深井鉆桿疲勞刺漏原因與鉆柱設計

王新虎，盧　強，蘇建文，謝巨良

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077；2.塔里木油田分公司　新疆　庫爾勒　841000)

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深井鉆桿疲勞刺漏原因與鉆柱設計

王新虎1，盧強2，蘇建文2，謝巨良2

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室陜西西安710077；2.塔里木油田分公司新疆庫爾勒841000)

摘要：分析了西部油田多年鉆桿大量疲勞刺漏的原因，認為127 mm鉆桿不適合深井、超深井的的大拉力、高扭矩、高轉速、大狗腿、強腐蝕等等復雜工況。通過計算論證，表明只有大直徑鉆桿才能滿足深井、超深井安全鉆進的要求，提出了用于深井的大直徑鉆柱設計思想，推薦了可用于深井、超深井的大直徑鉆桿。

關鍵詞：鉆柱；深井；設計；疲勞

1西部某油田鉆桿疲勞刺漏概況

近幾年西部某油田鉆具失效情況發生了明顯的變化，表1是鉆具失效類型及次數變化情況。

在西部油田會戰初期，物資供應充足，鉆桿更新很快，主要使用的是新鉆桿及一級鉆桿，所以2000年以前鉆桿疲勞刺漏很少，主要以底部鉆具螺紋疲勞斷裂為主。隨后推廣應用了中國石油石油管工程技術研究院的抗疲勞螺紋技術，并對底部鉆具螺紋及時 “趕扣”維修，鉆具螺紋斷裂失效明顯減少。隨著體制的改革，鉆桿更新速度減緩，從2002年開始，鉆桿管體疲勞刺漏顯著增加。

表1　近幾年西部某油田鉆具失效類型及次數變化情況

注：斷指螺紋斷裂，刺指鉆桿刺漏。

2深井鉆桿疲勞刺漏原因分析

2.1127 mm鉆桿在深井、超深井中壽命顯著縮短

如圖1示，根據古德曼的疲勞理論，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。圖2是西部某油田鉆桿疲勞刺漏深度分布圖，越靠近井口，鉆桿刺漏頻率越高。

圖1　鉆桿疲勞強度與平均拉伸應力關系

圖2　西部某油田2001至2005年上半年鉆桿疲勞刺漏深度分析

管研院通過鉆桿全尺寸疲勞試驗，得出空氣介質中鉆桿疲勞壽命與鉆桿循環彎曲應力幅及拉伸應力的關系為：

式中，N是鉆桿疲勞時應力循環數；

σp是鉆桿彎曲應力幅， MPa；

σj是鉆桿拉伸應力， MPa；

表2是計算得到的不同井深時位于井口的127 mm鉆桿(壁厚9.19 mm)的疲勞壽命，假設井口鉆桿彎曲，彎矩恒定，產生彎曲應力80 MPa，底部鉆鋌規格為159 mm、長度200 m，泥漿比重1.20 g/cm3。計算結果表明，隨著井深的增加，鉆桿疲勞壽命急劇減少。在深度超過5 000 m以上井中的鉆桿疲勞壽命顯著低于3 000 m以下的井。

表2　計算得到的不同井深時位于井口的

表3是早期統計的長慶油田、華北油田、克拉瑪依油田的鉆桿使用壽命，這些油田的井深約是西部某油田的一半，內涂層鉆桿的使用壽命超過10萬米。表4是西部某油田2003年至2005年刺漏鉆桿級別數量，刺漏鉆桿大部分是二級鉆桿，這些鉆桿大部分是1998年前購入的進口或國內合資廠生產的鉆桿，這些鉆桿進尺約60 000 m，現在已經疲勞老化， 這是因為普通127 mm鉆桿在深井、超深井中壽命明顯縮短。

我國深井鉆柱設計與淺井鉆柱設計的主要區別是將淺井采用的G級鉆桿改變為同尺寸的S級鉆桿，只是材料強度的提高，而幾何尺寸沒有變化。S135鉆桿與同規格尺寸的G105鉆桿相比，雖然拉伸強度、抗扭強度提高，但疲勞強度并沒有提高。另一個重要問題是鉆柱的抗彎性能及水力性能并沒有得到改善，為快速鉆井不得不強化鉆井參數如高轉速、大排量、高泵壓等，這無疑加大了鉆具的損傷，增加了鉆具事故，影響了鉆井速度。

