長北雙臺肩鉆具失效分析與預防

羅 磊，李興寶，孫佳才，丁 鵬，蘆造華

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

長北氣田自2009 年開始進入穩產期，各項技術及工藝的運用不斷完善。但是伴隨著三期區塊的開發，經過對現場資料分析發現，三期區塊水平段儲層相比一、二期區塊更加復雜，儲層不連續、非均質、厚度薄，同時泥巖和碳質泥巖段長度顯著增長。面對地質條件的日趨復雜，鉆井施工中鉆具斷裂等不可預料情況時有發生，長北項目克服了種種困難，日趨完善了雙分支水平井的各項技術，特別是大斜度、大水平段泥巖（碳質泥巖）和煤層鉆進等理論和實踐的日趨成熟。通過對這些重點技術難題進行攻關和創新，找出切實可行的解決措施，進一步完善雙分支水平井開發配套技術，為長北氣田的產能建設提供技術支持。

1 長北雙臺肩鉆具失效案例分析

數據統計：自2008 年至2011 年底，長北區塊發生大大小小鉆桿失效事件四五十起，其中包括裂縫，刺漏，斷裂等失效事件。產生非生產時間近70 d，經濟損失高達130 多萬美元。鉆桿失效問題嚴重影響了鉆井作業表現，同時增加了作業風險。2010 年，非生產時間接近一個月，經濟損失也達到了50 多萬美元，因此查明鉆桿失效根源，預防鉆桿破壞成為鉆井施工作業中的一項重要工作。

1.1 CB-DL1/CB-DL3 斷鉆具事故

CB-DL1 12 1/4”井段鉆進至3 406 m（已進入水平段），起鉆過程中鉆具斷裂落井，魚長2 834 m。其中包括鉆頭、電動機、隨鉆工具等底部鉆具組合以及鉆桿和加重鉆桿。下入磨鞋，磨掉鉆桿魚頂處剩余的鉆桿母扣之后，在下入貝克休斯打撈筒后成功打撈。

圖1 雙臺肩鉆桿母扣示意

CB-DL3 8 1/2”井眼鉆至4 379 m，發現泵壓降低，并且隨鉆測井儀器的轉速異常，檢查地面管線和泥漿泵，沒有刺漏，起鉆檢查鉆具。當起鉆到1 039 m，發現102 號鉆桿從母扣處斷裂，落魚長度1 039 m，包括鉆頭、電動機、隨鉆儀器等底部鉆具組合以及鉆桿和加重鉆桿。在下入磨鞋鉆具組合，磨掉魚頭上部節箍和耐磨帶部分，下卡瓦打撈桶打撈成功。

1.2 長北雙臺肩鉆桿失效的特點及原因

鉆桿失效一般表現為本體斷裂和刺漏，鉆桿螺紋處失效等。從以上兩例事故案例可看出，長北雙臺肩鉆具失效大多數表現為鉆桿螺紋處、母扣（連接）處失效。通過分析認為失效原因主要為：

（1）鉆進時鉆桿的基本力學工況：基本力學工況和單臺肩鉆桿失效的一般機理相同即：疲勞過度，拉伸/扭轉過載，擠壓過度等物理因素。

（2）鉆桿結構和材料：鉆桿接頭內加厚附近的鉆桿本體為承受彎曲應力集中區。當鉆桿接頭與不能形成泥餅的井壁接觸時，接觸摩擦系數大，摩擦力足以激發反動力。在反動力下彎曲應力交變頻率成倍增加，因此疲勞裂紋很容易在這個區域形成。螺紋連接處是整個鉆柱最薄弱的環節，其壽命一般難于同鉆桿本體相抗衡，在承受復雜交變應力（疲勞）頻繁作用時，螺紋處公扣、母扣連接處發生刺漏，導致斷裂。

（3）鉆具組合：用于不同直徑或不同扣型鉆桿過渡的配合接頭使用不當，配合接頭本身螺紋（主要是公扣）和與之相連的鉆桿螺紋就可能斷裂。

（4）井徑不規則影響：由于長北井眼軌跡設計為雙分支水平井，水平段長，狗腿度大，扭矩大等，致使井徑不規則或有的井段擴徑嚴重，從而導致鉆桿的彎曲程度隨之相應增大，鉆桿旋轉時連接螺紋部位受交變彎曲應力加速鉆桿疲勞失效，同時螺紋連接受力復雜化，加劇了螺紋疲勞損壞。

（5）螺紋密封脂：鉆工對雙臺肩鉆桿不熟悉，只對主臺肩潤滑密封，未對第二臺肩密封。使用或涂抹方法不當，如用柴油清洗鉆桿絲扣、螺紋密封脂不加蓋混入鉆井液、雜質或加機油稀釋使螺紋密封脂附著困難、螺紋密封脂涂抹量少或涂抹不到位等，造成鉆桿螺紋連接時不能進行有效的密封和潤滑而發生絲扣黏結，出現緊扣現象，卸扣時扭矩過大，最終導致絲扣破壞。

