气体钻井钻具失效原因与预防措施.pdf

2 0 1 1年 第 4 O卷 第 2期第 8 7页 石油 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI PME NT 文 章 编 号 1 00 1 - 3 4 82 2 01 1 01 00 8 7 0 4 气体 钻井钻具失效原 因与预 防措施 陈颖杰 ， 房 小松。 ， 朱 荣东。 ， 张峰 ， 刘 晓英 1 ． 中国石油大学 北京 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中国石油集团 海洋工程有 限公 司， 天津 3 0 0 2 8 0 ； 3 ． 中海石 油 中国 有限公 司 中海石油研究 总院 ， 北京 1 0 0 0 2 7 ； 4 ． 新疆 油 田公司 采气一厂 ， 新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 摘 要 气体钻 井技 术 已被 世 界公 认 为是 缩短钻 井 时 间、 降低 钻 井成本 、 解放 油气层 的一 种 实用技 术 ， 但是 随之 出现 的钻 具 失效 问题 成为 广 大钻 井工作 者 面临 的一道技 术 难题 。针 对 气体钻 井钻 具 失效 问题 进行 了 国 内外文 献检 索和 现场 情 况调 研 ， 特 别 对 川 东北 和 伊 朗南部 地 区 TAB NAK 气 田 气体 钻 井钻 具失 效情 况进行 了深入调 查 。结 合相 关理 论 和现 场 经验 对现 场 资料 进 行 分 析 ， 找 出 了气体 钻 井钻具 失 效的主 要特 点及 原 因， 并提 出 了避 免 井下钻 具 失效 的合 理技 术措 施 。 关键 词 气体 钻 井 ； 钻具 ； 失 效分 析 中 图分类 号 TE 9 2 1 ． 2 文献标 识 码 B Fa i l u r e Ana l y s i s a n d Pr e v e nt i v e M e a s u r e o f Dr i l l i ng To o l i n Ga s Dr i l l i n g CHEN Yi n g j i e ， FANG Xi a o s o n g ， ZHU Ro n g d o n g 。 ， ZHANG F e n g ， LI U Xi a o y i n g 1 ． C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m Be i j i n g ， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9， C h i n a ； 2 ． CNPC Oc e a n En g i n e e r i n g Li mi t e d C o mpa n y， Ti a n j i n 3 0 0 2 8 0， Ch i n a； 3 ． CNOOCRe s e a r c h， Be i j i n g 1 0 0 0 2 7， Ch i n a； 4 ． No ． 1 Ga s Pr o du c t i o n Pl a n t ， Pe t r o Ch i n a Xi n j i a n g Oi l fi e l d C o mp a n y， Ka r a ma y 8 3 4 0 0 0， Ch i n a Abs t r a c t Ai m i n g a t f a i l ur e o f d r i l l i ng t o o l i n g a s d r i l l i ng， s e a r c hi n g t he f i e l d s i t u a t i o n o f ga s dr i l l i n g wa s c a r r i e d a nd s u r v e ye d， s pe c i f i c a l l y a t n or t he a s t e r n S i c h ua n ga s f i e l d a n d TABNAK g a s f i e l