钻具断落是钻井过程中经常碰到的事故[1]

钻具断落是钻井过程中经常碰到的事故。

有的情况比较简单,处理起来比较容易,往往会一次成功。

有的处理起来就比较麻烦,•因为钻具断落之后,往往伴随着卡钻事故的发生。

如果处理不慎,还会带来新的事故。

如果造成事故摞事故的局面,那就很难收拾了。

因此我们必须慎重的研究这个问题。

第一节钻具事故发生的原因
造成钻具断落事故的原因不外乎疲劳破坏、腐蚀破坏、机械破坏及事故破坏,但它们之间不是独立存在的，往往是互相关联互相促进的,但就某一具体事故来说,可能是一种或一种以上的原因造成的。

一.疲劳破坏:
这是钢材破坏的最基本最主要的形式。

金属在足够大的交变应力作用下,会在局部区域产生热能,使金属结构的聚合力降低,•形成微观裂纹,这些微裂纹又沿着晶体平面滑动发展,逐渐连通成可见的裂纹。

一般来说,裂纹的方向与应力的方向垂直,故钻具疲劳破坏的断面是圆周方向的。

形成疲劳破坏的原因有:
1.钻具在长期工作中承受拉伸、压缩、弯曲、剪切等复杂应力,•而且在某些区域还产生频繁的交变应力,如正常钻进中中和点附近的钻具、处理卡钻事故时的自由段钻具以及在弯曲井眼中运转的钻具,当这种应力达到足够的强度和足够的交变次数时,便产生疲劳破坏。

2.临界转速引起的振动破坏:钻柱旋转速度达到临界转速时,会使钻具产生振动,有纵向振动和横向摆动两种形式,同时在一定的井深这两种形式的振动还会重合在一起,这种振动会使钻具承受交变应力,促使钻具过早地疲劳。

各种钢质钻杆的临界转速及两种振动重合时的井深列于表2-1,作为参考。

表2-1 钢质钻杆的临界转速及两种振动重合时的井深
钻杆直径,mm 60.3 73.0 88.9 101.6 114.3 127.0 139.7
转盘转速,r/min 110 130 160 185 210 235 260
两种振动重合时的井深,m 701 597 488 424 366 305 299
2865 2438 2012 1707 1524 1372 1219
6400 5486 4511 3871 3414 3048 2743
9754 7925 6705 6005 5334 4846
3.钻进时的跳钻、别钻,•既使钻具产生纵向振动,又使钻具产生横向振动,对受压部分的钻具破坏极为严重,所以在砾石层中钻进,最容易发生钻铤事故。

4.钻具在弯曲的井眼中转动,•必然以自身的轴线为中心进行旋转,这部分钻杆靠井壁的一边受压力,离井壁的一边受拉力,每旋转一圈,拉、压应力交变一次,如此形成频繁的交变应力,促使钻具早期破坏。

5.天车、转盘、井口不在一条中心上,转盘本身形成了一个拐点,井口附近的钻具就好像在弯曲井眼中转动一样,产生了交变应力。

6.将弯钻杆接入钻柱中间,•弯钻杆本身和与其上下相连接的钻杆都要产生弯曲应力。

如这段钻具和狗腿井段相遇时,所产生的交变应力将是相当大的。

二.腐蚀破坏:
钻具在恶劣的环境中储存或工作,都会产生腐蚀,这是钻具提前损坏的普遍原因。

有时几种腐蚀会同时发生,但是总是以某一种腐蚀形式为主要破坏原因。

由于腐蚀使管
壁变薄,表面产生凹痕,甚至使钢材变质,降低了钢材的使用价值和使用寿命。

造成钢材腐蚀的因素有:
1.氧气的腐蚀:氧气可以说是无处不在,它存在于空气中,也存在于水中和钻井液中,钻具无论存放或使用,都要接触氧气,它是最常见的腐蚀剂。

在很低的浓度(<1ppm)下,就能产生严重的腐蚀。

如果水中含有二氧化碳或硫化氢时,其腐蚀性急剧增加。

氧的腐蚀机理可写成阳极反应Fe→Fe+2＋2e
阴极反应O2+2H2O+4e→4OH-
4Fe+6H2O+3O2→4Fe(OH)3↓
由以上反应式可以看出,•铁在阳极释放电子,生成二价铁离子,氧在阴极接受电子与水反应生成氢氧离子,以后二价铁离子被氧化成三价铁离子(即又被氧夺去一个电子)与氢氧离子反应生成氢氧化铁,从溶液中沉淀出来,这就是经常可以看到的铁锈。

