微觀形貌(見圖3),斷口裂源區表現出明顯的貝殼紋絡線,為疲勞斷口特征。對鉆具斷口宏觀微觀分析,確定鉆具斷口為疲勞斷口特征,鉆具斷裂屬于疲勞斷裂。

圖3 斷口微觀形貌圖

2.2 鉆具材質分析

2.2.1 化學成分分析

在斷口附近取樣,對斷裂鉆桿、鉆鋌化學成分進行分析,分析結果(表3)表明,化學成分符合相關企業標準的要求及API規定。

2.2.2 力學性能測試

在斷裂鉆桿、鉆鋌上分別取全尺寸縱向圓棒拉伸試樣和縱向“V”型缺口沖擊試樣進行力學性能試驗,試驗結果符合API標準,試驗數據見表4。

綜上所述,鉆桿、鉆鋌化學成分、力學性能均符合生產要求及API標準,可排除由于材料質量問題導致鉆具疲勞斷裂的可能性。因此,可判斷鉆桿、鉆鋌的疲勞斷裂主要與工況條件及使用情況相關。下面結合鉆井情況及鉆具使用情況分析鉆具疲勞斷裂原因。

表3 化學成分分析結果表

表4 力學性能測試結果表

2.3 鉆具疲勞斷裂原因分析

2.3.1 特殊的循環介質

氣體鉆井過程中,氣體的可壓縮性比較大,懸持潤滑作用減小,鉆具與井壁的干摩擦帶來較大的摩阻波動,摩擦力增大,使鉆柱更易產生反轉運動,由于離心力的作用,導致鉆柱強烈的橫向振動,產生高頻交變彎曲應力,造成鉆柱早期彎曲疲勞破壞。氣體鉆井時,環空中氣體的上返速度一般為15～40m/s,才能有效地使鉆屑懸浮并攜帶出井眼。攜帶著大量且形狀不規則的鉆屑的循環氣體以如此高的速度向上運動,猶如噴砂切割一樣,對鉆柱產生沖擊、碰撞,特別是在鉆柱環空間隙突變處,鉆柱磨損更加嚴重,造成鉆具表面破壞,產生應力集中區,導致鉆柱局部承受高的交變應力,加劇鉆具的疲勞破壞。

2.3.2 破巖方式

空氣錘鉆進時,在沖擊和旋轉聯合作用下實現破巖,以沖擊動載荷為主、旋轉剪切為輔。由于其特殊的破巖方式,活塞的能量以應力波的形式大部分通過鉆頭傳遞到巖石,進行破巖,只有少部分能量以應力波的形式沿鉆頭向上反射,對鉆柱振動影響不大。

而牙輪鉆頭以沖擊、壓碎及滑動剪切的方式破碎巖石。破碎過程引起兩種頻率的縱向振動:一種是因鉆頭輪齒滾動而產生的高頻縱振,另一種是因波狀井底引起的低頻縱振。現場反復實測證明,前者對鉆頭破碎巖石是有利的,對鉆具的疲勞破壞影響不大;而后者引起的振動則以應力波的形式沿鉆柱向上傳遞,造成鉆柱的疲勞破壞;再加上牙輪鉆進時采用鉆壓高,鉆柱在高壓力作用下的振動進一步加劇鉆柱的疲勞斷裂。這可能是牙輪鉆進比空氣錘鉆進鉆具斷裂頻率高的原因之一。川東北某井?316.5mm第2次開鉆空氣鉆井中,對沙溪廟組615.00～1259.80m井段實施了空氣鉆井隨鉆監測,在某監測日14:00～16:00時間段內,共監測到兩次氣體濃度異常變化情況(圖2)。

2.3.3 鉆柱振動

鉆柱振動是由于鉆柱與井眼的接觸以及鉆頭與地層的相互作用而引起的。可分為縱振、橫振和扭轉振動,鉆進過程中3種振動往往是耦合在一起的,振動產生的高頻交變應力與裂紋相互作用,降低材料韌性,加速裂紋擴展速率,導致裂紋尖端疲勞強度降低,造成鉆柱的疲勞斷裂。尤其當激振源激振頻率與鉆柱固有頻率相當時,鉆柱將產生共振現象。鉆柱共振不僅降低了能量傳遞的效率,更嚴重的是導致鉆柱內的交變應力和振幅大幅上升,加劇鉆柱疲勞斷裂。

普光12井發生多次鉆柱斷裂事件,正是因為所用轉盤轉速為75r/min,正好處于鉆柱的共振轉速帶內,引起鉆柱共振,加劇了鉆柱的疲勞斷裂,在地面也感覺到鉆柱的大幅度振動。

2.3.4 鉆具的使用管理

目前,普光氣體鉆井大都采用原來的鉆井液鉆井所用的鉆具,雖然其材質分析符合API標準,但在鉆井過程中,鉆具斷裂仍頻繁發生,可見,鉆井液鉆井的鉆具未必適合氣體鉆井的情況;而且,針對鉆井液鉆具的API標準也未必符合氣體鉆井鉆具。另外,由于目前鉆具探傷方式效率低或探傷不方便,不能保證入井鉆具的質量,使鉆具可能帶傷工作,這些都可能導致鉆具發生早期疲勞斷裂。

