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1、第 3 o卷第 2期 钻井工程 7 5 普光高含硫气 田气体钻井钻具 断裂损坏机理 黄志强 黄继亮 李 琴 宋 嘉宁 杨凤 申。 徐晓蓉。 魏 武 许期聪 1 西南石油大学机 电工程学院 2 中 国石油东方地球物理勘探有限责任公司 3 中国石化胜利油 田分公司鲁明石油开发有限责任公司 4 中国石油天然气集团公司川庆钻探 工程公 司 黄志强等 普光 高含硫 气田气体钻 井钻具 断裂损坏机理 天然气工 业， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 ) ： 7 5 7 7 摘 要 针对普光气 田气体钻井过程 中存在的钻具断裂频繁的问题， 在对现场事故统计分析的基础上， 从特 殊的钻 井介质 、 不同的破
2、岩 方式以及钻井过程 中钻柱共振等方面定性分析 了钻具 断裂的原 因； 通过对钻具 断 口宏观 、 微观 及材 质分析 ， 找到 了钻具 断裂 失效 的规律和 主要形式 疲劳断裂 。提 出以下建议 ： 结合 气体 钻井 情况， 研 制适合 气体 钻 井工况 的专用钻具， 制定符合 气体钻井钻具 的新的 A P I 标 准； 开展牙轮钻 井条件下 ， 钻柱纵振对 钻具疲劳 断裂 的量化 影响 ， 尤其应考虑不 同钻压下钻柱纵振对钻 具疲 劳断裂 的作 用机理研 究。 以期为预 防 气体 钻井钻 具 断裂 、 降低 钻 井成 本 、 推广应用气体钻井技术提供理论依据。 关键 词 深井 超 深井 气
3、体钻 井 钻具 断裂 疲 劳断裂 机理 D0I ： l O 3 7 8 7 j i s s n 1 0 0 0 0 9 7 6 2 0 1 0 0 2 0 1 9 0 引言 气体钻井是在钻井过程中以压缩气体作为循环介 质来实 现钻进 的欠平 衡钻 井技 术 ， 最 初探 索于 2 0世 纪 5 O年代 ， 受 配 套 技术 与 装 备 的 限制 ， 该 技 术 一 度 被搁 置 ， 直到 2 0世 纪 9 O 年 代 ， 气体 钻井技术 才 真正开 始起 步 和发展 _ 1 。相对 于钻 井液 钻井 ， 其 优 势在于 能 够大 幅度提高机械钻速， 减少或避免井漏、 井斜控制等 。 鉴于 以上
4、优 点 ， 近 年来 ， 气体 钻井技 术在 我 国油气 田的应用越 来越 广泛 ， 尤其在 普光 气 田的应用 ， 取 得 了 显著成 效 ( 见 表 1 ) ， 已成 为加 快 该气 田勘 探 开 发 的 核 心钻井 技术 ， 应用前 景 良好 。 但是 ， 在气体钻井现场应用 中， 钻具断裂频繁 ， 严 重地 影 响了气体 钻 井优 势 的充 分发 挥 ， 成 为 制 约该 技 术推 广应 用 的瓶 颈 。为此 ， 对 普 光 气 田气 体 钻 井过 程 中断 钻具 情况进 行 了统 计 分 析 ， 对 其 断裂 损 坏 机理 进 行 了研 究 ， 以期 为预 防气体 钻井 钻具 断裂
5、、 降低钻 井成 本 、 推广应用气体钻井技术提供参考。 1 气体钻 井钻具断裂统计分析 截 至 2 0 0 8年 8月 2 5日， 普 光 区块 实施 气 体 钻 井 共 计 4 0口井 ， 其 中 2 6口井 ( 占总井 数 的 6 5 ) 发 生 钻 具断裂( 钻杆 、 加重钻杆、 钻铤、 空气锤钻头) 5 3起( 见 表 2 ) ， 平 均 每 口井 发 生 断 钻具 2 次 ； 其 中 ， P 3 0 5 2 井 发 表 1 气体钻井与钻井液钻井在普光气田的应用对比情况表 表 2普光气田气体钻 井钻 具断裂统计表 起 钻井方式 常规钻井液钻井 常规空气钻井 空气冲旋钻井 钻具 断裂牙