氧的浓度越大,反应越快,腐蚀就越历害。

氧的腐蚀首先是坑蚀,然后由点到面发展,覆盖整个钻具表面。

2.二氧化碳的腐蚀:二氧化碳可能由地层产生,也可能由钻井液处理剂的分解而产生。

二氧化碳与水反应后形成一种弱酸即碳酸,也会在钻具表面造成蚀疤。

它的反应式如下: ••• CO2+H2O→H2CO3
如果钻井液中或水中溶有重碳酸盐,•在较低的pH值下,碳酸氢根与氢离子结合也可生成碳酸.它的反应式如下:
••••HCO3+H+→H2CO3
如果溶液的pH值较高,•没有过多的氢离子参与碳酸氢根的反应,•则不会生成碳酸,腐蚀性就会降低。

3.硫化氢的腐蚀:硫化氢主要由地层产生,但也可以由含硫有机处理剂的热分解而产生。

硫化氢溶解于水形成一种弱酸,对钻具有腐蚀作用。

但它的主要作用不在于腐蚀,而在于使钢材发生氢脆破坏。

氢原子有个特性,在有硫化物的环境中以原子形式存在,在其它的环境中以分子形式存在。

氢原子是所有原子中最小的原子,•它能渗入钢材或其它金属材料并扩散到材料内部,而且最容易集中到材料受力最大的区域,但当氢原子脱离了硫化物的环境后,•很快结合成氢分子,氢分子的体积要比氢原子大许多倍,它能破坏钢材的组织结构,降低钢材的韧性,产生各种微小的裂纹。

氢原子又继续聚积到裂纹尖端,并使裂纹发展,直至钢材不能承受外界负荷时,会突然发生断裂,这种现象称为脆化。

对氢脆的敏感性由下列因素决定:
(1) 钢材的屈服强度:屈服强度低于630MPa 的普通碳素钢一般不会发生氢脆断裂,强度越高,产生破坏的时间越短。

(2)•钢材的硬度:合金钢的硬度大于Rc22时容易遭到破坏。

(3) 硫化氢的浓度:硫化氢浓度越高,氢脆破坏的时间越短。

(4)溶液的pH值:随着pH值的降低,氢脆断裂的趋势增长,如果pH值维持在9.0以上,则氢脆破坏可显著减少。

(5) 温度:温度超过83℃,氢脆断裂的敏感性降低。

(6) 应力:外载施于钢材的应力越大,氢脆断裂的时间越短。

4.溶解盐类的腐蚀:氯化物、碳酸盐、硫酸盐都对钢材有腐蚀作用,它们的腐蚀过程都有显著地电化学作用,由于它增强了钻井液的导电性,促使其它形式的腐蚀作用增强。

溶解盐类的腐蚀有如下规律:
(1)和钻井液的pH值有关,pH值越低腐蚀作用越强。

(2)和温度有关.温度越高,分子活动能力越强,腐蚀速度加快。

(3)和溶解盐浓度有关.溶解盐浓度越大,腐蚀速度越快。

(4)•和钻井液的流速有关,流速越大,腐蚀越快。

所以钻具内壁的腐蚀要比外壁的腐蚀快。

而这一点往往是人们注意不到的。

5.各种酸类的腐蚀:•酸类的腐蚀作用是由于它降低了钻井液的pH值和损害了管材的保护膜,同时也加强了钻井液的导电性,使电化学腐蚀作用增强,并且还会产生氢原子,如果有硫化物同时存在的话,会产生氢脆作用。

