钻具失效事故的原因分析及对策

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钻 具 失 效 的 实 质 及 原 因 分 析 是 一 项 复 杂 的 问
3 杨自林 ,1960 年生 ,工程师 ;1981 年毕业于重庆石油校矿机专业 ,一直从事石油钻具 、工具技术管理工作 ,曾发表论文多 篇 。地址 : (401237) 重庆市长寿县云台镇 。电话 : (023) 40826115 。
第 20 卷第 3 期 天 然 气 工 业 钻井工程
钻具失效事故的原因分析及对策
杨自林 3 游华江 蹇宗承
(四川石油管理局川东钻探公司)
杨自林等. 钻具失效事故的原因分析及对策. 天然气工业 ,2000 ;20 (3) :57～59 摘 要 石油钻柱主要由方钻杆 、钻杆 、钻铤三大部分组成 ,因服役条件十分恶劣 ,使其成为钻井设备工具中 的一个薄弱环节 。特别是在深井 、超深井及复杂地质环境条件下钻井 ,钻具失效事故时有发生 ,四川川东地区仅 1996 年～1997 年间就发生了 303 次钻具井下断裂事故 ,造成了很大的经济损失 。防止和减少钻具失效 ,关键在预 防 ,为此 ,根据钻柱各部分在井内的受力特点不同将其划分为钻柱井口处 、零应力点上部 、零应力点附近 、零应力点 下部四个钻具失效段进行研究 ,查出其失效的实质及根本原因 ,提出科学可行的防范措施 ,有利于全面系统地预防 预测钻具失效 。文章从分析钻具在使用过程中的受力情况出发 ,根据钻柱各部位在井内的受力情况 ,剖析了四种 经常发生的 、带共性的钻柱失效的主要特征及根本原因 ,重点提出了比较可行的 、科学的预防这几种常发性钻具失 效事故的有效措施和看法 。 主题词 钻井 钻井工具 钻具事故 钻柱损坏 分析
基本情况分析与工作重点
影响钻井速度的因素很多 ,一般可分为两大类 : 第一类是地质条件 、岩层性质和钻井深度等不能任 意改变的客观因素 ; 第二类是钻头类型 、钻井液性 能 、钻井参数和钻井方式等可由人们选定的可调变 量 。解剖川西南地区所钻井的井身结构 ,各井段所
用钻井时间 ,所采取的钻井措施 ,不难看出 215. 9 mm 井段提高钻井速度的潜力最大 ,而钻井液密度 和钻井方式是影响这一井段钻井速度的主要因素 。
因 ,提出可行的预防措施 ,把钻具失效与钻具失效机 时 ,钻柱又承受复杂而剧烈的振动载荷 ,此时 ,越靠
理 、钻具受力特性 、钻具本身结构和钻柱组合结构特 近钻头的钻柱受力情况越复杂 ,其失效特征为 : ①失
点 、钻井井身轨迹等诸因素进行综合分析 ,依据钻具 效位置一般发生在钻铤公母螺纹消失处或台肩密封
从川西南地区已钻井分井段时效分析表 (表 1) 可以看出 215. 9 mm 井段最长 、钻井时间最长 ,也 是提高一口井钻井速度的重要井段 。因此 ,对于提 高川西南地区的钻井速度 、缩短钻井周期 ,重点应解
承受的轴向力虽然以拉应力为主 ,但在钻井遇蹩跳 或送钻过猛时 ,也会将零应力点“弹”至这部分钻柱 上 ,使其受力的复杂程度不压于“零应力点”以下的 钻铤 ,另外 ,加上这部分钻柱 (特别是钻杆) 的刚性远 低于“零应力点”以下的钻柱 ,因此它就成了整个钻 柱上最薄弱的环节 。其失效特征为 : ①钻杆本体与 加厚过度带刺穿 、断裂 ; ②密封台肩“研磨”成二次台 肩或将钻杆母扣胀成“喇叭口”; ③公母螺纹脱扣或 刺漏 、断裂 。
服极限 ; ③下放钻具不能“过猛”,特别是双吊卡起 、 用根部圆角半径较大的数字型螺纹 ,三是改善母螺
下钻作业时 ; ④钻杆吊卡台肩结构对其使用寿命有 纹消失端与内孔过度的结构形状 ,四是在公母螺纹
严重的影响 ,研究表明 ,90°钻杆台肩应力集中系数 消失处加工应力分散槽 ,五是采用钻铤螺纹冷滚压
较大 (约 2. 08) ,18°钻杆台肩应力集中系数较小 (约 强化工艺 。
预防措施 : ①针对不同的钻具类别和螺纹尺寸 , 矩必须满足公母螺纹连接后在弯力矩作用下既能够
根据有关技术标准采用不同的上扣扭矩 ,使其螺纹 防止台肩分离而失去其密封效能或脱扣 ,又不至于
连接达到最佳状态 ; ②在上提“解卡”时 ,要注意观察 公扣屈服或母扣胀大而失效 ; ⑤提高钻铤螺纹的修
指重表的读数 ,上提力绝对不能超过钻具本身的屈 复质量 。一是强行采用成形刀具加工 ,二是推广采
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小 计 107