d we r e di r e c t e d． Th e s i t e c on di t i o n da t a u s i ng r e l e v a nt t h e o r y a nd f i e l d e xp e r i e nc e wa s a n a l y z e d a n d t he ma i n c h a r a c t e r i s t i c s a nd c a us e s o f t h e dr i l l i n g t oo l f a i l ur e i n a i r d r i l l i ng we r e f ou nd ou t ．The r e a s on a bl e p r o p os a l of h ow t o a v o i d d r i l l i ng t o o l f a i l ur e i n a i r d r i l l i ng wa s pu t f o r wa r d， t he s c i e n t i f i c ba s i s f or de c r e a s i n g or p r e v e nt i ng d r i l l i ng t oo [f a i l ur e i n a i r d r i l l i n g wa s pr o po s e d． Ke y wo r ds g a s d r i l l i n g； dr i l l i n g t o o l ； f a i l ur e a n a l y s i s 目前 ， 气 体钻 井 技术 已被 世 界 公 认 为 是 缩 短钻 井 时 问 、 降低 钻 井 成 本 、 解 放 油 气 层 的 一 种 实 用 技 术 ， 已成 为油气 田高效 开发 的重 要手段 ， 各 大油 田正 在推 广应 用 。但是 ， 随之 出现 的钻 具 失 效 问题 成 为 广大 钻 井 工 作 者 面 临 的 一 道 技 术 难 题 。统 计 表 明口3 3 ， 气 体 钻井钻 具 失效 率为 钻井 液钻 井钻 具失 效 率 的 2 ～ 1 O倍 4 ] ， 尤其 在 深 井 段采 用 气 体 钻井 技 术 时， 断钻具事故更加频繁 ， 严重制约着气体钻井技术 在 深井 超深 井 中 的应 用 ， 而 且 气 体 钻井 中发 生 断 钻 具事 故 的时 间很 短 暂 ， 危 害性 很 大 。本 文针 对 川 东 北 和伊 朗南部 地 区 T AB NAK 气 田气体 钻 井钻 具 失 效情 况进 行 了深入 调查 。结合 相关 理论 和现 场经 验 对现场资料进行分析 ， 找出了气体钻井钻具失效的 主要特点及原 因， 并提出了避免井下钻具失效的合 理技 术措 施 ， 从 而 可 以 为 减少 或预 防气 体 钻 井 钻具 失效问题提出科学依据 。 收 稿 日期 2 0 1 0 0 8 3 1 作者 简介 陈颖杰 1 9 8 4 一 。 男 ， 四川 I 成都人 ， 硕 士研 究生 ， 2 0 0 9 年 毕业 于西南石油大学石油工程专业 ， 主要从 事油气井 岩石 力 学 方 面 的 研 究 ， E ma i l c h e n _ y i n g j i e 1 2 6 ． c o rn。 石 油矿 场机 械 2 0 1 1年 2月 1 现场情况 针对川东北和伊朗南部地区 TAB NAK气 田气 体钻 井钻 具失 效情 况 进行 了深 入 调 查 ， 结 果 显示 绝 大多 数井 发生 过井 下 钻具 事故 ， 即使 个 别 井 没有 发 生断 钻具 事故 ， 但起 钻 后 对 钻 具 探伤 发 现 钻 具损 坏 比较严重 ， 钻头磨损也 比较严重 ， 且常发生掉牙轮事 故 。川 东北 地 区用 气 体钻 井 技术 施 工 的 X 1井 、 X 2 井 、 X3 井 、 X 4井 和 X 5井 的钻 具失 效 情 况 如表 1和 图 1 ～5。 由表 1和 图 1 ～ 5可 以看 出 ， 井 下落 鱼 事 故 1 8 次 ， 钻铤 占 5 0 其 中 0 2 0 3 ． 2 mm 8英 寸 钻 铤 占 6 7 ， 0 2 2 8 ． 