某油田鉆鋌斷裂原因綜合分析及建議

王新虎，宋順平

(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.川慶鉆探長慶鉆井工程公司管具公司　陜西　西安　710010)

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·失效分析與預防·

某油田鉆鋌斷裂原因綜合分析及建議

王新虎1，宋順平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.川慶鉆探長慶鉆井工程公司管具公司陜西西安710010)

某油田鉆鋌疲勞斷裂一直是影響鉆井的嚴重問題。對某油田幾年內發生的鉆鋌斷裂事故進行了綜合統計分析，應用鉆柱力學底部鉆柱進行了分析計算，結果表明鉆壓顯著超過鉆鋌彎曲臨界鉆壓是該油田鉆鋌疲勞斷裂的原因，并提出改進鉆井工藝、降低鉆壓(例如使用PDC鉆頭)是減少鉆鋌疲勞斷裂的好措施。

鉆鋌；疲勞；鉆壓

0　引　言

某油田鉆具失效相當頻繁，嚴重制約了正常勘探開發。為解決鉆具失效問題，雖然已多次采取措施，取得了一定效果，但沒有取得突破性進展。該油田在內蒙古發現了大型氣田，根據該氣田的特點，決定采用小井眼對該氣田進行勘探開發，鉆具斷裂問題是迫切需要解決的問題。

石油管工程技術研究院已做過多起某油田鉆具斷裂失效分析，但是缺乏對整個氣田鉆具失效情況的全面了解。為解決實際問題，石油管工程技術研究院對該氣田鉆具失效情況進行了調查，取得了許多數據，本文根據這些調查資料以及以前做過的許多失效分析，對鉆具斷裂原因進行進一步分析。

1　鉆具斷裂失效統計分析結果

某油田一年內鉆具失效情況統計見圖1～8。一年內共發生鉆具失效事故193次。其中鉆鋌155次，占80.3%，1月～6月共發生鉆具失效事故129次。其中鉆鋌102次，占79.1%。鉆具失效事故呈上升趨勢，鉆鋌內螺紋接頭的疲勞斷裂是主要的失效類型，178 mm鉆鋌是失效最多的鉆鋌。鉆鋌內螺紋接頭疲勞斷裂主要發生在井深2 000 m以上時，第11號到16號鉆鋌斷裂次數最多，鉆壓在20～25 t，轉速50～60 r/min，泥漿比重1.00～1.06 g/cm3。

2　鉆具組合

舉幾個井的例子說明該油田的鉆具組合：

圖1　鉆具失效情況

圖2　鉆鋌失效類型

圖3　失效鉆鋌的位置

圖4　鉆鋌失效時的井深(平均2 600 m)

圖5　鉆鋌失效時的鉆壓(平均21噸)

圖6　鉆鋌失效時的轉速

圖7　鉆鋌失效時的泥漿比重(平均1.03 g/cm3)

圖8　失效鉆鋌的規格

SU39-14-1欠平衡井鉆具：

一開346.1 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP;二開241.3 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP;三開152.4 mmBit+120.7 mmDC+88.9 mmDP。

SU33-18欠平衡井鉆具組合：

一開444.5 mmBit+127 mmDP;二開346.1 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP;三開241.3 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP;四開152.4 mmBit+120.7 mmDC+88.9 mmDP。

YU 26井鉆具組合：

一開346.1 mmBit+203.2 mmDC×2+165.1 mmDC×21根+127 mmDP;二開241.3 mmBit+165.1 mmDC×21根+127 mmDP。

G36-2井鉆具組合：

一開346.1 mmBit+203.2 mm×2+177.8 mmDC×21根+127mmDP;二開241.3 mmBit+177.8 mmDC×21根+127 mmDP。

177.8 mm鉆鋌是用量最多的鉆鋌，所以該規格鉆鋌斷裂最多。

3　底部鉆具力學及導致鉆鋌疲勞損傷的力學因素分析

為解決鉆具失效問題，油田已多次采取措施，例如采用石油管工程技術研究院的NNC螺紋形式，加工API Spec7推薦的后孔內螺紋應力減輕槽等，對鉆柱組合進行改進等，取得了一定效果，抑制了一些鉆具失效事故的發生，但鉆具失效事故仍相當頻繁。

