李從東

川慶鉆探國際工程公司 四川 成都 610000

石油是國家極其重要的戰(zhàn)略資源，我國的石油資源一般分布在裂谷型盆地以及海上的沉積盆地之中。復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境分布導(dǎo)致石油開采中鉆井成為關(guān)鍵工作之一，油田鉆井是開發(fā)石油能源的第一步，其作業(yè)效率決定了整個開發(fā)過程的順利與否。鉆具作為鉆井機(jī)械的重要組成部分，其質(zhì)量和組合的科學(xué)性決定了鉆井效率。然而隨著我國石油開采技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的油田被開發(fā)出來，隨之而來的鉆具的工作環(huán)境變得更加多樣化和復(fù)雜化，鉆具在作業(yè)中的難度也隨之提升，鉆具失效的情況也越來越常見。鉆具失效給鉆井工作帶來很多影響，也給油田開采帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，近年來一些因為鉆具失效帶來的鉆井重鉆、側(cè)鉆現(xiàn)象屢見不鮮，在影響了工程進(jìn)度的同時，還可能造成重大的安全事故。由此可見通過對鉆具失效事故進(jìn)行分析，探尋油田鉆具實現(xiàn)的原因并找到相應(yīng)的解決對策對石油開采工作十分必要，因此系統(tǒng)分析總結(jié)了油田鉆具的失效原因，對油田鉆具管理提出了自己的見解，希望能對廣大一線工作者有所幫助。

1 油田鉆具失效原因總結(jié)分析

由于油田鉆井的場所處于地下，操作人員很難完整的觀察到鉆具的工作過程和工作狀態(tài)，鉆具是否失效或者工作狀態(tài)不佳等情況只有在發(fā)生事故后才能知道，由此給鉆具造成的傷害一般是無法彌補的，這種情況嚴(yán)重影響了石油開采工作的整體進(jìn)程，因此我們必須深度探尋鉆具失效的內(nèi)在原因，并找到實用的措施來預(yù)防和減少鉆具失效事故的發(fā)展，提高鉆井工作效率。通過常見的鉆具失效事故和有關(guān)資料分析，筆者總結(jié)了一下幾種鉆具失效原因：

1.1 鉆具斷裂導(dǎo)致鉆具失效

鉆具斷裂導(dǎo)致鉆具失效最常見的原因之一，鉆具是由方鉆桿、鉆桿、鉆挺、各種接頭和鉆頭組成的有機(jī)整體，導(dǎo)致鉆具斷裂的主要原因有以下幾個方面：

（1）疲勞斷裂。疲勞斷裂是指鉆具使用時間過長導(dǎo)致鉆具使用壽命到期導(dǎo)致的斷裂，疲勞斷裂往往發(fā)生在鉆具螺紋之上，由于鉆具的螺紋的硬度相對于鉆具主體來講較小，而螺紋卻是直接受力的部分，長久使用中其經(jīng)受的壓力也是最大的，給整個鉆井過程帶來巨大動力的同時也讓整個鉆具的應(yīng)力不平衡，導(dǎo)致螺紋經(jīng)常會發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致鉆具失效[1]。

（2）過載斷裂。過載斷裂是指鉆具承受應(yīng)力超過其最大承受能力而發(fā)生的斷裂，過載斷裂一般是由操作員不當(dāng)?shù)男袨閷?dǎo)致的。由于鉆井的環(huán)境一般比較惡略，鉆具經(jīng)常會遇到礫石層、軟硬夾層等復(fù)雜地質(zhì)，很容易引起憋鉆、跳鉆的情況出現(xiàn)，現(xiàn)場操作人員如果強(qiáng)行拖拽、按壓或拔起鉆具，外力施加會導(dǎo)致鉆桿的承受力超過極限而發(fā)生斷裂。

（3）低應(yīng)力斷裂。低應(yīng)力斷裂是受到鉆具鉆桿材質(zhì)影響和操作影響而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。鉆井是一個需要多元件協(xié)同參與的過程，在鉆井中鉆具受到的力是不規(guī)則的，合格的鉆井方式是讓鉆具每次受到的力都在其最大承受范圍之內(nèi)，但受到鉆具材料的影響，鉆具的最大承受力不同或承受力下降過快就會導(dǎo)致在其受力過大時極容易發(fā)生低應(yīng)力斷裂。