6 mm 9英 寸 钻 铤 占 2 2 ， 0 2 5 4 mm 1 0英 寸 钻 铤 占 1 1 ， 多 数属 于母扣 断裂 ； 钻杆 占 3 5 ， 多数属 于 钻 杆本 体 断 裂 。深 井 段 的钻 具 断 落 次数 明显 增多 ， 失效 时 的平 均 井深 2 0 2 0 ． 4 6 m。起 钻后 对钻 具 的探 伤 结 果 表 明 也是 0 2 0 3 ． 2 mm 8英 寸 钻铤和 0 2 2 8 ． 6 mm 9 英寸 钻铤损坏较多 ， 分别 占到 3 7 和 2 7 ， 如 图 4 。 表 1 J l I 东北地区气体钻井钻具失效情况统计 量 譬 长 柱 芷 鉴 转换接头 图 1 各种断落钻具所 占比例 长 图 2 各种断落钻铤所 占比例 钻铤 5 O ％ 2 mm 7 ％ 5 00 1 0 0 0 l 00 0 ～ 2 0 0 0 2 0 0 0～ 3 0 0 0 井 深／ m 图 3 不 同井段 的钻具 断落 次数 击 1 7 7． 8 mm 钻 铤 1 5 ％ 图 4各种损坏钻具所 占比例 图 5 断点位置分布 0 2 0 3 ． 2 ／r ／ m 钻铤3 7 ％ 第 4 0卷第 2期 陈颖 杰 ， 等 气 体 钻 井 钻 具 失 效 原 因 与 预 防 措施 2 气体钻 井钻具失效分析 2 ． 1 气体 钻 井钻 具失效 的 主要特 点 由图 1 ～5可 以看 出 ， 气 体钻 井 中钻 具失 效 有 8 个特 点 1 钻铤 断 的较 多 ， 其 中 0 2 0 3 ． 2 mm 8英 寸 钻铤 断的最 多 ， 而且 多数 为母 扣断 裂 ， 断裂 位置距 母 扣根部 1 O ～ 1 4 c m， 而公 扣断裂 的位置 为公 扣根 部 。 2 断点离 钻头 的位 置平 均 为 1 2 2 ． 6 8 m， 主要 集 中在 2 0 ～ 1 2 5 m 之 间 ， 底部 钻具 组 合 B HA 断裂 失效 时 ， 断 点 基 本 上 都 在 这 个 范 围 之 内 ， 而 1 2 5 m 以外 主要 为第 1柱钻 杆或 加重 钻杆 的 断裂 。 3 钻 具失 效 时的平 均 井 深 2 0 2 0 ． 4 6 m， 严 重 制约着 气体 钻井 技术 在深 井超 深井 中的应用 。 4 钻杆 本体 断裂 较 多 ， 主要 集 中在 第 1柱 钻 杆 处 。在 2 0 0 0 r n以上 的深 井 段 ， 钻 杆本 体 断 裂 较 多 ， 占钻 杆失 效 的 8 O 。 5 气体 钻井 中 ， 钻杆 的 主要 失 效 形 式 是 断裂 失效 ， 而 在钻 井液 钻井 中 ， 钻 杆失 效 的主要 形 式是钻 杆 刺漏 ， 钻杆 失效 形式存 在 明显 差异 。 6 当地 层 出水 时 ， 采 用 雾 化 钻 井 对 钻 具 的腐 蚀较 为严 重 。 7 钻具 尺 寸 急 剧 变 化 的 部 分 冲击 腐 蚀 特 别 厉害 。 8 掉 牙轮 事故 多 ， 起 出钻头 断齿 较多 ， 且磨 损 较为严 重 ， 平均新 度 不足 4 0 ， 多数报 废 。 2 ． 2气体 钻井 钻具 失效 原 因分析 结 合现 场调 研 和前面 的研 究对 气体 钻井 中钻 具 的失效 原 因进 行 了具体 分 析 ， 导致 气 体 钻 井 中井 下 钻 具事 故 的主要 原 因有 8方面 1 气体 钻井 过程 中跳 钻厉 害 。气体 钻井 与钻 井液 钻井 相 比 ， 由于 没有 钻 井 液 的粘 滞 阻 尼对 钻 具 的缓 冲 ， 钻 具振 动 比较严 重 ， 钻具 承受 的交 变应 力 幅 值变 化较 大 ， 容 易造 成钻 具疲 劳破 坏 ] 。 2 由 于气 体 钻 井 钻 具 组 合 中通 常不 加 稳 定 器 ， 钻 具稳定 性 差 ， 易 失稳 弯 曲 ， 致使 钻 出 的井 眼 不 规 则 ， 导致钻 具扭 矩增 大 和诱发 问歇 粘 滑振 动 ， 加 之 没 有钻 井液 的 阻尼作用 ， 周 向振 动 更为厉 害 ， 容易 造 成扭 矩波 动较 大 ， 从 而超 出钻 杆 的抗 扭 强 度 导致 其 断裂 失效 。 3 气 体 钻井对 钻 具 冲蚀 损 伤大 。