探索鉆具失效的解決之道

鉆井中的鉆具失效是一個世界性難題，全球每年因此產生的損失高達億元。華北石油局的施工隊伍為解決中國石化重要的天然氣產地——鄂爾多斯工區的鉆具失效難題，進行了不懈探索。 
      
     鉆具失效是鉆具在使用過程發生刺漏、折斷、裂紋而引起損壞的現象，鉆具早期失效是指鉆具在使用初期就發生這種損壞現象。鉆具失效在世界各大油田普遍存在，原因各不相同。 
      
     美國的統計和估算表明，鉆具斷裂事故在14%的油氣井上發生，平均發生一次損失10.6萬美元，這是正常成本以外的巨額費用。我國油田每年發生鉆具事故約五六百起，經濟損失巨大，每年必須用數千萬美元的外匯購置各種鉆桿和鉆鋌。 噪音計 | 色度計 | 手鉗 | 彎嘴鉗 | 管鉗 | 溶氧計 | 發生器 | 剝線鉗 | VOC檢測儀 | 空氣品質監測儀 | 溫濕度儀 | 氧氣檢測 | 電導計 | 分析儀 | 扭力計 | 尖嘴鉗 | 試驗機 | 頻閃儀  
       
    據不完全統計，2002年~2005年間，中國石化鄂爾多斯工區每年發生十幾次甚至幾十次鉆具失效事件，最高的一年達50多次；嚴重時，一口井就發生鉆具事件十多次，一套價值200多萬元的鉆具，使用兩口井就接近報廢。鉆具失效還使鉆井周期顯著延長，并對井壁穩定和井眼規則帶來影響。 
      
    如何解決鉆具早期失效難題，降低氣田鉆探開發成本，考驗著許多隊伍的生存發展能力，更制約著鄂爾多斯大牛地氣田這個邊際氣田的開發效益。 
      
    失效客觀規律開展鉆具失效分析，必須先掌握鉆具失效的客觀規律，即鉆具在各種外加載荷和環境下發生的變形、斷裂、表面損傷等現象及其發展過程，以及隨外部服務條件和材料等因素變化的規律。 
      
     鉆具的工作環境一般比較惡劣，工作狀況受載荷性質、加載次序、壓力、溫度等影響比較大，工作時所處的鉆井液一般是由固體、液體等化學處理劑組成的復雜混合液，具有一定的腐蝕性。鉆井液和其他腐蝕介質與鉆具相互作用，會嚴重縮短鉆具的使用壽命，導致鉆具早期失效。 
      
     鉆具服務條件復雜，失效形式也多樣，比如斷裂、刺穿、表面損傷和過量變形等，其中斷裂在鉆具失效事故中所占的比例較大，約占50%左右；刺穿、脫扣和脹扣失效是僅次于斷裂失效的失效形式，在鉆桿和鉆鋌上都有發生；表面損傷包括腐蝕、磨損和機械損傷三方面；過量變形是由工作應力過大引起，如鉆桿接頭螺紋部分拉長、鉆桿本體彎曲和扭轉等。 
      
    失效原因與預防 
      
     導致鉆具斷裂的主要原因是疲勞，也有一定數量的脆性斷裂。疲勞斷裂的原因，一是鉆具使用時間久，達到正常使用壽命；二是井下載荷復雜，鉆具受力苛刻，導致鉆具發生早期疲勞失效。脆性斷裂與材料、質量、環境和使用方法有極大關系。 
      
     在鉆具的疲勞失效中，鉆鋌失效尤為突出。1992年全國鉆具失效總況的統計表明，鉆鋌的失效次數大致占鉆具總失效事故的48.7%。中國石化華北石油局也不例外，鄂爾多斯盆地2002年~2005年鉆鋌失效達78起。 
      
     研究表明，為了減少鉆具振動帶來的鉆具疲勞失效，可以從以下三方面做起：一是根據地層特點，選用合適的鉆頭；二是優化鉆井參數，控制轉盤轉速，避免發生共振；三是研究井徑與振動關系，減小鉆具振動。 
      
     對于鉆具的刺穿失效分析，原因很多，失效機理復雜，比如鉆桿加厚過渡區間的截面突變，引起應力集中，導致鉆桿產生微裂紋，帶有腐蝕性的高壓鉆井液侵入微裂紋引起鉆具腐蝕疲勞；鉆井液中的硫化氫、二氧化碳、溶解氧對鉆桿的腐蝕損傷造成壁厚減薄，也會引起腐蝕疲勞失效；帶有固體顆粒的鉆井液高速流經突變截面的過渡區間，對截面產生沖擊和摩擦。 
      
     鉆具的腐蝕失效原因與鉆井液中的腐蝕源有直接關系，其主要危害是硫化氫。保持較高的酸堿值以中和硫化氫濃度，對于控制腐蝕速率很重要，它能阻止來自地層、鉆井液處理劑、熱降解等的硫化氫侵入鉆井液系統；加入碳酸銅、堿式碳酸鋅、海綿鐵等也可迅速降低硫化氫含量；地面脫氣處理也是消除硫化氫的有效辦法。 
     
     鄂北鉆具失效探索 
      
     鄂爾多斯工區鉆具失效原因既有普遍性又有特殊性。統計2002年~2005年間的失效案例發現，鄂爾多斯地區鉆具失效主要表現在兩個方面：一是鉆具的斷裂和刺穿；二是鉆具特別是鉆桿的磨損嚴重。分析發現，鉆具斷裂主要以鉆鋌接頭斷裂為主，刺穿主要發生在鉆桿加厚過渡區。 
      
     鄂北工區下部地層堅硬，可鉆性差，機械鉆壓施加過大，是導致鉆具自身應力集中引起鉆具失效的主要原因。為此，華北石油局的施工隊伍對鄂爾多斯工區的鉆具失效難題進行了探索研究。 
      
     由于斷裂、刺穿失效屬于應力集中導致疲勞和腐蝕疲勞失效，華北石油局采用了不同螺紋脂、降低螺紋尾端螺紋牙高度、開應力減輕槽及螺紋表面處理等措施。介質中的腐蝕成分對疲勞及腐蝕疲勞有很大的催化及參與作用，為此，他們根據介質中的腐蝕成分，提出了預防化學腐蝕的多種具體措施。 
      
     鉆具失效是一系列復雜作用力的結果，科學的管理和合理使用鉆具，是提高鉆具效率、減少鉆具失效的重要措施。因此，他們在鉆具下部增加減震器裝置，減輕鉆具應力集中造成的疲勞失效；通過使用具有快速鉆進性能的PDC鉆頭，有效減輕了鉆具負荷，PDC鉆頭的快速鉆進，也使鉆井液浸泡井壁的時間縮短，井徑擴大率降低，進一步減輕了鉆具阻力，減少了硫化氫對鉆具腐蝕的機會；加密對鉆具的探傷，鉆具使用兩口井進行一次全面“體檢”，并按照鉆井規程，及時對鉆具上下部分進行倒換，避免下部鉆具長期處于負重狀態；在鉆進過程中，做到均勻送鉆，控制轉盤轉速，防止鉆具產生共振；對鉆具采取及時的補救措施，鉆具使用兩口井，在易損的接頭部位鋪焊一層耐磨環，增加鉆具強度，壽命延長。 
      
     通過以上措施，華北石油局2006年在鄂爾多斯工區的鉆具早期失效現象大幅減少，在部分井隊得到了根本性控制，不僅降低了鉆井企業的鉆井成本，也在一定程度上保證了大牛地氣田的開發效益。