（4）氫脆斷裂。氫脆斷裂主要是由于鉆具與鉆井中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的斷裂，由于在鉆井過程中鉆頭不停向下，導(dǎo)致氫化物與鉆具發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致。由于鉆具是由鋼打造而成，氫與鋼材之間會發(fā)生氫脆反應(yīng)，導(dǎo)致鋼的塑性下降而脆性升高，鉆具長時間工作下極容易發(fā)生氫脆斷裂。

1.2 鉆具損傷導(dǎo)致鉆具失效

鉆具損傷主要包括了鉆具表面損傷、鉆具腐蝕性損傷和鉆具機(jī)械損傷三種，鉆具表面主要是指鉆具螺紋在鉆井過程中與巖層發(fā)生劇烈摩擦導(dǎo)致的磨損，導(dǎo)致螺紋容易出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致鉆具損傷；鉆具腐蝕性損傷是指鉆具在鉆井過程中會與井中的含有的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得鉆具表面出現(xiàn)嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的鉆具表面產(chǎn)生損傷；鉆具機(jī)械損傷主要是指鉆具在儲存、搬運等過程中發(fā)生的磕碰或者在鉆井施工中發(fā)生的重大碰撞導(dǎo)致鉆具發(fā)生的損傷[2]。

1.3 鉆具受力支撐斷裂導(dǎo)致鉆具失效

鉆柱是整個鉆具的重要應(yīng)力點，由于鉆井工作是一個長期且重復(fù)的工作，鉆具在深入鉆井工作中會讓鉆柱承受大量的作用力，如果長時間持續(xù)會導(dǎo)致鉆柱出現(xiàn)一定程度的裂紋，從而讓鉆柱出現(xiàn)疲勞狀況，一旦出現(xiàn)這種情況，在鉆井過程中極容易出現(xiàn)鉆桿受力過強(qiáng)而斷裂的情況，從而引發(fā)鉆具失效。

1.4 鉆具變形導(dǎo)致鉆具失效

鉆具變形主要是指鉆具在經(jīng)受長時間超越材料極限應(yīng)力的情況下產(chǎn)生變形的情況，鉆具中有幾個部分極容易產(chǎn)生變形，其中有鉆桿、鉆桿接頭、鉆具螺紋等部位。如果鉆具出現(xiàn)變形，就會導(dǎo)致在高強(qiáng)度的工作中容易發(fā)生斷裂導(dǎo)致鉆具失效。

2 鉆具失效防治對策

從現(xiàn)階段總結(jié)的鉆具失效原因中我們可以看出，造成鉆具失效的原因主要集中在人為因素、鉆井工作流程和鉆具養(yǎng)護(hù)三個方面，在預(yù)防鉆具失效對策研究中我們也應(yīng)該以這幾個方面為主。

2.1 規(guī)范鉆具參數(shù)和使用的管理

規(guī)范鉆具各個部件的參數(shù)首先要做的就是保證鉆具各個部分的質(zhì)量，使用高疲勞度的鉆具材料和先進(jìn)技術(shù)，減少鉆具失效情況發(fā)生。

（1）鉆鋌質(zhì)量保障?，F(xiàn)階段很多鉆鋌斷裂的原因就是其質(zhì)量不合格導(dǎo)致的，因此在鉆井工作開展之前要嚴(yán)格對鉆鋌規(guī)格、材質(zhì)等方面進(jìn)行細(xì)致檢查，將不合格的鉆鋌剔除，選擇質(zhì)量好的鉆鋌補充進(jìn)來。在鉆鋌的選擇中一定要注意檢查鉆鋌的各項參數(shù)和工藝。首先鉆鋌的尺寸選擇要以最新的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格審查，依據(jù)不同規(guī)格、地形的油田來選擇鉆鋌標(biāo)準(zhǔn)[3]。例如美國的API SPEC7-1標(biāo)準(zhǔn)中，要求了鉆鋌的壁厚差必須小于或等于公稱壁厚的百分之十二，直線度偏差涉及到全長時不應(yīng)該超過0.52mm/m，涉及到鉆鋌兩端兩米內(nèi)的不應(yīng)該超過2mm。其次鉆鋌的外觀也要進(jìn)行嚴(yán)格的審查，鉆鋌的形狀有圓柱形和螺旋形兩種，在審查中要重點關(guān)注鉆鋌的表面是否有明顯損傷，例如裂紋、褶皺、疤痕等情況，嚴(yán)格按照鉆鋌標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審查。最后是鉆鋌的材質(zhì)檢查。鉆鋌一般采用合金鋼材制成，鋼材的化學(xué)成分中硫和磷含量要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，其含量不得超過0.025%，鋼材要選擇整體熱軋或鍛造坯料機(jī)械加工成型。鉆鋌到達(dá)后要進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械性能測試，確保鉆鋌的質(zhì)量合乎相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）鉆桿質(zhì)量保障。鉆桿的選擇也需要經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量審核，首先是規(guī)格尺寸、鉆桿接頭的同軸度等參數(shù)要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行檢查，保證在鉆井過程中鉆桿的平穩(wěn)工作。其次對鉆桿的焊接外觀進(jìn)行詳細(xì)的檢查，確定是否存在凸起或者截面突變的情況，防止在工作中出現(xiàn)應(yīng)力集中等情況。然后對鉆桿的整體外觀進(jìn)行檢查，鉆桿的直度、壁厚度、內(nèi)外涂層等方面不得存在彎曲的現(xiàn)象出現(xiàn)，對其關(guān)鍵部分要施加防腐蝕處理，避免氫脆斷裂的產(chǎn)生。最后是鉆桿螺紋檢查，螺紋是連接鉆桿和其他部位的重要部位，一旦鉆桿螺紋出現(xiàn)問題，就會影響整個鉆具的安裝和拆卸，因此要細(xì)致檢查螺紋是否有磨損、變形的情況發(fā)生，對螺紋進(jìn)行專門的處理，像加油防護(hù)、磷化等方式保證螺紋不被腐蝕。