3 結論與建議

1)普光氣田氣體鉆井鉆具斷裂嚴重,以鉆桿、鉆鋌斷裂為主,且鉆桿斷落位置集中在鉆桿管體與加厚部分的過渡帶區域,鉆鋌斷落位置主要集中在鉆鋌母扣處。

2)鉆具斷口規則,有明顯貝殼紋絡線,為典型疲勞斷口特征,主要原因在于其工況條件及使用情況。

3)氣體鉆井特殊的循環介質、破巖方式以及鉆進過程中鉆柱的共振是導致鉆具頻繁斷裂的主要原因之一,另外,目前還沒有針對氣體鉆井的專用鉆具,且鉆具缺乏探傷,不能保證入井鉆具的質量,這也是導致鉆具發生早期疲勞斷裂的原因。

4)研制適合氣體鉆井工況的專用鉆具,制定符合氣體鉆井鉆具的新的API標準。

5)開展牙輪鉆井條件下,鉆柱縱振對鉆具疲勞斷裂的量化影響,尤其應考慮不同鉆壓下鉆柱縱振對鉆具疲勞斷裂的作用機理研究。

6)分析研究空氣錘鉆井條件,空氣錘鉆頭斷裂的原因,推廣應用空氣錘鉆井技術。

[1]EASTMAN CHRISTENSEN S L.Development of air drilling motor holds promise for specialized directional drilling applications[C].SPE Annual Technical Conference and Exihibifion,6-9October1991,Dallas,Texas.

[2]NEGRAO A F,LAGE A C V M,CUNHUA J C.An overview of air/gas/foam drilling in Brazil[J].SPE Drilling &Completion,1999,14(2):109-114.

[3]張金成,位華,于文紅.空氣鉆井技術在普光氣田的應用[J].鉆采工藝,2006,28(6):8-10.

[4]羅整,徐忠祥,李曉慧,等.空氣錘鉆井技術在氣體鉆井中的應用[J].鉆采工藝,2007,30(6):9-11.

[5]孫繼明,侯樹剛,李鐵成.空氣鉆井技術在普光D-1井的應用[J].石油鉆探技術,2006,34(4):24-26.

[6]章揚烈.鉆柱運動學與動力學[M].北京:石油工業出版社,2001.

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.019

Huang Zhiqiang,professor,was born in1968.He graduated in mechanical engineering from Southwest Petroleum Institute in1990. He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in research of oil and gas drilling and production equipments,percussion-rotary drilling technology&facilities,and surface engineering of equipments,etc.

Add:No.18,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan610500,P.R.China

Tel:+86-28-83032148 E-mail:huangzq@swpu.edu.cn

Mechanism analysis on drill-string fracture during gas drilling in the high-H2S Puguang gas field

Huang Zhiqiang1,Huang Jiliang1,Li Qin1,Song Jianing1,Yang Fengshen2,Xu Xiaorong3,Wei Wu4,Xu Qicong4
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan610500,China;2.B GP International,CN PC,Zhuozhou,Hebei072751,China;3.L uming Petroleum Development Co.,L td.,Sinopec S hengli Oilf ield Com pany,Dongying,S handong257000,China;4.CN PC Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,Chengdu,Sichuan610051,China)

Aiming at the frequent occurrence of drill-string fracture during gas drilling in the Puguang gas field,this paper,based on the statistical analysis of accidents on fields,makes in-depth investigation into the origins of drill-string accidents in aspects of peculiar drilling medium,different rock-breaking methods,and the vibration of drill string during the drilling process.Through macro, micro and material analysis of the fracture surface of drill string,the law of drill-string failure due to fracture is discovered and the fatigue fracture is found out to be the main type of drill-string fracture.Hereby,this paper suggests that special drilling tools should be studied and developed adaptable for the actual working conditions of gas drilling,a special API standard should be set up as the basis for selecting gas drilling tools,and a series of studies should be carried out,e.g.,in the roller-bit drilling,on the quantitative impact of longitudinal vibration of drill string,especially that under different drilling pressures,and on the fatigue fracture of drill string.This will provide theoretical reference for the prevention of drill-string fracture,the decrease of drilling cost,and the promotion of gas drilling technology.

Puguang gas field,deep well,ultradeep well,gas drilling,drill string fracture,fatigue fracture,mechanism

book=75,ebook=50

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.019

2009-10-30 編輯 鐘水清)

中國石化應用基礎研究項目“氣體鉆井鉆具損壞規律及工藝參數優化研究”(編號:p07043)。

黃志強,1968年生,教授,博士;1990年畢業于原西南石油學院機械專業;從事石油天然氣鉆采裝備和沖旋鉆井裝備及工藝和設備表面工程的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區西南石油大學設備處。電話:(028)83032148。E-mail: huangzq@swpu.edu.cn

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.75-77,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)