卡瓦咬傷擠毀鉆桿的分析及解決方法

劉賢文，馬金山，魏立明，魏紅印，郭 寧

中國石油集團渤海鉆探鉆井技術服務分公司(天津300280)

卡瓦咬傷擠毀鉆桿的分析及解決方法

劉賢文，馬金山，魏立明，魏紅印，郭 寧

中國石油集團渤海鉆探鉆井技術服務分公司(天津300280)

在鉆井施工過程中一般采用“一卡一吊”的起下鉆作業，造成了在距離鉆桿母端600～900mm范圍產生卡瓦咬傷，當壓力超過鉆桿的擠毀強度時擠毀鉆桿。由于卡瓦咬傷鉆桿管體而引發鉆桿刺漏及斷裂，目前還是無法解決的技術難題。通過在鉆桿母接頭端和加厚管端之間焊接厚壁管(雙焊縫技術)，使得卡瓦與鉆桿的咬合部位焊接了一定長度的厚壁管(1 100mm)，由于卡瓦咬合處壁厚(15.85mm)比常規壁厚(9.19mm)增加72%，選用高鋼級的管體壁厚材料(828MPa)，卡瓦咬合處管體的抗擠毀強度比管體提高了97%;達到了抗卡瓦咬傷、擠毀及提高抗拉強度的目的。

抗擠毀;雙焊縫;卡瓦咬傷;刺漏;鉆桿

隨著鉆井技術的發展，鉆井的深度、水平段的長度等均大幅度增加。為了減少起下鉆時間，提高鉆井效率及安全，普遍采用“一卡一吊”的起下鉆方式，在距離鉆桿母接頭端600～900mm范圍產生卡瓦咬痕。在鉆桿自重越來越大的時候，井口需要夾緊的力矩將加大，卡瓦必然會在鉆桿管體上留下劃痕和齒痕而引發鉆桿刺漏，當壓力超過鉆桿的擠毀強度時擠毀鉆桿［1-3］。因此，如何解決卡瓦咬傷及擊毀鉆桿成為關鍵問題，研制及應用抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿，提高鉆桿的抗咬傷及抗擠毀機械性能，從而減少鉆具的刺漏失效，滿足深井、復雜結構井對鉆具的可靠性要求［4］。

1 卡瓦咬傷及擠毀鉆桿調查及分析

1.1 鉆桿咬傷及擠毀調查

隨著井深的增加，井下鉆具的懸重增加，井口坐于卡瓦中的鉆桿所受的夾持力隨著卡瓦夾緊力的增加，卡瓦咬合處必然會在鉆桿管體上留下咬痕或齒痕，會導致鉆桿發生疲勞或腐蝕疲勞破壞，鉆桿發生失效事故的概率也會隨之增加。如卡瓦咬傷、卡瓦擠毀及后續引發的刺漏及斷裂。

大港油田某井，設計井深5 028m，使用了“一卡一吊”的起下鉆方式，在鉆桿的表面已經形成深度不一的咬痕。在鉆進到4 615m時，許多鉆桿在卡瓦夾持段已發生擠毀變形，管體存在卡瓦咬痕與擠毀區域均在離鉆桿母扣焊縫下部1 000mm區域以內，見圖1、圖2。

1.2 鉆桿咬傷及擠毀分析

由于使用卡瓦，在鉆桿管體上形成咬痕，咬痕的存在使管體的有效承載面積減小，鉆桿的抗拉強度、抗扭強度明顯減小。在大段卡瓦咬痕的鉆桿段將首先成為鉆桿應力最為集中的部位，也是抗拉強度最低的部位，嚴重時可造成鉆柱縮頸甚至斷裂。

有卡瓦作業損傷的鉆柱下到井下工作時，鉆柱會受到內壓作用，損傷處有恢復的趨勢，而這一情況將使鉆柱作業損傷處表面受拉應力。然而這一附加的拉應力將使劃痕的開口加大，深度增加極易誘發鉆柱刺漏及斷裂失效。

圖1 鉆桿夾持段存在的咬痕

圖2 鉆桿夾持段引起的擠毀形貌

在上卸扣時，鉆桿在卡瓦上轉動，卡瓦牙會對鉆桿造成較嚴重的傷害而出現橫向劃痕。在使用過程中，鉆桿受到交變應力作用產生彎曲，使得橫向劃痕快速發展，最后裂紋貫穿鉆桿本體而形成刺漏。因此，卡瓦牙痕及周向劃痕在大扭矩作用下，形成橫向表面裂紋是導致鉆桿刺漏的原因之一。