（3）鉆井參數(shù)的分析。鉆井參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速和鉆壓兩個方面。從機(jī)械角度來看，提高鉆井參數(shù)會極大程度的提高鉆井效率，但面對復(fù)雜的井下環(huán)境和相關(guān)力學(xué)來看，當(dāng)鉆壓增高時，鉆具底部承受的壓力也會增大，從而導(dǎo)致鉆具產(chǎn)生彎曲變形的風(fēng)險，假如鉆具出現(xiàn)彎曲變形，鉆具就會承受不同方向的力而形成交變載荷，導(dǎo)致鉆具的壓力會變大。鉆具底部的鉆鋌作為承受交變載荷最大的部位，就會容易產(chǎn)生疲勞斷裂的可能。而轉(zhuǎn)速的增大也會導(dǎo)致單位時間內(nèi)鉆具承受更多的交變載荷次數(shù)更多，造成疲勞斷裂的風(fēng)險也會更大，通過研究表明鉆速在超過每分鐘90轉(zhuǎn)時，鉆鋌發(fā)生斷裂的可能性也會增大，除此之外，高轉(zhuǎn)速下極易引發(fā)鉆具共振，共振會產(chǎn)生高頻率的應(yīng)力，在鉆具裂紋的時候極易產(chǎn)生擴(kuò)大作用，大大降低了鋼材的韌性。由此可見較低的鉆井參數(shù)會極大程度的延長鉆具的使用時間，挑選合適的鉆頭，進(jìn)行井眼實際測試，找到在鉆井過程中鉆具的震動規(guī)律。例如跳鉆情況十分嚴(yán)重的時候就證明扭矩變化相對較小，在鉆井中就要加大鉆壓并減小轉(zhuǎn)速；而遇到憋鉆情況嚴(yán)重的時候就要減小鉆壓增大轉(zhuǎn)速，借此減少鉆井過程中的共振情況[4]。我們要及時總結(jié)鉆井參數(shù)的設(shè)置，最大限度的減少鉆具的共振，借此也可以減少在鉆井過程中的憋鉆、跳鉆的持續(xù)時間，減少鉆具疲勞斷裂的情況產(chǎn)生。

2.2 加強(qiáng)現(xiàn)場管理規(guī)范

鉆具失效是一個復(fù)雜的過程，我們在現(xiàn)場管理中要以科學(xué)的手段來使用和管理鉆具，在保證鉆具整體質(zhì)量的同時，減少鉆具的失效頻率。具體可以從以下幾個方面進(jìn)行改善：

（1）建立鉆具使用規(guī)范。鉆井全程要建立起細(xì)致的工作規(guī)范，依據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)你@井流程來對現(xiàn)場工作進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)。首先在鉆具出廠、運輸、存放等過程建立起完善的制度，技術(shù)人員在鉆具出廠前進(jìn)行細(xì)致的質(zhì)量檢查，對于一些精密的元件采用專門的包裝進(jìn)行運輸，鉆具到達(dá)后對鉆具進(jìn)行分類儲藏，鉆具擺放不能超過五層，防止累計質(zhì)量過大導(dǎo)致鉆具變形。其次在鉆具安裝時嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作。在鉆具上扣、緊扣之前要將扣紋細(xì)致的清理干凈，并按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行操作，上扣時大鉗不得在鉆桿上施加力，避免螺紋出現(xiàn)損傷，現(xiàn)場必須攜帶護(hù)絲，保證緊扣能夠達(dá)到相關(guān)規(guī)范的扭矩，螺紋密封脂也要在市場上進(jìn)行細(xì)致的調(diào)研，選擇效果較好的密封脂。

