科威特油田钻具失效原因分析及预防

宋张康

中石化胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司（山东东营 257000）

科威特石油储量非常丰富，占世界石油储量的十分之一。中石化国际石油工程有限公司科威特分公司（以下简称公司）自2009 年进入科威特市场以来，陆续启动了40 余部钻修井机，近年来各钻井队在施工中发生的钻具失效问题较为突出，有的甚至在同一井段连续多次发生钻具断裂落井的恶性井下事故，进行打捞和处理井下事故产生了大量的停工时间。由于公司和甲方签订的是日费制合同，所以在科威特钻井施工中一旦发生钻具失效情况，必然造成停工，严重的还会导致其他井下复杂情况的发生，给井队和公司造成巨大的经济损失。通过对科威特钻井施工中钻具失效情况统计，分析钻具失效原因，依据分析结论采取针对性的措施。

1 钻具失效统计

对近年公司在科威特钻井施工中发生的钻具失效情况进行统计，发现钻铤螺纹断裂占比最大，见表1。

2 钻具失效原因分析

2.1 地层岩性

科威特油田地层为第三系和上、下白垩系，以石灰岩、白云岩、页岩、砂岩为主，受沉积环境影响，该区块地层岩性结构复杂，并且软硬地层频繁交错[1]，夹层多，钻进中易憋跳钻，钻头工作不稳定，使钻具发生疲劳失效的几率加大。RUS 组地层岩性有砾岩、硬石膏，HARTHA 组地层岩性有白云岩和硬质灰岩，部分含有硫铁矿夹层，硬度高，对钻头和钻具产生严重伤害。由表1 可以看出，大部分钻具失效发生在406.4 mm井眼钻进时，该井眼钻遇了上述硬地层和软硬交错的夹层。

表1 钻具失效统计

2.2 弯曲强度比（BSR）

内外螺纹连接后的弯曲强度比对钻铤的疲劳失效有严重影响[2]。根据API RP 7G推荐，钻铤内外螺纹连接后在井内工作时允许的弯曲强度比范围为1.9:1～3.2:1。在硬地层或者软硬交错地层和钻铤长期使用后磨损或腐蚀较为严重时，推荐的BSR的范围是2.5:1～3.0:1。由API RP 7G给出的BSR计算公式可知，钻铤外径磨损特别是内螺纹外侧磨损会导致BSR 值变小，如果BSR 减小到2.0:1 以下时，钻铤产生内螺纹疲劳失效的可能性会大幅增加。由表1 可以看出，大部分失效的钻铤内螺纹外径的磨损情况都比较严重，这是导致大部分断裂发生在钻铤母接头的原因之一。

2.3 钻井参数与钻柱共振

2.3.1 钻井参数

钻进过程中，钻压和转速是钻头破岩的两个主要参数，从追求机械钻速的角度来看，钻压和转速越大，越有利于提高破岩效率和机械钻速。但是，从井下管柱力学的角度来看，随着钻压的增大，底部钻具组合会产生不同程度的弯曲，所受的拉力、压力、侧向力和弯曲应力等各种形式的交变载荷会随之增大，钻铤作为底部组合的主要组成部分，会承受大部分的交变载荷，发生疲劳断裂的几率更大。转速则决定了钻铤单位时间内所承受的交变载荷次数，转速越高，单位时间内承受交变载荷次数越多，越容易产生疲劳，根据井队在科威特油田施工的经验，转速达到90～110 r/min 时钻铤断裂故障明显增加。

2.3.2 钻柱共振

钻柱振动是导致钻具失效的主要因素，振动产生的高频应力波与裂纹相互作用，会降低材料韧性，加速裂纹扩展[3]，导致钻具疲劳和失效。纵向振动对钻具寿命影响很大。

牙轮钻头破岩机理是冲击压碎和滑动剪切，所以在钻进过程中能产生两种类型的纵向振动：一种是由于牙轮接触井底岩石而随着钻柱的旋转发生滚动，小位移高频率的纵向振动就此产生；另外一种是由于每个牙轮破岩后都形成波浪状的井底，后面的牙轮作用在这种断面上时就产生大位移低频率的纵向振动。第一种振动对钻柱影响较小，但是第二种大位移振动会传递到整个钻柱上，对钻具的危害较为严重[4]。

从力学角度分析，钻具螺纹连接处与本体相比，刚度较小，截面形状复杂,易出现应力集中，是钻具的薄弱部位。钻井过程中，当钻柱承受扭转力过大时，螺纹根部承受拉应力和压应力的交变应力，并产生应力集中，致使螺纹部位发生疲劳断裂。