鉆桿的鋼級不同，卡瓦咬痕的深度也不同，G105鉆桿咬痕深度大多在1～2mm，但S135鉆桿的咬痕比G105咬痕淺在0.4～0.7mm，但在一些咬痕底部發現已經萌生的疲勞裂紋，見圖3、圖4。

圖3 G105鉆桿咬痕宏觀形貌

圖4 S135鉆桿咬痕宏觀形貌

1.3 卡瓦咬傷及擠毀的危害性

在深井作業過程中，由于使用卡瓦不可避免的會在鉆桿管體上留下咬痕，一般來說，咬痕會減少鉆桿的有效承載面積，咬痕越深，在咬痕處的應力集中現象越明顯。表面存在卡瓦咬痕的鉆桿下井后，在拉伸、扭轉、彎曲等復合載荷的作用下，鉆桿易發生疲勞失效或腐蝕疲勞失效。

卡瓦咬痕引起的鉆桿刺漏失效(圖5)，咬痕降低了鉆具的有效承載面積，在咬痕底部造成應力集中，卡瓦咬痕處腐蝕產物底部萌生出疲勞裂紋(圖6)。萌生的小裂紋會進一步擴展，穿透整個壁厚后形成刺孔，如果沒有被及時發現，甚至造成鉆桿斷裂落井事故。

圖5 卡瓦咬痕引發的鉆桿刺漏失效

圖6 咬痕坑底引發的腐蝕疲勞裂紋

2 卡瓦咬傷擠毀鉆桿解決方法

針對在深井、復雜結構井出現的卡瓦咬傷及擠毀鉆具失效情況，提出了相對應的技術解決方法，改變及優化現有鉆桿的幾何尺寸結構。大量的試驗研究表明:鉆桿卡瓦段的抗擠毀能力與徑厚比存在主要關系，適當的增加鉆桿卡瓦夾持段的壁厚能在很大程度上提高鉆桿的抗擠毀能力。同時考慮到管體內徑減小會增大壓耗損失，可以增加鉆桿接頭的內徑，既提高鉆桿的抗擠毀能力，又減小內壓力損耗，能有效的降低鉆桿的失效數量，提高鉆井效率。

2.1 防卡瓦夾持段咬傷、擠毀分析及解決方案

在鉆桿卡瓦夾持段抗擠毀能力以及卡瓦咬痕對鉆桿疲勞壽命影響的因素中，存在2個問題:一是提高鉆桿本身的抗擠毀能力;二是在咬傷裂紋源形成后，延長在其疲勞裂紋的擴展時間。

針對上述問題，首先從卡瓦段材料強度進行優選，提高鉆桿的抗卡瓦性能。雖然在使用卡瓦過程中，咬痕不可避免，但是提高鉆桿夾持段的強度，可以有效地增大咬痕形成的時間和減少咬痕深度，進而延長裂紋的萌生壽命;如果提高鉆桿強度的同時，保證鉆桿韌性，同樣可以延長裂紋擴展壽命，最終提高鉆桿的疲勞總壽命。

其次，通過在鉆桿卡瓦夾持段增加厚壁管、改進過渡帶結構尺寸，提高鉆桿抗擠毀能力。抗卡瓦厚壁管段起到了接頭剛性到管體柔性的平滑過渡，應力分布更加均勻增加疲勞壽命，厚壁管也允許卡瓦咬的更深，從而可以提高鉆桿的疲勞性能和降低疲勞失效的能力，圖7為鉆桿防卡瓦段示意圖。

圖7 鉆桿抗卡瓦段示意圖

2.2 抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿研制

在API SPEC 5DP《鉆桿規范》(以下簡稱API)［5］要求的標準內外加厚鉆桿的基礎上對卡瓦夾持段結構、加厚過渡帶及鉆桿接頭結構進行優化設計的一種新型鉆桿。抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿的主要改進之處在于:采用雙焊縫技術在鉆桿母接頭和加厚部分之間焊接厚壁管，厚壁管與鉆桿加厚和接頭焊頸有著相同的內徑和外徑。并且為了提高卡瓦擠毀段管體的機械性能，所焊接的長為1 100mm加厚段的材質(828MPa)和管體材質不同(724MPa)。接頭選取高鋼級的材質(897MPa)，增加接頭水眼內徑(86.5mm)的同時對其加厚過渡帶進行優化，使得在焊接后進行整體熱處理后，管體機械性能都達標的情況下，長為1 100mm抗卡瓦段的機械性能比所焊接的管體性能要好。由于鉆桿卡瓦處的管體壁厚(15.85mm)比常規壁厚(9.19mm)增加72%，達到從外部防止卡瓦咬傷、擠毀及提高抗拉強度的目的。

