淺造斜點與鉆具疲勞累積失效的關系及啟示

朱全塔 岳硯華 王德康 鄒宗明 馬林虎

1.國民油井格蘭特鉆具有限公司 2.中國石油川慶鉆探工程公司 3.中國石油川慶鉆探工程公司川西鉆探公司

筆者從中國石油川慶鉆探工程公司（以下簡稱川慶鉆探）的2013年度鉆具疲勞失效分析會議注意到：茍西003－H1井［1］一共發生14次在鉆桿過渡帶消失區的刺穿失效，其中9次為連續發生的，更換不同廠家鉆具無效。而鄰近2口井采用同廠家的鉆具則沒有發生任何失效，不同的是該井造斜點僅為300m，但井斜不大且發生失效段狗腿度也不大。這種明顯的周期性鉆具累積疲勞破壞近年時有發生，主要與井身軌跡復雜有關［2］，應重點考慮淺井段造斜作業的影響。以此作為一種失效類型進行統計，力求分析得出結論，既可以為施工作業進一步預防和避免此類失效提供思路，也可以為設計部門借鑒。

1 問題提出和失效情況總結

茍西003－H1井于2012年3月28日開鉆，從400 m開始定向繞障，定向段400～624m，井斜由4°上升至12°，造斜段數據見表1。

在 311.2mm井眼鉆至2 128m開始，先后發生了3次 127.0mm鉆桿加厚過渡消失區刺穿失效，其后又在 215.9mm井眼內發生2次 127.0mm加重鉆桿中接頭刺穿失效，前后更換2套 127.0mm鉆桿無效，第3次更換 127.0mm S135×9.19mm大水眼鉆桿，約1個月后鉆具刺漏現象再次出現，并在14d內連續發生9次幾乎相同的鉆具失效。縱觀鉆具失效特征有3個共性：①失效部位都發生在距母接頭螺紋臺肩400～800mm范圍內，鐓粗帶過渡消失區；②9次失效中有7次都發生在距井口400～600m的側鉆狗腿附近；③9次失效都發生在 215.9mm井眼用PDC鉆進工藝過程中，最高轉速達90r／min（圖1）。表2是收集到的幾起類似鉆具失效井的相關數據。

中國石油大慶鉆探工程公司（以下簡稱大慶鉆探）在冀東油田同時施工作業了4口井，分別使用同一廠家同批新鉆具，南3－15井［3］從2013年7月1日起連續發生3起鉆具刺漏事件，刺漏位置均為母扣接頭以下0.4～0.6m的位置（圖2）。而其他3口井則沒有發生鉆具刺漏事件。其后技術交流過程中，廠商的解釋為井斜狗腿度偏大，而現場鉆井工程師卻列舉了一系列深井狗腿更大、使用同樣規格鉆具的其他廠家鉆具卻沒有發生失效，雙方對失效原因的認識無法達到基本一致。表3為該井的造斜段數據。

圖1 茍西003－H1井的失效鉆具照片

表2 頻繁刺斷鉆具的4口井的基本數據表

圖2 南3－15井的失效鉆具照片

中海油田服務公司（簡稱中海油服）在海上鉆井進行繞障作業井居多，設計淺造斜點的井很多，同平臺繞障作業的 WZ6－9－A5和 WZ6－9－A8［4］兩口井鉆具刺漏、斷的失效鉆具情況，與茍西003－H1的情況非常相似（圖3）。WZ6－9－A8井初始2次鉆具刺漏情況為：

第1次刺漏：鉆進至1 849m，泵壓下降0.7MPa，循環觀察，泵壓緩慢下降1MPa。刺漏點距離母扣端68cm，大小約2.5cm×1.5cm。刺漏時鉆井參數：鉆壓20～70kN，轉盤轉速130r／min，排量60L／s，扭矩6.5～15.61kN·m，泵壓11～12MPa。