因为在 气体 钻井 中 ， 环 空 中气体 的上 返 速 度 为 1 5 ～ 4 0 m／ s ， 才 能有 效地使 钻 屑悬 浮并携 带 出井 眼 。气 体 在环 空 中 的流 动通 常是紊 流 ， 岩屑 在上返 过 程 中 ， 钻具 遭 受高 速岩 屑对 钻具 冲击 的“ 喷砂 ” 切 割 作 用 ， 从 现 场 情 况 来看 ， 气 体钻 井所 产生 的岩 屑 ， 其大 小 和喷砂 工艺 所 用 的磨料 尺 寸相 当 ， 如 图 6所 示 。环 空 高 速 气 流 携 带砂 粒对 钻具 表 面产 生 的严 重磨 蚀作 用 将会 导致 钻 具壁 厚减 少 而降低 钻具 的抗 扭 强度 。 图 6 岩屑对钻具 冲击后 留下的残 留物 4 气 体 钻井 中 由于 没 有 钻 井 液 的润 滑 作 用 ， 钻 柱和 套管 或井 壁 之 间 的摩 擦 因数 较 大 ， 从 而 导 致 钻 具磨 损 比较严 重 。 由于气体 钻井 所用 的钻 井 液为 空气 、 氮气或其他气体， 比热容和热传导率都远低于 泥浆 ， 因此 ， 钻具 在 使 用 过程 中 与井 壁 、 上 层 套 管 间 的摩擦缺少充分的润滑和冷却 ， 尤其是相互摩擦 的 接触面 ， 产生 的热量不能被充分的吸收和带走 ， 使摩 擦 面温 度升 高 ， 磨 损加 剧 。钻具 磨损 较 为严重 时 ， 会 导致 钻具 的 偏心度 增 大 ， 引 起钻 柱 的横振 。此 外 ， 采 用顶 驱 时 ， 由于转 速 较 高 ， 摩 擦 生 热 量更 大 ， 会使 钻 柱局部 区域管 材被 加 热 到 超 过 其 临 界相 变 温度 ， 直 接导致 材 质发 生相 变 ， 由 回火 马 氏体 向未 回火 马 氏 体 、 贝氏体及残余奥 氏体转变， 从而使材料的韧性降 低 ， 脆 性增 加 ， 导致 脆 性 微 裂 纹 的产 生 ， 起 初微 小 裂 纹 很难 被发 现 ， 这些 微小 裂纹 会逐 渐 贯穿成 大裂 纹 ， 导 致疲 劳 断裂 ， 如 图 7 所 示 。 7钻 杆 母 接 头 由 于井 下摩 擦 生 热 导致 的 微小裂纹 逐步贯穿成大裂纹 5 由 于钻 具 尺 寸 急剧 变 化 的 部分 造 成 的 回 流 、 漩 涡 对钻 具 的 冲蚀 作 用 ， 如 图 8 a 。 当底 部 钻 具 组合装有震击器或采用钟摆钻具组合纠斜 时， 这种 现象 时 常发生 。 石 油矿 场机 械 2 0 1 1 年 2月 a回流 、 漩 涡对震 击器 的冲蚀作 用 b 地层 出水 时雾化对钻具 的腐蚀 图 8 环空介质对钻具 的冲击和腐蚀 6 在地 层 出水 而 采 取 雾 化钻 井 时 ， 腐 蚀 非 常 严 重 ， 如 图 8 b 。 7 气体钻井 中井眼不稳定， 会恶化钻具 的受 力 状况 ， 严重 时会 导致 卡钻 事故 的发生 。 8 掉 牙轮 事故 频 繁 出现 ， 主 要 是 由 于气 体 钻 井 中钻 头振 动厉 害 ， 导 致钻 进 中轴 承 与 巴 掌 间 隙增 大 ， 砾 石 会 进 入 钻 头 轴 承 ， 从 而 造 成 轴 承 失 效 ， 掉 牙 轮 。 3 预防措施 1 严 格监 测地 层 出水 、 出气情 况 ， 应 及 时转化 为泡沫 钻井 ， 同时注 入 一 定量 的化 学 添 加 剂 和化 学 缓 蚀剂 来处 理少 量 的地层 出水 和保 护井下 钻具 不至 于被氧化或其他化学物质腐蚀 ， 从而有效抑制或避 免腐蚀 坑裂 纹源 的产 生 。 2 利 用 固相 注入器 向井 内注 入减磨 剂来 降低 钻柱 与井 壁 间的摩擦 。固相 注入器 通常 被安装 在气 体高压 控 制管 汇的靠 近井 口端 。 3 在注气 量 满 足 携 岩要 求 的情 况 下 ， 应 合理 设计 注气参 数 ， 不 能过多 地注 入大量 空气 ， 因为这样 可 以降低 环空 流体 的返 速 ， 从 而 可 以降 低 对 钻具 的 冲击作 用 ， 减少 和避 免“ 点 ” 状裂 纹 源 的产 生 。 4 应 减少 上 部井 眼 的弯 曲 ， 同时 在 钻杆 接 头 上 采用 钻杆 橡胶 护 箍 、 加敷 焊耐 磨 带 或 采用 防磨 接 头 等措 施来 避免 井下 过热 导致钻 杆材 质发 生相变 的 现 象 ， 从 而可 以避 免热应 力 脆性裂 纹 的发生 。 