溶解于钻井液中的氧气,也会显著的加强酸类的腐蚀作用。

6.电化学腐蚀:钻具在钻井液中类似于电极在电解液中,也可以产生导电反应,不同金属之间,不同的钢材化学成份之间就会产生导电现象。

如铜和钢连在一起放入水中,则铜为阴极,钢为阳极,产生电流,钢被腐蚀。

但钢与易反应的金属如铝和镁等连在一起放入水中,则钢为阴极,铝镁成为阳极,产生电流,铝镁被腐蚀,而钢得到了保护。

新钻杆与旧钻杆连接在一起,则新钻杆起阳极作用,旧钻杆起阴极作用,新钻杆先被腐蚀。

钻具的氧化皮与钢材本身之间的差异,也会产生电流,使钢本身进一步遭到腐蚀。

受应力的金属对不受应力的金属呈负电位,•也可形成电池效应。

当电流流过钢材时,会带走微量的金属分子,并沉积于电流的另一端,这样就会形成伤疤,引起应力集中或造成疲劳破坏。

三.机械破坏
1.钻具制造中形成的缺陷如:(1)轧制过程形成的夹层;(2)调制过程发生结晶组织变化;(3)公母螺纹连接螺纹的临界断面模数配比不合理,•不是母强公弱,就是公强母弱;(4)钻杆加厚过渡带几何形状设计不合理,因为这里是最容易造成应力集中的地方;(5)钻铤公螺纹未车应力减轻槽;这些先天不足,往往会导致钻具早期损坏。

2 钻具在长期使用中的腐蚀与磨损,•某些区域管壁变薄或存在微细裂纹,强度大为减弱,在外力的作用下,•钻杆最容易从最薄弱的地方被拉断或扭断。

3.处理卡钻事故时,不恰当地用大力活动,当应力超过其屈服极限时,就产生变形,把钻杆拉细拉长。

当应力超过其强度极限时,就会把钻杆拉断。

4.搬运或使用过程中造成了外伤,如卡瓦牙痕,井下落物(钻头牙齿、钳牙、卡瓦牙等)造成的横向刻痕以及撞伤、砸伤等,往往成为应力集中点,由此而向外扩展,而且各种腐蚀也容易从这里开始,造成钻具的局部损坏。

5.上扣不紧,•不按规定扭矩上扣,接头台肩靠不紧,一方面台肩失去密封作用,螺纹容易被钻井液剌坏,另一方面,由于失去台肩的支撑力,公母螺纹产生频繁地交变应力,会使螺纹疲劳折断。

6.钻进时加压过大,或发生连续别钻,或在遇阻遇卡时强扭,把钻杆母螺纹胀大、胀裂,造成钻具脱落。

7.对各种连接螺纹特别是配合接头的连接螺纹长期使用而不定期卸开检查,•以致螺纹磨损造成钻具脱落。

要知道,连接着的螺纹也经常处于变化之中,不可不查。

8.在接头或钻杆加厚部分的内径突变处,流动的钻井液形成涡流,冲蚀管壁,甚至会把管壁剌穿,降低了钻杆的抗拉抗扭强度。

9.将连接螺纹的规范搞错,把尺寸相近而又不是同一规范的公母螺纹连接在一起,因为它们咬合不紧,在运转过程中容易磨损而造成钻具脱落。

10.中途测试挤坏钻杆:为了进行地层测试,测试工具要用钻杆连接下到测试层位,在测试阀打开之前,钻杆内是空的,底部钻杆处于钻井液的静压下,如超过了钻杆的抗挤强度,就会把钻杆挤坏。

下面把各种钻杆的最小抗挤压力列于表2-2和表2-3中,以做参考。

四事故破坏
1.把不同钢级、不同壁厚、不同等级的钻杆混同使用,强度最弱的钻杆总是首先遭到破坏
的。

2.顿钻造成钻具折断,•如因顶天车、刹车失灵、井口工具失效、单吊环提钻、井口上部钻具倒扣、都有可能把钻具顿入井中,这种事故是非常恶性的事故,它有可能把钻具顿弯,有可能把钻头顿掉,也有可能把钻具顿成几截,处理起来是比较困难的。

3.事故倒扣:在处理卡钻事故中,为了套铣或侧钻,不得不将一部分钻具倒入井中。

4.过失倒扣.由于操作者的失误,在下列三种情况下有可能将钻具倒入井中:(1)在下左旋螺纹工具的过程中,用转盘正转的办法给左旋螺纹钻杆上扣,把转盘以下的左旋螺纹钻具倒入井中;(2)在钻进或划眼时,钻头遇阻遇卡,上面的钻具继续旋转,储存了很大的能量,一旦摘开转盘离合器而不加控制,整个钻柱要飞速的倒转,在惯性力的作用下,把下部钻具倒开,在这种时候,越是靠近钻头的地方,所受的反扭矩的冲击力越大,所以最容易把钻头倒掉;(3)在钻进或划眼时,钻头遇阻遇卡,上面的钻具继续旋转,储存了很大能量,一旦阻力被克服,整个钻柱要飞速正转,但转盘的转速不可能与钻柱的转速同步,反而起到了制动作用,在惯性力的作用下,把上部的钻具倒开。