3.1底部鉆具彎曲變形與導致鉆鋌疲勞的力學因素分析

鉆鋌的疲勞損傷是其承受的交變彎曲應力造成的。當彎曲應力低于螺紋的疲勞強度時，鉆鋌不發生疲勞。當彎曲應力超過螺紋的疲勞強度時，鉆鋌很快發生疲勞斷裂。應力值越大，疲勞壽命越短。

鉆柱上部受拉應力，底部鉆具因鉆壓受壓應力，當鉆壓小時，底部鉆柱保持直線狀，當鉆壓超過一定值即臨界鉆壓后，受壓鉆柱將喪失穩定而產生彎曲變形，這就是底部鉆具彎曲應力的來源，也是鉆鋌疲勞的根源。

20世紀50年代初鉆柱力學專家Lubinski提出底部鉆具組合可以發生幾次彎曲，發生第一次彎曲時的鉆壓為第一臨界鉆壓，當鉆壓進一步增大到一定程度時便發生第二次彎曲，對應的鉆壓為第二臨界鉆壓。魯賓斯基根據鉆柱彎曲微分方程解出鉆柱發生一次、二次彎曲的臨界鉆壓分別是

(1)

(2)

式中:I是鉆鋌的截面慣性矩，m4；

E是鋼的彈性模量，206×109Pa；

qm是單位長度鉆鋌在泥漿中的重量，N/m。

(3)

式中:qa是鉆鋌在空氣中的質量，N/m；

rm是泥漿密度，g/cm3。

下面計算長慶油田使用最多的178 mm鉆鋌鉆具組合發生第一次彎曲的臨界鉆壓，已知178 mm鉆鋌(內徑71 mm)在空氣中的質量qa=1 637 N/m；橫截面慣性矩I=4 724×10-8m4；泥漿密度rm=1.03 g/cm3；計算得178 mm鉆鋌鉆具組合的臨界鉆壓

p1=55 kN；p2=110 kN；

同樣可以計算出203 mm鉆鋌(內徑71 mm)鉆具組合的臨界鉆壓

p1=79 kN；p2=157 kN；

159 mm鉆鋌(內徑71 mm)鉆具組合的臨界鉆壓

p1=39 kN；p2=78 kN；

自上世紀50年代初鉆柱力學專家Lubinski提出井下鉆柱彎曲失穩的概念以來，國內外學者從壓桿穩定性理論出發對井下鉆柱的軸向受力與變形進行了一系列研究，取得了以下共識：

1) 鉆柱在井眼中有四種可能的平衡狀態：直立平衡狀態、平面正弦彎曲狀態、空間螺旋彎曲狀態和自鎖狀態。鉆柱本身的性質及外載(工況)決定了鉆柱的平衡狀態或構形。

2)在四個平衡狀態之間存在兩個臨界狀態及三個臨界軸壓：從直立平衡狀態向平面正弦彎曲狀態過度的臨界正弦彎曲狀態及正弦彎曲臨界軸壓；從平面正弦彎曲狀態向空間螺旋彎曲過度的臨界螺旋彎曲狀態及相應的螺旋彎曲臨界軸壓；從空間螺旋彎曲進入自鎖狀態的最小軸壓，即臨界自鎖軸壓。

正弦彎曲臨界軸壓：

螺旋彎曲臨界軸壓：

計算得178 mm鉆鋌鉆具組合的正弦彎曲臨界鉆壓

p1=89 kN；

計算得178 mm鉆鋌鉆具組合的螺旋彎曲臨界鉆壓

p1=157 kN；

鉆井鉆壓在20～25 t(200～250 kN)，顯著超過上面計算得出的臨界鉆壓，底部鉆具組合處于嚴重彎曲狀態，這加劇了長慶油田鉆鋌的疲勞損傷。

石油管工程技術研究院曾在1996年進行過全國鉆具失效調查，數據表明全國各大油田鉆井鉆壓基本在20 t以下。目前鉆壓最低的是塔里木油田，其鉆壓基本在5～8 t，不超過10 t(可能與PDC鉆頭有關)，目前該油田鉆井鉆壓(20～25 t)在全國是比較高的。

