API應力減輕結構配合接頭在鉆井中的使用

張建中，田 波，杜 松

（西部鉆探庫爾勒管具技術服務分公司，新疆 庫爾勒 841000）

1 發生經過

2021 年8 月29 日3:04，地處塔北項目部一開發水平井銑錐磨銑修窗至井深5563.71m（鉆壓5t，排量28L/s，泵壓16.5MPa）上提鉆具懸重由 198t↑209t（未提開，上提過程中泵壓由16.5↓15.7MPa）；下放鉆具開頂驅，扭矩3.8kN·m，降排量至18L/s 后再次提排量至28L/s（泵壓由15.7↓8.4↑13.7MPa），4:10起鉆檢查鉆具，8 月 30 日 12:00 起鉆完，發現距 411*NC52T 母轉換接頭母扣端面以下約105mm處斷裂。

2 鉆井設計情況及鉆井過程

（1）鉆井地質情況：該井位于塔北隆起哈拉哈塘凹陷北部的輪南低凸起東河塘斷裂背斜構造帶上，遇地層從新到老依次為新生界第四系、新近系、古近系，中生界白堊系、侏羅系、三疊系，古生界石炭系、志留系、奧陶系，主要含油氣層系為侏羅系和石炭系。

（2）鉆井設計基本情況：設計井深6408/5776.85m（斜深/垂深），開發井，水平井。

（3）鉆井過程如表1所示。

表1 鉆井過程

①失效時鉆具組合：?216mm銑錐+?172mm轉換接頭（411*NC52T母）+5″非標加重15柱+5″非標鉆桿。

②落魚結構：?216mm銑錐（1.23m）+?172mm轉換接頭（0.84m），魚長：2.07m，理論魚頂：5561.64m。

③轉換接頭失效前鉆井參數：鉆壓40～60kN，轉速50r/min，排 量 28L/s，泥 漿 密 度 1.27g/cm3；泵 壓16.5MPa，扭矩6～18kN·m。

3 斷口描述

失效接頭在鉆柱中距離井口5563.71m，在螺紋上發現沒有加工API 應力減輕槽，斷口距離轉換接頭母扣端面以下90～113mm（接頭有效長度970mm）（見圖1），即內螺紋根部第二扣與第三扣之間，斷口外徑172mm 內徑118mm ,斷口3/5 端面均有明顯沖蝕刺痕，有大面積的裂縫產生，瞬斷區約占2/5，剪唇區高25mm（見圖2），長50mm；宏觀斷口判斷為應力累積大面積刺穿斷裂斷口。

圖1 斷面側面圖

圖2 斷裂處剖面

4 失效接頭基本情況

失效?172mm 轉換接頭（411*NC52T），鋼號2005-1225，生產廠家是油田優選的轉換接頭生產廠商,近幾年油田生產轉換接頭市場占有率超50%,責任失效0起。失效接頭于2020 年7月入網，全新接頭（曾發GL-303H井未用）；本次送井前超聲、磁粉探傷均合格，該轉換接頭本井累計連續入井7 次，1 次通井，2 次送入斜向器，4 次直連不同銑錐開窗磨銑作業，累計使用時間294h（純鉆時間56h，進尺4.71m）。

5 失效原因分析

根據失效轉換接頭在井底鉆具組合中位置，結合失效前鉆井參數，此接頭此時在提供鉆壓，受高頻交變彎扭應力，且此接頭沒有應力減輕結構，根據宏觀斷口判斷為銑錐與轉換接頭在斜井段長時間定點旋轉，高頻交變彎扭交變應力作用下使之應力累積產生微裂紋，在沒有應力減輕結構情況下微裂紋繼而擴展為裂縫而刺穿，大面積刺穿到約60%斷口總面積時，上提噸位到209t后，下放泵壓下降，剩余40%連接不足以提供所需拉力，接頭斷裂失效。

磨銑作業處井斜為15°，井底斜向器4°，服役工況惡劣，失效接頭作業處彎扭應力集中,對失效接頭本體外表面磁粉探傷可見密集型橫向磁痕顯示（見圖3）。

圖3 失效接頭磁痕顯示

失效主要原因分析如下：

（1）XX石油技術服務有限責任公司提供開窗側鉆服務，其施工方案及鉆具組合，提供的銑錐螺紋未加工應力分散槽，且未提供與之配套的轉換接頭。

（2）使用方錯誤地使用了未帶應力減輕結構轉換接頭（411*NC52T），這違反了《鉆具現場管理與使用手冊》中所及條款“接頭外徑158mm 及以上規格采用應力槽（方鉆桿保護接頭除外）”。

（3）該轉換接頭自使用至斷裂失效，本井連續入井7次，累計入井使用時間294h，后4次均為更換銑錐，但未更換該轉換接頭，且該轉換接頭無應力減輕機構，自造斜點5559m 磨銑至5563.71m，進尺約4.71m，純鉆56h，磨銑開窗長時間定點旋轉，高頻壓應力及高頻彎扭交變應力使螺紋連接處應力快速集中產生微裂紋進而刺穿斷裂失效（本體外表面磁粉探傷可見密集型橫向微裂紋），見熒光磁粉探傷圖。

總結：統計結果顯示塔里木油田類似開窗作業較一般鉆井作業工況復雜，窗口附近工器具服役工況較為惡劣，開窗井在窗口附近失效斷裂比例相對常規作業大得多，其本質還是連接螺紋部位的交變彎曲應力集中引起的，怎樣減低螺紋交變彎曲應力引起應力集中，延長螺紋壽命，有沒有解決的方法，在螺紋上加工應力減輕結構就是一個有效方法，目前塔里木油田使用的有API 應力減輕結構、TLM 應力減輕槽和LET應力減輕結構，在這三種應力減輕結構的實用效果，API的應力釋放效果較好；在新版《塔里木油田鉆工具管理與使用辦法》中所及應力槽加工條款“鉆井用5”及以下規格鉆鋌螺紋用于定向井等斜井段的應采用API應力減輕結構，這次失效事故主要原因除去工藝方面因素，洗錐和配合接頭的螺紋加工都沒有API 應力減輕結構，建議今后對于這種彎扭交變應力容易集中的作業，優選或者加工API 應力減輕機構的工器具進行作業，從而降低風險減少失效。

6 預防措施

（1）按照油田鉆工具管理和使用辦法要求，斜井段所用鉆鋌及轉換接頭應采用應力減輕槽，斜井段從事特殊工藝更應嚴格執行，使用方應參考《塔里木鉆工具管理與使用辦法》中推薦的相關參數，避免造成鉆具失效事故。

（2）加強現場鉆具探傷排查和跟蹤，控制現場探傷和在井使用時間，特殊工藝井應使用工具方組織提供接頭、工具螺紋與配合接頭螺紋必須加工API 應力減輕結構。

（3）持續加強基地的質量管理，嚴格按螺紋修復和檢測要求做好質控，確保送井鉆具質量100%。

（4）除去鉆具加工和使用方面的原因外，特殊工藝井的施工方案和工藝的優化也是降低鉆具失效的積極因素。