当激励频率与钻柱固有频率接近或呈整数倍时，钻柱会发生共振[5]。表1中RA-579井和SA-590井分别发生了2 次钻具断裂，转速分别为100 r/min和110 r/min。地面能够明显感受到钻柱的剧烈振动，由此判断是正好处于钻柱共振范围，从而加剧了钻具失效。

2.4 现场使用与管理

钻具之间是依靠公扣和母扣上的2个台肩面进行密封，合理的上扣扭矩，既能保证螺纹连接的强度，也能起到压力密封的作用。如果上扣扭矩达不到最小紧扣扭矩，那么2 个接触的台肩面就无法产生足够的密封载荷。钻进过程中，螺纹连接处在井下受到各种交变应力的作用，很容易使台肩面分离，加上高压钻井液冲蚀的双重作用，很容易出现断扣故障。如果钻具紧扣时的上扣扭矩超过最大紧扣扭矩，会使2个密封台肩发生塑性变形，内螺纹接头因此而胀扣，强度降低，在井内交变载荷的作用下也很容易出现断扣故障。因此，上扣扭矩超过或者达不到推荐的扭矩范围，都会引起钻具接头和螺纹失效。

3 预防钻具失效的措施

3.1 钻具技术措施

3.1.1 严控钻具质量

对科威特钻具失效原因分析，发现大部分失效钻具是209.6 mm钻铤和241.3 mm钻铤，在探伤和抽样检测后，发现部分在用的钻铤存在着一定的质量缺陷，查出存在缺陷的钻铤，新购补充部分钻铤，新购钻铤时严格要求制造工艺技术，拟定规范的技术协议：

1）钻铤的主要尺寸公差按API SPEC7-1标准执行。钻铤的壁厚差应小于或等于公称壁厚的12%。钻铤全长直线度偏差不超过0.52 mm/m，两端2 m 内的直线度偏差最大为2 mm，接头加长254 mm。短钻铤长度为3 m，带应力槽。

2）钻铤外观结构要求：钻铤类型为螺旋型，螺旋型式为BI型。BI型钻铤的螺旋槽尺寸要求按SY/T 5144—2013《钻铤》标准执行。钻铤外表面不得有裂纹、折叠、凹坑和结疤等缺陷。

3）钻铤材料采用4145H 合金钢，化学成分中的硫、磷含量不得超过0.020%。坯料需经热轧或锻造成型，其机械性能应符合API SPEC7-1标准要求,做材质切片探伤报告，强度30～32，成品也要提供探伤报告，工件性能见表2。

表2 加工钻铤的工件性能要求

4）常温夏比冲击功要求（按照ASTM A370最新标准，试样沿管体轴线方向切取）：试样的冲击功必须满足平均值80 J，最小值70 J。

3.1.2 提高螺纹抗疲劳强度

螺纹加工按API SPEC7-2 标准执行，外螺纹加工应力分散槽，内螺纹加工背孔式应力分散槽，公母扣接头处做冷滚压工艺处理。应力分散槽对螺纹连接处的应力起到了很好的分散作用，可以避免过高的应力集中，增强螺纹的抗疲劳能力；同时也能避免螺纹长时间工作应力载荷过大而发生断裂。钻铤内、外螺纹以及台肩表面采用磷化处理，给螺纹提供保护，防止腐蚀，运输过程中和现场存放时配戴钢塑复合护丝帽。

3.2 现场技术措施

3.2.1 钻具上扣扭矩及操作规程规范

1）大尺寸钻铤使用高扭矩专用螺纹脂，上扣时首先将丝扣清洗干净，然后均匀地涂抹高扭矩螺纹脂，保证螺纹连接的密封性。

2）井队现场配备了3 种型号的吊钳，包括SDD型、DB 型和C 型，其扣合管体外径尺寸和最大扭矩分别为：101.6～431.8 mm，136 kN·m；88.9～431.8 mm，90 kN·m；60.3～273.1 mm，48 kN·m。要求不同尺寸和扣型的钻具必须使用与之相匹配的吊钳进行紧扣作业。

3）避免在操作过程中钻具的表面损伤，尤其是钻具密封面的碰伤及钻杆管体大钳咬伤，使用吊钳紧扣时不能咬合在母螺纹外部，要咬合在母螺纹下端的本体处。

4）要根据钻具的上扣扭矩上扣，上紧后要检查台肩面的结合情况，如不合缝，应卸开检查；不同规格钻具之间要使用转换接头，要及时根据钻具规格调整紧扣扭矩，禁止不同规格的钻具使用同一紧扣扭矩。如果使用双钳紧扣，注意扭矩拉到位时大钳钳柄和钳尾绳要处于90°夹角。