（6）上扣過程：井隊在接立柱過程中，立柱中心軸線與入井鉆桿軸線同心度偏差較大，在螺紋旋合時引起偏斜對扣，造成接頭螺紋碰傷，加之高速引扣，引起公母螺紋牙齒相互干涉，造成螺紋面的擠壓磨損、塑性變形，最終使大面積的接頭粘扣,進而導致鉆桿失效。

（7）井底震動較大，包括徑向和縱向震動。長期井下震動，加速鉆具的疲勞，最終導致鉆具失效。

（8）泥漿對鉆具的腐蝕，主要表現為點蝕（腐蝕坑）、穿孔等。長北鉆井液中含有氯離子（氯化鉀有利于井壁穩定），其對鉆具的腐蝕較為嚴重。

2 長北鉆具管理措施

鉆具失效的類型多種多樣，其失效原因各不相同，為了提高鉆具的使用壽命，須從鉆具的檢驗、合理使用、管理等全過程的每一環節抓起，采取多種手段，推廣提高鉆具使用壽命的新工藝、新技術，進行綜合治理。根據長北鉆具失效的特點，采取以下一些措施對鉆具進行管理。

2.1 鉆具日常管理措施

（1）針對長北水平井的特點：造斜段長、水平段長、局部狗腿嚴重程度高等。首先通過優化井身結構，其次，現場嚴格跟蹤鉆桿使用記錄，當鉆桿經過一定的工作時間后，將在造斜段、水平段、側鉆點使用過的鉆桿轉移至上部直井段，最大程度的避免鉆桿在短時間內疲勞累積從而引起疲勞失效。另外，選擇合適的，柔性更高的鉆桿。

（2）針對雙臺肩面鉆桿的結構特點，制定《鉆桿維護保養原則》，該原則主要包括：加強鉆桿絲扣的清潔；司鉆熟知鉆桿上扣扭矩；及時校驗液氣大鉗或鐵鉆工扭矩儀；詳細記錄鉆桿使用時間以供參考；嚴格標記磨洗作業中使用過的鉆桿；加強鉆桿檢測，對存放超過6個月的新鉆桿，按照要求抽檢10 %。

為了更好的維護和保養鉆具，控制鉆具失效事故發生，以延長鉆桿壽命。長北項目鉆井技術人員依據鉆具管理體系要求，開動腦筋制作了一套鉆桿清洗裝置。該裝置直接安裝在轉盤下面，在起下鉆過程中能很好的沖洗鉆桿表面，有效地清除滯留在鉆桿表面的泥漿材料，從而降低腐蝕的風險。

（3）為了避免不良的操作習慣對鉆桿造成人為損傷，現場專門制定了管理制度，如《鉆桿檢測和要求》、《現場人員崗位職責》、《起下鉆上、卸扣標準操作程序》等。

（4）時刻關注鉆井參數，特別是泵壓變化。鉆井施工過程中的泵壓下降，可能是井下鉆具刺漏的前兆，也有可能是由于地面管線，泥漿泵，泥漿性能變化造成的。為正確判斷井下鉆具刺漏，避免不必要的起鉆調查，現場需立即執行如下的泵壓下降檢查程序。

2.2 鉆具管理的技術措施

（1）針對不穩定地層對鉆具疲勞累積的影響，通過對儲層的認識，并利用現有的技術選擇性的避過不穩定地層，通過優化泥漿體系，加強井壁的穩定性。

（2）起鉆后發現鉆桿接頭表面會出現一些腐蝕坑，久而久之就可能導致鉆桿失效。針對鉆桿腐蝕情況，現場通過控制泥漿的pH 值；使用并改良緩蝕劑和除氧劑；下入腐蝕環定期監測腐蝕程度等技術手段加以控制與檢測。

（3）針對液氣大鉗對鉆桿接頭損傷嚴重問題，通過引進威德福公司的鐵鉆工，并運用于現場，大幅度的減輕了對鉆桿接頭的咬痕，鉆具破壞得到了明顯的控制。

長期使用液氣大鉗對鉆桿上扣，發現鉆桿表面會出現類似研磨和切削痕跡（見圖2，圖3）。為解決這一問題，最大程度的保護鉆桿，長北項目租賃了威德福的鐵鉆工。該設備廣泛應用于陸上、海上石油鉆井，對管徑尺寸在3 1/2”-9 5/8”的鉆具（鉆桿、鉆鋌、套管及各型接頭）進行上、卸扣作業的工具，可大大減輕鉆工在起、下鉆作業時的勞動強度，提高了作業的安全性和可靠性。鐵鉆工安裝在鉆井平臺上，采用手動控制、腰間面板盒控制或司鉆房中PLC 觸摸程序控制方式，使其機械臂可自如伸向井口。同時，鐵鉆工能將伸出的整個鉗頭進行偏轉，調整偏轉角度。現場實際使用情況表明，使用威德福鐵鉆工后，鉆具破壞得到了明顯的控制。