表3　是長慶油田、華北油田、克拉瑪依油田的鉆桿使用壽命

表4　西部某油田2003至2005年上半年刺漏鉆桿級別

有關標準規定的指標不能反映鉆桿的抗腐蝕性能，各廠家鉆桿性能差異大，表5是西部某油田各廠家及不同級別鉆桿2004年至2005年刺漏數量，表6是2000年以來逐步購買的BG廠國產鉆桿，其進尺約30 000 m，進口NKK鉆桿大部分是98年前購買的，進尺估計60 000 m。從表5及表6的數據看出BG廠鉆桿壽命明顯低于國外及合資廠家。

表5　西部某油田2004至2005年上半年刺漏鉆桿廠家及級別

表6　西部某油田購置BG廠鉆桿時間及數量

2001年油田購買BG廠127 mmS135鉆桿共計6480根，于2002年初開始投入使用。該批鉆桿分10套，在輪古地區、哈德地區、輪南地區、輪西地區和塔中五個區塊使用，該批鉆桿自投入使用至2004年上半年，累計進尺為30 156 m，共發生斷裂、刺漏事故159起(其中，2002年斷裂1起、刺漏45起、接頭開裂33起；2003年刺漏29起；2004年1～6月刺漏51起)，鉆桿發生事故的頻率為2.45%。降為二級以下鉆桿2098根，降級率為32.38%。2002年初與該批鉆桿同時購進的BNK產127 mm斜坡鉆桿1800根(3套)截止到2004年上半年累計進尺38 560 m，未發生一起刺漏及斷裂失效事故，降為二級以下鉆桿418根，在全部用于山前井的情況下降級率為23.22%。

管研院就各廠家鉆桿的性能做了許多對比試驗[1]，雖然國產鉆桿試驗數據符合API標準及我國石油行業標準，但材料耐腐蝕性明顯不如其它廠家鉆桿，如圖3示BG鉆桿腐蝕疲勞裂紋擴展速率高于其它廠家。中國石油管材研究所正深入研究以制定鉆桿腐蝕疲勞性能快速評判方法。

圖3　BG廠(1#)與其它廠鉆桿(2#)腐蝕疲勞擴展速率

2.2鉆柱轉速快，轉速可能與鉆柱固有頻率重合導致鉆桿振動

鉆柱轉速過快無疑增大了應力交變頻率，減少了鉆桿疲勞壽命。

根據機械振動理論，當轉速與鉆柱固有頻率重合時，鉆柱便發生共振，共振是鉆井的大敵，當共振發生時無論鉆桿新舊便會很快疲勞。圖4反映出鉆桿刺漏數與轉速的分布近似正態分布，在轉速100120轉/min時，鉆桿刺漏數量達200次，占總數的58%，其中在110轉/min時鉆桿刺漏80次，二個因素導致了這個統計結果，一是可能大部分井鉆柱轉速主要在100120轉/min，二是可能轉速與鉆柱固有頻率重合引起鉆柱共振導致鉆桿刺漏。以K7016井為例，在轉速120轉時，連續發生了5起刺漏，而在其后的3 015～3 207 m井段，當轉速為120～180轉時，未發生鉆具刺漏。

圖4　西部某油田2001～2006年上半年刺漏鉆桿轉速分布

2.3一些井有較大的狗腿

當井眼特別是上部井眼出現較大的狗腿時肯定發生大量鉆桿疲勞失效，如LG42與LG13井在圖5、圖6顯示的狗腿處分別發生4次及15次鉆桿疲勞刺漏。

圖5　LG42井狗腿度

圖6　LG13井狗腿度

2.4鉆井液腐蝕

在腐蝕環境下鉆桿沒有疲勞極限，任何大小的循環應力都可以發生腐蝕疲勞。其中溶解氧是鉆桿腐蝕的主要因素，3 ppm的氧就能夠減少鉆桿壽命的一半，氯離子(Cl-)加速鉆桿的氧腐蝕，鹽水鉆井液較強的導電性也加速氧腐蝕，鉆井液pH值低于10就可發生腐蝕，并非人們認為低于7。

