事故与复杂(第二章)解析

第二章钻具断落事故

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园周方向的。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、扭切等复杂应力,•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。

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