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。