包括西部某油田在內我國油田鉆井液都沒有防腐蝕設計，鉆井液都有不同程度的腐蝕性，不只腐蝕鉆桿也腐蝕套管，這是全國油田普遍存在的問題，并非西部某油田獨有。

3深井全占柱設計

綜上所述，API標準127 mm鉆桿不適合深井、超深井的的大拉力、高扭矩、高轉速、大狗腿、強腐蝕等復雜工況。革新鉆柱設計，通過不同規格鉆桿組合，不但可以提高深井鉆桿疲勞壽命而且可以提高鉆柱綜合性能。

3.1新的鉆柱設計

深井鉆柱設計的趨勢是使用大規格鉆桿，與目前普遍使用的127 mm鉆桿相比，大規格鉆桿不但有更高的疲勞壽命而且有更高的拉伸強度、抗扭強度、抗彎剛度及水力性能。

顯然鉆柱上部采用大規格鉆桿、下部采用小規格鉆桿是一個好的設計思路。

表鉆桿及其不同組合時鉆桿疲勞壽命

表8　推薦的大規格鉆桿與127 mm鉆桿尺寸及性能比較

3.2改進鉆桿結構

通過改進鉆植結構，進一步提高鉆桿自身疲勞強度，過去那種延長內加厚過渡長度的技術仍然是一種好辦法。適當增加壁厚也是一種好辦法。延長鉆桿外加厚長度超過內加厚長度也是一種好設計，由于增加了內加厚過度處的壁厚，所以將提高鉆桿的疲勞強度。

表9　不同加厚形式鉆桿的結構尺寸和綜合性能

4結論

1)127 mm鉆桿不適合深井、超深井中大拉力、高扭矩、高轉速、大狗腿、強腐蝕等復雜工況；

2)采用上部大鉆桿、下部小鉆桿或全部大鉆桿的鉆柱設計方法不但顯著提高深井鉆桿疲勞壽命而且也提高鉆柱抗拉強度、抗扭強度、抗彎剛度及水力性能，可滿足深井、超深井高質量、快速鉆進的要求；

3)進一步優化鉆桿加厚方式及結構、提高鋼材的耐腐蝕性以提高鉆桿疲勞強度。

參 考 文 獻

[1] 王新虎，鄺獻任，呂拴錄，等.材料性能對鉆桿腐蝕疲勞壽命“影響的試驗研究”，石油學報，2009，30(2)：312-316.

[2] Terry E Prater,drill string considerations for gulf of mexico deepest well, 1999SPE/IADC drilling conference,amsterdaam, Holland,9-11 March 1999.

Analysis of Drillpipe Fatigue Wash and Drillstem Design for Deep Well

WANG Xinhu1, LU Qiang2, SU Jianwen2, XIE Juliang2

(1.CNPCTubularGoodsReseaichInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials，Xi′an,Shaanxi710077,China; 2.TarimOilfield,Kuerle,Xinjiang841000,China)

Abstract：This paper analyse the causes of drillpipe fatigue leak at a west oilfield in many years, it is realized that 127 mm drillpipe do not suit the great pull force, great torsional moment, rapid rotate speed, big dogleg, strong corrosion, etc.,conditions in deep and extra deep well. Through computation and analysis, it is show that large diameter drillpiepe can meet the demand for drilling deep well safety. The idea of large diameter drillstring design is put forword and large diameter drillpipe is recommended for deep well.

Key words：drill string；deep well；design；fatigue

(收稿日期：2015-11-12編輯：葛明君)

中圖法分類號：TE921+.2

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0043-04

第一作者簡介：王新虎，男，1962年生，教授級高級工程師，中國石油集團高級技術專家，長期從事油井管失效分析與科學研究。E-mail:wangxh66@163.com

·失效分析與預防·