5 采 用顶 驱钻井 时 ， 必须控 制转 速不 能太 高 ， 同时要 控制 钻压 ， 减少 钻柱 的正 弦或螺 旋屈 曲 。 4 结语 本 文针对 气体 钻井 钻具 失效 问题进 行 了 国内外 文 献检 索和 国 内外 气体 钻井 现场 情况 调研 。特别 针 对 川东 北和伊 朗南 部地 区 TAB NAK 气 田气体 钻井 钻 具失 效情 况进行 了深 入调 查 。通过 对调研 资料 的 统计 与 分析得 出了气 体 钻 井 钻 具 失效 的主 要 特点 。 根据 相 关理论 和 现场 经 验 对 现 场 资料 进 行 分 析 ， 找 出了气 体钻井 钻 具失 效 的原 因 ， 并 提 出 了避 免 井 下 钻具失效的合理技术措施 ， 从而可 以为减少或预防 气体 钻井 钻具 失效 问题 提 出了科 学依据 。 参 考 文 献 [ 1 ] 钱 爱军 ． 探寻气体钻井钻具 失效解决之 道[ N] ． 中国石 化报 ， 2 0 0 7 - 0 6 1 2 7 ． [ 2 ] 刘永 刚 ， 陈怀高 ， 刘文 红 ， 等． 气体钻井过程 中的钻具失 效研究 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 2 4 9 5 2 ． [ 3 ] 廖 忠会 ， 张杰 ， 李群 生 ， 等． 气体钻井 断钻铤 事故的原 因分析及预防[ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 7 ， 3 0 6 6 - 8 ． [ 4 ] 朱 德武 ， 于会娟 ， 苟 治平． 空气钻 井钻柱疲 劳断裂 计算 分析[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 8 5 7 6 1 ． [ 5 ] Z i f e n g L i ， B o y u n G u o ． A n a l y s i s o f L o n g i t u d i n a l V i b r a t i on o f Dr i l l s t r i ng i n Ai r a nd Ga s Dr i l l i ng [ R ] ． S P E 1 0 7 6 9 7 ． [ 6 ] 祝效华 ， 童华 ， 刘 广川． 气体钻 井钻具 断裂机 理分析 _ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 5 - 8 ． [ 7 ]黄志强 ， 范永涛 ， 李琴 ， 等． 冲旋钻头的现状及发展趋 势[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 2 9 2 9 6 ． [ 8 ] 孙继明 ， 侯树 刚 ， 李铁成． 空气 钻井技 术在普 先 I -3 - 1 井 的应用[ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 6 ， 3 4 4 2 4 2 6 ． [ 9 ] Wh i t e l e y M C ． Ai r d r i l l i n g o p e r a t i o n g s i mp r o v e d b y p e r c u s s i o n b i t ／ h a mme r - t o o l t a n d e m[ P ] ． S P E 1 3 4 9 9 ． r 1 O ] I u c i e n He h n， Mi c h a e l j e l l i s o n， Br e t t Ch a n d l e r Ca t a s t r op hi c Dr i l l s t r i n g Fa i l ur e s Ca us e d b y Do wn ho l e F r i c t i o n He a t i n g An I n c r e a s i n g Tr e n d[ G] ．S P E ／ I AD 1 O 50 26 ．