3.2.2 优选钻具组合和钻井参数

1）在设计钻具组合时，在钻具组合中适当加入扶正器，优先选用满眼钻具组合或者塔式钻具组合，以减轻钻铤的弯曲程度[6]。同时使用加重钻杆作为从底部钻具组合到普通钻杆的过渡区域，降低应力集中。

2）钻井参数的合理选择:转速要避免井下钻柱蹩跳钻及钻柱共振的产生。钻压要避免钻杆受压导致的钻具屈曲，发生偏磨等，防止钻柱中和点位于钻杆位置，导致位于中和点的钻杆交变应力产生疲劳破坏[7]。钻进过程中密切注意泵压变化，及时发现钻具刺漏，减小钻具断裂故障。

3）加强钻具倒换制度，改善钻具的受力情况。采取“抽上换下、抽下换上、抽中间换两头”的方式，尽量使钻具受力趋于均匀，减少钻具受力状态恶化。倒换钻铤要求：每使用100～150 h（或每趟钻）左右倒换，将最下面3柱倒至最上面。倒换钻杆要求：每使用200 h 左右倒换，将最下面5 柱倒至最上面。计算好中和点，每次起下钻必须将中和点附近的3柱加重钻杆倒换到其他位置。

3.2.3 加强井下振动检测

通过合理地改变钻压和转速调整钻柱振动的激励频率，最大限度地避免钻柱共振的发生，从而避免钻具失效。如果遇到严重跳钻，表现为井口钻具上下摆动幅度大，而扭矩变化相对较小的情况，就适当增加钻压，降低转速，减小钻柱产生的共振。如果憋钻严重，表现为井口钻具横向摆动幅度大，相对有规律地撞击井口补心，则要适当减小钻压，提高转速，减小钻柱产生的共振。参数的调整方法并不是一成不变，需要司钻根据实钻情况来调整，目的就是尽可能地减小或避免共振。

3.3 加强钻具探伤管理

针对探伤公司提供的探伤服务质量较差的情况，采取以下措施：

1）第三方探伤人员到井探伤时，由场地工长专人负责监督探伤过程，保证探伤工作做到位。

2）公司配备全数字超声波探伤仪，钻具出井后对钻具进行外观检查，特别是公扣端和母扣端，由第三方首先进行钻铤螺纹磁粉探伤发现外表面缺陷，然后现场进行超声波钻铤螺纹探伤发现中部和内表面缺陷。要确保钻具探伤的质量，不合格钻具严禁入井使用。

3）钻杆、加重钻杆、钻铤、配合接头均应打印钢印编号，钢印编号以清晰、易操作为标准。钢印打在外螺纹接头螺纹消失端光面上（公扣尾部）或斜坡处；对车有应力分散槽的接头，钢印应打在外螺纹接头表面专门刻槽内。钻铤、钻杆车制螺纹后仍在外螺纹处打钢印；钻杆切头对焊后，仍需对焊后的接头上打钢印；提升短节钢印打在不易磨损处；对目前已经打有钢印的钻具，可直接登记，进入档案。

4）打印的钻具编号（或已经存在的钢印编号）应与钻具的出厂证书及探伤报告一一对应，并记录档案，使之具有可追溯性。

5）钻铤及特殊工具（如减震器、随钻震击器、扶正器及打捞工具等）入井前应测量打捞尺寸，并画出草图；如钻具档案中已经有草图，可与钢印号对应参照。

4 结论

1）对所有的钻铤螺纹加工出应力分散槽，降低螺纹根部的应力集中程度。

2）螺纹根部经冷滚压后会形成预压应力层，从而提高螺纹根部的抗疲劳强度，预防螺纹部位的疲劳失效。

3）152.4～200.0 mm 钻铤采用的弯曲强度比为2.25:1～2.75:1，大于等于203.2 mm钻铤采用弯曲强度比2.50:1～3.20:1，降低钻铤发生疲劳破坏的几率。

4）对新购置钻铤材料的冲击韧性提出更高的要求，夏比冲击功单个值应大于75 J。

5）如果振动严重，可考虑使用减振器，同时增加钻压（增加钻铤数量），倒换钻铤使用，降低转速，减轻跳钻。

6）磁粉加超声波探伤及早发现缺陷及裂纹，及时修复损伤的钻铤，在牙轮钻头转换PDC 钻头时，进行多次中间探伤，剔除已损伤的钻具。