6、轮钻头钻井空气锤钻井 P D C钻 头钻井 合计 基金项 目l 中国石化应用 基础研究项 目“ 气体钻井钻具损坏规 律及 工艺参数 优化研究 ” ( 编号 ： p O 7 0 4 3 ) 。 作者简介 ： 黄志强， 1 9 6 8年生 ， 教授 ， 博 士 ； 1 9 9 o年毕业于原西南石油学院机械专业 ； 从事石油天 然气钻采装备 和冲旋钻井装 备 及 工艺 和设备表面工程的研究工作 。地址 ： ( 6 1 0 5 0 0 ) 四川 省成都 市新 都区西 南石油 大学设 备处 。电话 ： ( 0 2 8 ) 8 3 0 3 2 1 4 8 。E ma i l ： h u a n g z q
7、 s wp u e d u c n 天然气工业 2 O 1 O年 2月 发生 了断钻具 6 次 ， 钻具 断裂落 井 ， 处理 不成 功导致 填 井侧 钻 4起 。钻具频 繁 断裂不仅 大大 降低 了气体钻井 的提 速效果 ， 而且 给井下安 全带来 了隐患口 。 统 计 分 析 发 现 ， 普 光 气 体 钻 井 钻 具 断 裂 有 以 下 规律 ： 1 ) 牙轮钻头钻进 比空气锤 钻头 钻进 钻具 断裂失 效 概率高。截至 2 0 0 8年 8 月 2 5日， 普光气田气体钻井总 进尺为1 1 0 5 2 4 4 8 m， 空气锤累计进尺为5 9 9 4 7 4 8 m， 占气体钻井总进尺
8、的 5 4 2 ， 空气锤钻进过程中发生 钻具 断 裂失 效 1 3井 次 ， 钻具 断 裂发 生 频率 1次 4 6 1 1 3 m。而牙轮钻 头 累计 进 尺 4 8 5 7 7 8 2 m， 期 问 发生 钻 具 断 裂 失 效 3 9起 ， 钻 具 断裂 发 生 频 率 1次 1 2 4 5 6 m。可见 牙轮 钻 头钻 进 钻 具 断裂 频 率 远 高 于 空气锤 钻进 。 2 ) 钻杆断 裂失 效特 点 ： 钻 杆 断落 位 置 主要 集 中在 钻杆管 体与加 厚部 分 的过 渡带 区域 ， 断 口距 公 扣 端平 均距离 为 0 5 2 I T I ， 距 母 扣 端 0 6 8
9、 m， 为 应 力 集 中 区 ； 且断 口平齐 ， 呈现为疲 劳 断裂特 征 。 3 ) 钻铤断裂失效特点 ： 钻铤断落位置主要集 中在 钻铤母 扣处 ， 存在应 力集 中 ； 断裂 钻铤 多为大 尺寸钻铤 ( 5 2 2 0 3 2 mm、 2 2 8 6 mm) ， 而小 尺 寸钻铤 ( 1 7 7 8 mm) 基 本没 有 发 生 断 裂 事故 ； 断 口规 则 ， 有 明 显 疲 劳 断 口特征 。 4 ) 钻具 断裂多发生在侏罗系沙溪庙组 和千佛 崖组 。 2 气体钻 井钻具断裂机理分析 2 1钻具 断 口分 析 2 1 1 断 1 ：2宏观 分析 图 1 、 图 2为钻 杆 、
10、钻铤 断 口宏 观形 貌 ， 分析 得 出 ： 断 口没有 明显 的塑性 变形 ， 断 口光 滑发亮 ， 为裂 纹扩 展反 复开合 摩擦 的结 果 ； 断 面基 本 分 为 两部 分 ， 即 ： 平坦 光滑 区和粗 糙 区 ， 平坦光 滑 为裂纹源 区和扩 展 区 ， 在此 区域 内可 观 察 到贝壳 线 纹 络 ， 为 明显 疲劳 断 口特 锯 图 1钻杆断口形貌 图 图 2钻铤断 口形 貌图 征 ； 粗糙 区所 占面积 较小 ， 说 明钻具断 裂时承受 的应 力 相对较 小 。 2 1 2断 口微 观分析 在裂 纹源 区取样 ， 用 醋 酸纤 维 酯 对 裂纹 源 表 面清 洗后， 用扫描
11、电子显微镜观察断 口微观形貌( 见图 3 ) ， 断 口裂 源 区表 现 出明显 的 贝壳 纹 络 线 ， 为疲 劳 断 口特 征 。对 钻具断 口宏 观微 观 分析 ， 确 定 钻 具断 口为疲 劳 断 口特 征 ， 钻具 断裂 属于疲 劳断 裂 。 ( a )放大 3 O 倍 ( b )放大 5 0 0倍 图 3断 口微 观 形 貌 图 2 2钻具 材质 分析 2 2 1 化 学成 分分析 在断 口附近 取样 ， 对 断裂 钻杆 、 钻铤化学 成分进行 分 析 ， 分 析结果 ( 表 3 ) 表 明 ， 化 学成 分符 合相 关企 业 标 准 的要求 及 A P I 规 定 。 2 2 2
