高新94-1井钻杆本体刺漏原因和对策分析

刘功威，张 辉，方文超 （中国石油大学 （北京）石油工程学院，北京102200）

闵江本 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100）

钻具失效是指钻具在钻井作业过程中因断裂、刺穿、粘扣等事故而发生部分或全部失去其效能的现象［1］。钻杆本体刺漏属于典型钻具失效，在钻井现场经常发生该现象，严重影响钻井作用并造成较大的经济损失。以高新94-1井为例，在该井钻井过程中，共有3根钻杆发现本体刺漏现象，都发生在定向造斜的井段，井深从619～677m，井斜角在8．53～13．27°，刺口位于钻杆加厚过渡带的本体上，与公扣的距离平均为0．55m，刺口直径约为1．5cm。下面，笔者对该井钻杆本体刺漏失效原因进行分析并提出相应对策，以便为处理类似钻具失效问题提供借鉴。

1 钻杆本体刺漏原因分析

1）钻杆被腐蚀 高新94-1井的作业区属于唐山唐海县附近，地理自然位置靠近大海，空气潮湿多雨，含氧量较高。钻杆在长期的储存和使用过程中经常与氧气和水相接触，在有氧腐蚀的环境下，钻井液中携带的溶解氧与钻杆材料中的Fe发生电化学反应，溶解氧产生的电化学腐蚀的反应过程为［2］：

4Fe＋6H2O＋3O2→4Fe（OH）3Fe→Fe2＋＋2e-O2＋2H2O＋4e-→4OH-

上述过程导致钻杆中的铁质不断被氧化，加之循环系统中的钻井液不断冲刷钻杆表面以及钻杆在井壁内的振动，使钻杆表面的腐蚀产物逐渐脱落，从而形成很大的腐蚀坑。腐蚀坑造成钻杆表面金属的不连续，上述部位是容易产生应力集中的位置。因此，较小的交变应力即可在腐蚀坑周边形成较高的应力集中，进而促使疲劳裂纹产生并不断扩大，最终产生钻杆本体刺漏现象［3］。

2）钻杆滤清器的影响 高新94-1井是一口定向井，在钻进过程中定向造斜时，为了防止井下钻具的水眼堵塞和减少钻头的水力功率，在钻杆中放置了滤清器。滤清器的外部是一层滤网，钻井液通过滤网时流向、流速会发生变化，在钻杆旋转的作用下会产生涡流，加之钻井液中的固相颗粒不停的高速冲击钻杆内壁，会导致钻杆内的保护涂层部分脱落，从而加快钻杆的有氧腐蚀并导致钻杆内裂纹的产生，由此形成钻杆本体刺漏现象。

3）钻杆受交变应力作用 在钻进过程中，当钻杆钻遇狗腿井段时，钻杆要承受弯曲载荷 （见图1）。弯曲的钻杆在最大弯曲截面处一边受压，另一边受拉，当钻杆旋转一周后，钻杆上某一点经受了从拉到压的一个应力循环，此即交变应力 （动载）［4］。交变应力作用的结果容易导致钻杆表面应力集中部位产生裂纹，只要交变应力持续作用，则裂纹会继续扩展，直至穿透钻杆壁厚，严重时导致钻杆刺穿或断裂。

图1 钻杆受交变应力作用示意图

4）钻杆薄弱部分的影响 钻杆加厚过渡带是钻杆的一个非常薄弱的部分，大部分出现钻杆本体刺漏的部位都发生在加厚过渡带上。其原因是腐蚀坑造成钻杆本体不连续，周围形成很高的应力集中，加上钻杆内加厚过渡段本身就存在严重的应力集中，在上述应力共同作用下，钻杆内加厚过渡带产生疲劳裂纹并快速扩大，最后产生钻杆本体刺漏现象。

5）钻杆放置不合理 一般而言，在正常的钻井过程中，钻杆一般都是放置在专门的钻杆架上，但当一口井固井完井后，从井底起出来的钻杆，有的会安置在2层钻杆之间 （见图2）。这样会使钻杆在自下而上的堆积过程中不断受到冲击载荷的作用，导致钻杆受到很大的金属疲劳伤害。与没有受到伤害的钻杆相比，在同等的钻井环境下这些钻杆本体更加容易刺漏。

图2 钻杆放置不合理

2 应对措施

1）在钻井液中加入适量的缓蚀剂和除氧剂 由于钻井液中的溶解氧对钻杆表面造成氧腐蚀并形成腐蚀坑，对此应在钻井液中加入适量的缓蚀剂和除氧剂去除钻井液中的氧气，对钻杆表面起到隔离保护的作用，从而有效防止钻杆本体刺漏失效。

2）用锥形泥浆滤网取代圆柱形泥浆滤网 由于钻杆滤清器上圆柱状泥浆滤网不仅造成滤网与钻杆内管壁间隙过小，还会导致钻井液高压射流对钻具内壁的大力冲击，因此，可以考虑使用锥形泥浆滤网，该装置可大大降低钻井液对钻杆内壁的冲蚀程度，进而减少钻杆本体刺漏失效事故的发生。

3）强化钻杆本体探伤检查执行力度 在钻井现场，虽然工作人员会定期对钻杆进行探伤检查，但一般只对钻杆的接头和丝扣进行检查，容易忽略对钻杆本体的探伤检查。为了消除安全隐患，应该加强对钻杆本体探伤检查的力度。

4）合理设计井身结构 由于定向造斜中形成的狗腿度导致钻杆本体产生交变应力，进而产生疲劳裂纹并造成钻杆本体刺漏，因而在设计井身结构时，应注重减少钻杆在井下的弯曲程度，由此降低交变应力，这样可以有效防止产生钻杆本体刺漏现象。

5）正确放置钻杆并加强日常养护 在钻井作业过程中，应注重正确放置钻，同时定期对钻杆进行保养和维护，这样做能减少钻杆本体刺漏现象的发生。

3 结论与建议

1）引起钻杆本体刺漏的原因主要包括钻杆被腐蚀、钻杆滤清器的影响、钻杆受交变应力作用、钻杆薄弱部分的影响和钻杆放置不合理。

2）为防止钻杆本体刺漏，应采取以下措施：在钻井液中加入适量的缓蚀剂和除氧剂、用锥形泥浆滤网取代圆柱形泥浆滤网、强化钻杆本体探伤检查执行力度、合理设计井身结构和正确放置钻杆并加强日常养护。

3）由于引起钻杆本体刺漏的原因很多，对于各个不同的井，应根据实际情况查找原因并制定相应的对策。

［1］侯立中，吴俊霞 ．腐蚀引起钻柱刺漏的机理分析及预防措施 ［J］．石油钻探技术，2006，3（5）：26-28．

［2］郭海清，马永安 ．井斜对钻具影响理论在轮古13井钻具刺漏原因分析中的应用 ［J］．钻采工艺，2003，26（12）：1-4．

［3］万里平，孟英峰，杨龙，等 ．钻柱失效原因及预防措施 ［J］．钻采工艺，2006，29（1）：57-59．

［4］张春婉，张国正，董会，等．S135钻杆本体刺穿失效分析 ［J］．石油矿场机械，2009，38（12）：65-75．