第2次刺漏：鉆進至2 560m，泵壓下降0.3MPa，循環觀察，泵壓緩慢下降1MPa。刺漏點距母接頭端面67cm，大小約2cm×1cm。刺漏時鉆井參數：鉆壓50～90kN，轉盤轉速130r／min，排量60L／s，扭矩12.2～21.5kN·m，泵壓17MPa。

綜合以上幾起鉆具失效情況，歸納出5個共同點：①造斜點較淺的中深定向井；②使用一段時間后才發生，具有疲勞損傷的累積性；③一旦刺、斷失效發生，某段時間內頻繁發生；④失效情況幾乎相同，均為母扣接頭以下鐓粗帶過渡區；⑤更換不同廠家鉆具失效依然存在。

表3 南3－15井造斜段實鉆井眼軌跡表

圖3 WZ6－9－A8井鉆具刺漏照片

2 理論探討及失效分析

材料力學指出：金屬構件的疲勞極限，不但與材料有關，而且還受到構件的幾何形狀、尺寸大小、表面質量的影響，其所承受彎曲交變應力與否更是影響其疲勞極限的關鍵因素［5］。

1930年，英國人古德曼（J.Goodman）簡化了疲勞極限的曲線圖［6］，根據他的疲勞理論可以得出，鉆桿的疲勞強度不僅與鉆桿自身的性能有關，而且與其承受的平均應力即拉伸應力有關，拉伸應力越大，鉆桿疲勞所需的最低彎曲應力幅越小，所以井越深、鉆桿越靠近井口，鉆桿就容易發生疲勞，其受力情況見示意圖4。

圖4 鉆柱受力示意圖

為對疲勞極限進行進一步量化，為工程實際提供幫助。19世紀中期，力學家們根據疲勞極限研究成果又提出了疲勞壽命預測的概念［7］，將其分為疲勞強度準則、疲勞損傷累積法、局部應變法和損傷容積法等。

筆者涉及的疲勞破壞就屬于疲勞損傷累積，損傷累積法的理論基礎是 Miner法則［8］。Miner法則認為：根據σ－N曲線的定義，在恒定應力幅（σ）的作用下，構件運轉循環次數為N時，將產生完全損傷即失效。那么構件在應力σ作用下運轉一個比N 次數小的n時，將產生部分損傷，同時假定在這一過程中每一次損傷相同，則在σ的作用下，損傷概率為n／N，如果一個構件在包含不同應力（σj），將產生一個不同的損傷率nj／Nj，當這些損傷概率總和達到1時，就可以預測出現失效，也就是說：

其應力坐標圖譜見圖5。

據此，A.Lubinski提出了鉆具疲勞壽命預測理論［7］，他認為鉆具經過“狗腿”段時受循環彎曲應力作用，當彎曲應力足夠高時，鉆具在每一個旋轉周次里都會發生疲勞損傷。早在1961年，A.Lubinski就給出了計算最大允許“狗腿”嚴重度的計算公式，從而確定鉆具是否會發生疲勞損傷。

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圖5 極限應力σ－N坐標系上的譜狀應力圖

其后Hansford和Lubinski提出過一種簡易的方法來估算鉆桿通過狗腿段后的累積疲勞損傷，定制了腐蝕介質和非腐蝕介質中E級鉆桿在不同狗腿嚴重度和拉力下消耗的壽命［9］（圖6，參見 GB／T 24956—2010《石油天然氣工業鉆柱設計和操作限度的推薦作法》第68頁）。在不同轉速和鉆速情況下，可用下面公式進行校正。

式中實際轉速單位為r／min；實際機械鉆速單位為m／h。

由上可見，通過理論上的不斷延伸和分析，影響鉆具的井下累積疲勞壽命的關鍵因素主要為：狗腿下的浮重（所受的拉應力）、井眼狗腿嚴重度、所受循環應力次數和井下腐蝕環境等。

狗腿下的浮重這一因素恰恰明晰了此類井發生這種刺漏、斷失效的根本原因所在，即便狗腿度不大，如果造斜點太淺，狗腿下的浮重產生的拉應力若達到鉆具疲勞累積極限，鉆具就將發生失效。