12、 力 学性 能测试 在断裂钻杆 、 钻铤上分别取全尺寸纵 向圆棒拉伸 试样和纵 向“ V” 型缺 口冲击试样进行力学性能试验， 试 验结 果符合 AP I 标准 ， 试 验数 据见表 4 。 综 上所述 ， 钻杆 、 钻 铤 化学 成 分 、 力学 性 能均 符 合 生产要求及 AP I 标准 ， 可排除 由于材料质量问题导致 钻 具疲 劳断裂 的可能性 。因此 ， 可 判断钻 杆 、 钻铤 的疲 劳断裂主要与工况条件及使用情况相关。下面结合钻 井情况及钻具使用情况分析钻具疲劳断裂原因。 第 3 O卷 第 2期 钻井工程 表 3化学成分分析 结果表 2 3钻具 疲劳 断裂原 因分 析 2 3
13、1 特 殊 的循 环介 质 气 体钻 井过程 中 ， 气 体 的可压 缩性 比较大 ， 悬持 润 滑作用 减小 ， 钻具 与井 壁 的 干摩 擦 带来 较 大 的摩 阻 波 动 ， 摩擦 力增 大 ， 使 钻 柱更 易 产 生 反转 运 动 ， 由于 离 心 力 的作 用 ， 导致 钻柱 强烈 的横 向振动 ， 产生 高频 交变 弯 曲应力 ， 造成钻 柱早 期弯 曲疲劳 破坏 。气体 钻井 时 ， 环 空 中气 体 的上 返速 度一 般为 1 5 4 0 m s ， 才 能有 效地 使 钻屑悬 浮并携 带 出井眼 。携带 着大 量且形 状不 规则 的钻屑 的循环气 体 以如 此 高 的速 度
14、 向上 运动 ， 犹 如 喷 砂 切割一 样 ， 对 钻柱 产生 冲击 、 碰 撞 ， 特 别 是 在钻 柱 环 空 间隙 突变处 ， 钻 柱 磨 损 更 加 严 重 ， 造 成 钻 具 表 面 破 坏 ， 产 生应 力 集 中区 ， 导 致 钻 柱 局 部 承 受 高 的交 变 应 力 ， 加 剧钻具 的疲 劳破坏 。 2 3 2破 岩 方 式 空 气锤钻 进 时 ， 在 冲 击 和旋 转 联 合作 用 下 实 现破 岩 ， 以冲击动 载荷 为主 、 旋 转剪切 为辅 。由于其特 殊 的 破 岩方 式 ， 活塞 的能 量 以应 力 波 的形 式 大 部 分通 过 钻 头传递 到岩石 ， 进行
15、破 岩 ， 只有少 部分 能量 以应力 波 的 形 式沿钻 头 向上 反射 ， 对钻柱 振 动影 响不大 。 而牙 轮钻头 以 冲击 、 压 碎及 滑 动 剪 切 的方 式 破 碎 岩石 。破碎 过程 引起 两 种频 率 的 纵 向振 动 ： 一 种 是 因 钻头轮齿滚动而产生的高频纵振， 另一种是 因波状井 底引起 的低频 纵 振 。现场 反 复 实 测证 明 ， 前 者 对 钻 头 破碎 岩石是有 利 的 ， 对钻 具 的疲 劳破 坏影 响不 大 ； 而后 者引起 的振动 则 以应力 波 的形 式沿 钻 柱 向上传 递 ， 造 成钻柱的疲劳破坏 ； 再加上牙轮钻进时采用钻压高 ， 钻 柱在
16、高 压力 作 用 下 的振 动 进 一 步 加 剧 钻 柱 的 疲 劳 断 裂 。这 可能是 牙轮钻 进 比空气锤 钻进 钻具 断裂频 率高 的原 因之 一 。川东北 某井 3 1 6 5 mm 第 2次开 钻 空 气 钻井 中 ， 对 沙溪庙 组 6 1 5 O 0 1 2 5 9 8 0 m 井段 实施 了 空气钻井 随钻监测 ， 在某 监 测 日 1 4 ： 。 O 1 6 ： 0 0时 间 段 内 ， 共监 测 到两次 气体浓 度异 常变 化情 况 ( 图 2 ) 。 2 3 3钻 柱 振 动 钻柱振 动是 由于 钻柱 与井 眼 的接 触 以及钻 头与地 层 的相互作 用 而引起 的