1)接頭技術參數:接頭內徑大小直接影響鉆井液內壓耗，鉆桿接頭水眼尺寸越大，內壓耗損失越小。優先選擇大水眼高強度接頭，鋼級由828MPa提高至897MPa，抗扭強度提高14.28%，內徑從82.6mm增大到86.5mm，降低了循環內壓耗19.86%，其抗扭強度比由0.84增大到0.90，接頭技術參數見表1。

2)厚壁管技術參數:厚壁管焊徑長度為11 000 mm，焊徑外徑為130.2mm，這樣的焊接外徑會造成封井器在關閉時影響密封，從安全及使用性能上考慮，管體鐓粗及抗卡瓦擠毀段外徑改為Φ127mm。厚管體最終焊徑一端Φ130.2mm×95.3mm，另一端Φ127.0mm×95.3mm，抗卡瓦擠毀段長度1 100mm，將通過摩擦焊焊接到焊徑為Φ127.0mm×95.3mm的一端，抗擠毀段的抗擠毀強度比管體提高了97%;抗扭強度提高了47%，厚壁管技術參數見表2。

2.3 抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿的性能試驗

抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿較API鉆桿存在一些結構及性能的不同，同時也對抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿有了較高的技術要求。通過對鉆桿的接頭性能、厚壁管性能進行試驗，試驗結果見表3、表4。試驗的結果表明性能完全滿足抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿技術要求。

Φ127mm G105抗卡瓦擠毀鉆桿的抗擠毀能力和API Φ127mm G105鉆桿相比有了明顯的提高，隨著咬痕深度增加到2mm，API Φ127mm G105鉆桿的抗擠毀能力由84.9MPa下降到75.8MPa，而同樣的咬痕深度，Φ127mm G105抗卡瓦擠毀鉆桿的抗擠毀能力僅僅由174.5MPa下降到171.2MPa，下降幅度不明顯，鉆桿的抗擠毀對比見表5。

表1 接頭技術參數

表2 厚壁管技術參數

表3 接頭性能試驗結果

表4 厚壁管性能試驗結果

表5 不同咬痕深度臨界擠毀壓力(MPa)及抗擠毀性能比較

3 抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿的現場應用

3.1 濱深24-14井概況

濱深24-14井是在大港油田馬棚口地區塊施工的三開斜度井，構造位置是濱海油田濱深22井區濱海斷鼻腰部位，在該井使用了127mm G105抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿。

1)鉆具組合。三開:Φ215.9mmPDC+Φ214mm穩定器+Φ165.1mm短鉆挺+Φ214mm穩定器+Φ165.1 mm浮閥+Φ165.1mm無磁鉆挺+Φ214mm穩定器+ Φ165.1mm鉆挺×6根+Φ127mm加重鉆桿×15根+ Φ127mm鉆桿+若干。

2)鉆井參數。三開:Φ215.9mm穩斜段4 200～4 742m，鉆井參數:鉆壓140～160kN，轉速75r/min，排量28～30L/s，泵壓18～20MPa。

3)井身結構。濱深24-14井井身結構為:Φ339.7 mm套管×800m+Φ224.5mm套管×3 207m+Φ139.7 mm套管×4 742m，如圖8所示。

圖8 濱深24-14井井身結構

設計井深4 742m;該井造斜點3 660m;垂深4 666.48m;最大井斜角23.86°;方位角167.20°;最大位移378.27m。

3.2 施工過程

在該井的使用過程中，對內抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿在井底、井口等位置下的受力情況進行記錄，并進行數據分析。