圖2 鉆桿接頭上鉗牙磨痕

圖3 威德福鐵鉆工鉗牙咬痕

（4）針對鉆柱震動對鉆桿失效的影響，通過RTOC中心技術模擬與監測，實時調整井底參數從而避免鉆柱的共振。現場通過錄井與哈利伯頓SVSS 參數對鉆柱的井下震動（連續和瞬間震動）進行監測。當鉆柱井下出現連續震動，震動加速度為0～2 個單位為低度震動；當震動加速度為2～4 個單位為中度震動；當震動加速度大于4 個單位為高速震動（見表1，表2）。

表1 鉆柱井下連續震動時震動加速度表

表2 鉆柱井下瞬間震動時震動加速度

利用該軟件可以有效地監測出井下鉆具的震動，并反饋給司鉆和定向人員，從而采取有效的措施，調整鉆井參數，降低井下震動，這樣就有效地控制了由于震動帶來的鉆具疲勞。

（5）軟扭矩的應用：軟扭矩系統是一套嵌入到頂驅控制系統中的軟件系統，它通過調節頂驅的旋轉轉速為鉆進過程中的井下振動提供一種緩沖效應。鉆進過程中它根據扭矩變化實時調節頂驅旋轉轉速，從而達到減輕旋轉振動的目的（見圖4）。

圖4 軟扭矩系統安裝圖解

（6）滑動鉆進軟件的應用（Slider）：該軟件首先獲得鉆具復合鉆進以及空轉時的扭矩，通過控制頂驅旋轉扭矩，在滑動鉆進中旋轉鉆柱，以保證井底的工具面不發生變化，以減少滑動鉆進中摩阻，保護井下鉆柱，達到提高機械鉆速的目的（見圖5）。

圖5 滑動鉆進扭矩對比圖

3 鉆具管理的應用效果

表3 近兩年鉆具失效相關統計

從表3 中可以看出，鉆具失效事件逐年呈明顯下降趨勢。2012 年鉆桿失效造成的非生產時間由2010年的28.35 d 減少到5.80 d，減少了80 %。失效次數減少了80 %；經濟損失減少了40 萬美元，2013 年隨然也發生了鉆具失效事件，但被及時發現并起出，未進行鉆具打撈作業。通過對現場鉆具管理的執行，鉆具失效事件得到了有效控制。

4 結論與建議

（1）長北雙臺肩鉆具失效主要是由于長北水平井水平段長、方位調整大的自身特點以及雙臺肩鉆桿自身結構引起的；其次，儲層的不穩定性、液氣大鉗損傷鉆桿接頭、泥漿腐蝕、鉆柱震動及不良操作習慣等因素，都從客觀上加劇了鉆桿的失效。

（2）2011 年，長北項目針對鉆具失效的主要原因，引進鐵鉆工、應用井下震動檢測技術能等措施，完善了《鉆桿維護保養原則》、《鉆桿檢測及要求》等現場管理制度，有效地降低了鉆具失效的頻率，降低了鉆井非生產時間，因鉆具打撈產生的經濟損失明顯降低。

（3）鉆具失效的原因及特點多種多樣，通過科學管理和技術措施是控制鉆具失效的最佳途徑。近年來，發生在長北項目中的鉆具失效案例較多，其中80 %的案例在失效前期已被及時監測，減少了鉆具斷裂落井事故的發生。

（4）針對長北水平井斜度大，水平段長的特點，對鉆桿抗彎曲程度要求比較高，建議在鉆具設計與選型方面，試用G 級或更具柔性的低級別鉆桿。

（5）鉆具管理推行過程中還存在一些難題。例如鉆桿選型優化、質量控制、井眼軌跡優化控制、泥漿性能持續改良、鐵鉆工的高效使用等技術難點和問題需要進一步攻關。

［1］ 仲建國，張小鵬.白音查干油田鉆具失效原因分析與預防［J］.內蒙古石油化工，2006，11（6）：143-144.

［2］ 蘆恒.鉆具先期疲勞腐蝕失效的預防與控制［D］.西安：西安石油大學，2006.

［3］ 李玉民，謝惠華.加強鉆具系統管理,提高鉆具使用的可靠性及使用壽命［J］.Symposium for international Workshop for OCTG Technology and Standardization，2012，（6）：77-79.