（2）建立鉆具組合優(yōu)化制度。鉆具組合優(yōu)化能夠有效減少鉆具接頭處產(chǎn)生應(yīng)變力的集中，從而減少鉆具疲勞損傷。因此在鉆井工作開展之前，要對鉆井進(jìn)行細(xì)致的參數(shù)檢查，保證鉆具在進(jìn)入鉆井時鉆具的受力中心點不在接頭處；另外在每個鉆井工作開展之前都要重新組合鉆具，嚴(yán)禁出現(xiàn)鉆井相似就選擇相同的鉆具組合的情況出現(xiàn)。例如在遇到地質(zhì)較復(fù)雜的時候，鉆具在鉆井中容易出現(xiàn)憋、跳鉆的情況，那么我們在鉆具組合時就可以在底部增加減震裝置，減少鉆具震動帶來的疲勞損傷；在實際工作中要實時監(jiān)測井內(nèi)震動、狀態(tài)等參數(shù)，不斷優(yōu)化鉆具的組合方式，盡可能地減少鉆具疲勞、超越材質(zhì)極限的損傷出現(xiàn)[5]。

（3）建立鉆具管理制度。企業(yè)有必要建立起專門的鉆具管理部門，從鉆具的出廠到入庫出庫全過程進(jìn)行細(xì)致管理。首先建立起鉆具標(biāo)識制度，建立起鉆具庫房存儲卡片，在對鉆鋌和鉆桿進(jìn)行嚴(yán)格的檢查后為其建立起單獨的號碼。在鉆井工作開始之前就做出相應(yīng)的鉆具元件使用計劃，在鉆井工作開始之前按照計劃對鉆具元件進(jìn)行全面檢查，按照各個元件的使用強(qiáng)度提前進(jìn)行探傷或分段探傷監(jiān)測，確保鉆具在使用之前是符合施工條件的，如果鉆井工作開展的時間很長的話，要嚴(yán)格按照鉆具的檢測周期進(jìn)行檢測對過期鉆具及時更換。其次在鉆具領(lǐng)用和現(xiàn)場施工時建立起相關(guān)制度，鉆具的領(lǐng)取要合乎規(guī)范，保證鉆具檔案數(shù)據(jù)有跡可循。在進(jìn)行鉆井工作之前，要建立起鉆井復(fù)查制度，由相關(guān)的技術(shù)人員對井口參數(shù)進(jìn)行復(fù)查，將井口參數(shù)的原始數(shù)據(jù)留存好，并與初次測量人員做好數(shù)據(jù)對比，保證井口內(nèi)徑、外徑、長度等參數(shù)一致。在鉆井工作結(jié)束后，要根據(jù)鉆具的回收制度進(jìn)行回收，并及時在鉆具檔案中填寫相關(guān)信息。

2.3 加強(qiáng)鉆具探傷維護(hù)管理

鉆具探傷是保證鉆具具體情況的重要手段，現(xiàn)階段我們常用的探傷方法為第三方探傷公司到井探傷，在其探傷過程中要嚴(yán)格監(jiān)督，提高鉆具探傷質(zhì)量。首先安排專人監(jiān)督制度，在探傷公司到達(dá)工作現(xiàn)場時，可安排工長進(jìn)行全程監(jiān)督，保證探傷過程細(xì)致全面；其次在探傷過程中除了對鉆具表面進(jìn)行細(xì)致查看外，還應(yīng)該配備超聲探測儀，對鉆具內(nèi)部進(jìn)行檢查，確保鉆具質(zhì)量符合使用規(guī)范。

3 結(jié)束語

總而言之，鉆具作為鉆井工作的重要機(jī)械組成部分，其質(zhì)量和安裝操作規(guī)范決定了鉆井工作是否能夠穩(wěn)定、高質(zhì)量運行。針對現(xiàn)階段常見的鉆具失效事故分析，不斷總結(jié)其內(nèi)在原因，據(jù)此建立起完善的鉆具管理制度、現(xiàn)場施工制度、探傷制度等，盡可能的減少鉆具失效情況的出現(xiàn)，充分提升我國能源行業(yè)的國際競爭力。