鉆進至4 360m時，下井鉆桿長度為4 139m/ 435根，輔助鉆具長度為221m。對鉆桿在不同位置的受力情況進行分析。

3.2.1 井口情況

采用“一吊一卡”的方式起下鉆，井口鉆桿承受軸向拉力和上卸扣時對加厚過渡帶及消失區的彎曲力、卡瓦徑向壓力。

記錄數據:懸重164t，測得卡瓦咬痕深度為0.3～0.4mm，以7.8～8.0MPa的液壓上扣，加厚過渡帶及消失區未發生彎曲或擠毀現象。

3.2.2 井底情況

在井底時鉆桿處于受壓狀態，經計算，對井底接近加重鉆桿處的12根Φ127mm G105抗卡瓦擠毀鉆桿在起出后進行外觀檢查，未發生彎曲變形現象。

3.3 使用效果

Φ127mm G105抗卡瓦擠毀鉆桿在大港油田使用了6口井。由于有防卡瓦擠毀段存在，防卡瓦段的壁厚明顯大于API標準鉆桿管體的壁厚，防卡瓦段管體所允許的咬痕深度比常規鉆桿管體所允許的深度更深。同時，由于防卡瓦段的材質和API標準的鉆桿管體材質不同，防卡瓦段的強度高于API標準鉆桿管體的強度。在卡瓦夾持力相同的情況下，防卡瓦段卡瓦咬痕比常規鉆桿管體上的咬痕淺。在上述2種情況共同作用下，研發出的新型內平外加厚鉆桿的抗刺漏、抗咬傷和抗擠毀性能明顯高于API標準內外加厚鉆桿的性能。

Φ127mm G105抗卡瓦擠毀鉆桿技術參數能夠滿足深井、復雜結構井鉆井條件下的鉆具組合結構以及現場施工工藝技術要求，可以滿足深井、復雜結構井鉆井生產需求。

4 結論

1)通過研究分析大港油田深井、復雜結構井鉆桿加厚過渡帶及消失區刺漏、擠毀失效的原因，提出了在增加厚壁管、改進過渡帶結構尺寸、提高加厚段及接頭的強度的解決方法。

2)加厚段長度1 100mm，將過渡帶消失區(高應力區)位置后移1 100mm;鉆桿應力集中位置已由過渡帶消失處的內壁轉移到外壁，應力水平降低15%以上，且有利于鉆桿使用后無損檢測。

3)卡瓦咬合處壁厚15.85mm，較API要求增加72%，允許卡瓦咬入更深;在有咬痕的情況下，抗擠毀能力最高提125.9%，達到了抗止卡瓦咬傷、擠毀及提高抗拉強度的目的。

4)接頭強度為897MPa，抗扭強度提高14.28%;加厚段截面抗彎曲系數提高了46.89%，有利于卸扣時防止鉆桿彎曲。

5)在深井、復雜結構井的井況條件下，使用抗卡瓦咬傷擠毀鉆桿不但顯著提高了卡瓦咬傷處抵抗疲勞破壞能力，而且也滿足了鉆桿接頭的抗扭強度，鉆桿的擠毀能力，內壓耗低的要求。

［1］李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預防［M］.北京:石油工業出版社，1999.

［2］畢雪亮，王長江，閻鐵，等.深井鉆具失效及分析［J］.鉆采工藝，2005，28(6):27-30.

［3］趙金，楊碧玉，崔順賢，等.某S135鉆桿腐蝕穿孔失效分析［J］.石油工業技術監督，2011，27(7):5-7.

［4］劉永剛，林凱，胡安智，等.復雜深井鉆柱安全研究［J］.石油礦場機械.2008，37(1):17-20.

［5］API SPEC 5DP鉆桿規范［S］

In the drilling process，the making a trip is generally the operation of＂a clutching--a lifting＂，which will lead to the drilling rod in the range of 600～900 mm from female joint to be bitten by split.The bitten drilling rod will be collapsed when the load pressure of the drilling rod exceeds collapsing strength.The thorn leakage and the rupture of the drilling rod caused by slip biting are still the technical problems not solved.A solution of the problems is proposed，that is，welding a section of thick wall pipe of length 110 mm between the female joint end and the thickening tube end，the wall thickness(15.85 mm)of the thick wall pipe is 1.72 times as thick as the wall thickness(9.19mm)of conventional drill pipe，and the collapsing strength of it is 1.97 times as great as the collapsing strength of conventional drill pipe.This thick wall pipe can resist the biting of slip to prevent the thorn leakage and the rupture of the drilling rod.

anti-collapse;double seam;slip biting;thorn leakage;drilling rod

尉立崗

2015-01-10

劉賢文(1967-)，男，主要從事鉆具管理及鉆具失效分析工作。