3 推薦做法和預防措施

2010年的GB／T 24956—2010《石油天然氣工業鉆柱設計和操作限度的推薦作法》標準［9］中就曾給出了井眼狗腿嚴重度和狗腿下的浮重對產生疲勞極限的曲線圖，其中S135鋼級幾種尺寸鉆具參考圖9。

圖6 漸變狗腿中的疲勞破壞圖

圖7 鉆桿上失效位置圖

圖8 API／IADC失效數據庫統計鉆具失效圖（1990年）（1in＝25.4mm）

圖9 S135鋼級鉆桿產生疲勞破壞時的狗腿嚴重度極限圖

圖9盡管對造斜點深淺與鉆具失效的關系沒有清晰表明，但狗腿度下的浮重則從更廣的角度說明，斜井段受拉伸的鉆具長度對起始斜井段的鉆具疲勞極限起到至關重要的影響。也就是說，鉆具所受拉伸應力越大，鉆桿疲勞所需的最低彎曲應力幅越小。井口附近狗腿最危險（即淺造斜點），井越深越危險。

根據上面曲線圖，以 127.0mm S135鉆具為例，假定造斜點為300m，斜井段長度為3 000m，則狗腿嚴重度臨界值為3.44°／30m，在淺井造斜的情況下此造斜率非常容易超過。換而言之，這樣的井使用的鉆具在造斜段附近均處于疲勞損傷累積極限區域。

針對以上分析，根據常用的 127.0mm和 139.7mm鉆具曲線圖，反算出常用的鉆桿容許的最大井眼曲率如表4，可在現場使用參考。以此表格對比發生失效的4口井的情況（表2），可知其造斜點處的狗腿度均超過了容許限度，茍西003－H1更是達到了6.24°／30m。

表4 常用鉆桿容許的最大狗腿嚴重度表［12］

就設計部門而言，不唯深井超深井需關注井眼狗腿嚴重度問題，淺層造斜點的中深井設計也應能避免則避免，尤其是施工周期較長，鉆具疲勞累計容易達到極限而造成頻繁鉆具刺漏、斷鉆具的井。

從現場檢驗角度而言，如果淺造斜點井已成事實，應對鉆具疲勞壽命做出有效預測預警，估算累計疲勞破壞，對鉆具做出及時檢驗。并可用此來識別疲勞鉆桿并對疲勞鉆桿進行分級，對經計算使用壽命已達100%以上的鉆桿進行檢查。若不降級使用或報廢，則應盡可能地嚴密監測，鐓粗帶過渡區尤其需要嚴格檢測［13］。對現場而言，應對鉆具進行更嚴格的管理，及時倒換鉆具，避免部分鉆具始終處于彎曲疲勞極限區，造成損傷累積以致頻繁批量的刺漏、斷鉆具。

4 結論

1）淺造斜點定向井施工一定周期后，發生嚴重的頻繁刺漏、斷鉆具的主要原因是鉆具疲勞損傷累積。

2）造斜點越淺，鉆桿疲勞所需的最低彎曲應力幅越小；較小的狗腿度即可達到損傷累積極限，井越深越危險。

3）鉆桿鐓粗加厚帶及其附近位置為現代鉆具生產的薄弱區，是最主要的應力集中點，因而也是最易發生疲勞損壞最終表現為刺漏、斷的位置。

4）若非特殊設計目井的施工需要，鉆井設計部門應盡可能避免設計淺造斜點的中深定向井；針對淺造斜點井設計，應根據鉆具疲勞損傷累積法計算出最大許可狗腿度，從源頭上避免使鉆具進入損傷累積極限區的設計。

5）針對淺造斜點井，應對鉆具疲勞壽命做出有效預測，進行更嚴格的管理，對鉆具做出及時檢驗和分級，避免造成損傷累積以致頻繁批量的刺漏、斷鉆具。

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