3.2鉆柱彎曲形狀與鉆鋌疲勞易發位置分析

當鉆壓超過臨界鉆壓時，鉆柱將失穩彎曲，魯賓斯基研究認為鉆柱彎曲部分不只在鉆柱中和點以下鉆柱上，中和點上下鉆柱都將產生彎曲，如圖9示，T1是鉆柱發生一次彎曲后與井壁的切點，該位置在中和點N1稍下。當鉆壓超過二次鉆壓后，鉆柱將再發生一次新的彎曲，切點T2在中和點N2稍下一點的位置。

圖9　底部鉆柱彎曲形狀

中和點以下鉆柱在泥漿中的質量等于鉆壓，所以中和點距井底高度的計算公式是

(4)

式(4)中，pb是鉆壓，N；

長慶油田鉆井鉆壓在20～25 t(200～250 kN)，計算得長慶油田178 mm鉆鋌組合時的中和點高度為

Ln=140 m

中和點稍下位置鉆鋌緊貼井壁，是鉆柱彎曲最嚴重的部位，所以該位置是鉆鋌疲勞斷裂最容易發生的位置，圖3顯示12號到18號鉆鋌斷裂最多，這就證明了上文分析的正確性。

4　預防鉆鋌疲勞斷裂的措施

以上分析表明，鉆壓明顯高于鉆柱臨界鉆壓，底部鉆柱處于嚴重彎曲變形狀態，這是鉆鋌疲勞損傷的力學因素。這是老鉆井工作者知道的老問題，但如果缺乏傳承，新鉆井工作者仍然會犯同樣的錯誤。這是本文重復這個常識性老問題的原因。

高鉆壓不一定能夠提高鉆速，而且影響鉆井質量，這是因為嚴重彎曲變形的鉆柱會帶來一些不良后果：(1)彎曲的鉆柱緊貼井壁，許多鉆壓消耗在井壁上，傳遞到鉆頭的鉆壓并不多；(2)處于嚴重彎曲變形狀態的鉆柱使井眼不容易控制，井眼容易彎曲，彎曲的井眼與鉆柱摩擦，消耗了一些鉆壓；(3)井眼彎曲又增加了鉆柱彎曲，增加了鉆柱疲勞損傷；(4)井眼彎曲會帶來其它不良后果。

所以降低鉆壓是減少鉆鋌疲勞損傷的有效途徑，建議將鉆壓降到臨界鉆壓以下，這樣可以保持鉆柱垂直狀態，同時由于使鉆壓充分傳遞到鉆頭上以及減少了井眼彎曲，提高了鉆井效率。PDC鉆頭容許較小的鉆壓，所以使用PDC鉆頭是降低鉆壓、減少鉆鋌疲勞斷裂的好措施。

鉆鋌內螺紋疲勞斷裂多是該油田與其它油田不同的特點，應該調查研究鉆鋌設計、制造等方面是否存在問題。

5　結　論

鉆壓顯著超過鉆鋌彎曲臨界鉆壓是鉆鋌疲勞損傷的力學原因，這是老鉆井工作者知道的老問題，但如果缺乏傳承，新鉆井工作者仍然會犯同樣的錯誤。

Comprehensive Analysis and Advice on the Fracture Failure of Drill Collars at Oilfield

WANG Xinhu1, SONG Shunping2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials，Xi′an,Shaanxi710077，China;2.CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,Xi′an,Shaanxi710010，China)

The drill collar fatigue has been serious matter influencing the drilling in oilfield. The statistics and analyses of the drill collar fatigues of oilfield were made within a few years, and the mechanics of bottom drill stem was calculated. The result indicates that drill pressure exceeding the critical value of collar bend is the reason of collar fatigue, and the improving measures on drilling techniques and reducing drilling pressure (such as using PDC drill bit) are given to decrease collar fatigue.

drillcollar; fatigue; drill pressure

王新虎，男，1962年生，教授級高級工程師，1992年畢業于西北工業大學金屬材料專業，碩士學位，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

TE921

A

2096-0077(2016)04-0043-03

2015-12-22編輯：葛明君)