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失效部位
钻柱井口处 (次)
零应力点附近 (次)
零应力点下部 (次)
零应力点上部 (次)
合计 (次)
钻具失效的特征及根本原因 和预防措施
4 1996 年
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小 计
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失效类型
螺纹断裂 (次)
本体断裂 (次)
螺纹刺漏 (次)
本体刺漏 合计 (次) (次)
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小 计 110
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失效位置
母 扣 (次)
公 扣 (次)
密封面 (次)
本 体 合计 (次) (次)
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3 1996 年 72
表 1 川东地区钻具失效类别 、类型 、位置统计
地质环境中打井 ,每年要发生几十次乃至上百次的
钻 杆 钻 铤 转换接头 其 它 合计
钻具失效事故 ,约占中国石油天然气总公司的 1/ 5～
序号 失效类别 (次)
(次)
(次)
(次) (次)
1/ 6 ,损失相当惊人 。这些钻具失效事故按其失效特
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应力频繁作用的同时 ,还要输送高压钻井液 ———泥 弯曲应力的同时 ,又承受着频繁的拉 、压交变应力作
浆 ,因此 ,螺纹及其台肩密封问题与失效必然存在着 用 ,所以 ,失效往往发生在此处 ,其特征主要为 : ①公
内存 联 系 。钻 具 失 效 井 深 在 501 ～ 1 500 m 的 母螺纹刺穿失效 ; ②公母螺纹断裂失效 。
由于钻柱工作条件十分恶劣和钻柱结构的内在 题 ,对四川川东地区 1996 、1997 年 303 次钻具失效
原因 ,形成了一个薄弱环节 ,其应力敏感区 、敏感点 是其频繁发生失效事故的根本所在 ,特别是在川东 地区高硬度 、多断层 、高含硫 、高压力 、大倾角的高陡
进行了统计分析 ,其结果 ,见表 1 。
或螺纹提断 ; ③下放钻具速度过快 ,吊卡在座转盘 弯曲强度比等于或接近 2. 5 为最佳 ; ③遇较硬地层
时 ,钻具吊卡台肩根部失效 ,特别是 90°吊卡台肩更 或软硬频繁交替的井段钻井时 ,在钻头与钻铤之间
为突出 ; ④错误操作井口装置导致钻具失效 。
加入减震器钻进 (最好加入双向减震器) ; ④上扣扭
本身的结构特点以及钻具在井内工作的受力特性所 环有效长度应合理匹配 ,尽量保证等长 ,以改善起下
决定的 。钻具失效类型以螺纹断裂 、刺漏和本体断 钻时钻杆吊卡台肩处的受力情况 。
裂 、刺漏为主 ,这与钻具的工况和钻具先裂后刺再失
2. 钻柱“零应力点”及其附近处
效的失效机理相稳合 。钻具失效位置以公扣 、母扣
1. 19) , 其 应 力 集 中 系 数 之 比 为 : Kf18°/ Kf90°≈ 57 % ,即 90°钻杆台肩结构疲劳寿命仅为 18°结构的
4 .“零应力点”以上部位 “零应力点”以上部位一般为靠近钻铤的钻杆柱
43 % ,为此 ,要尽量推广使用 18°斜坡钻杆 ; ⑤吊卡 部分和靠近钻杆的 1/ 2～2/ 5 钻铤部分 ,这部分钻柱
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钻井工程 天 然 气 工 业 2000 年 5 月
从表 1 可以看出 :钻具失效类别以钻杆 、钻铤 、 上 、下两工作面应保证平行 ,特别是对吊卡上平面进
转换接头为主 ,这主要是因钻柱的结构组合和钻具 行修理时 ,应严格控制其与下平面的平行度 ; ⑥双吊
钻柱拉应力最大 ,很容易因拉应力超过钻柱本身抗 作 ; ②钻铤的合理搭配 :一是根据井眼尺寸不同选择
拉极限而发生断裂失效事故 ,其失效特征主要表现 有利于安全钻井的钻铤结构 ;二是针对不同规格的
为 : ①钻具螺纹上扣扭矩太大 ,使公螺纹大端 2～3 钻铤在扣型设计上采用合理的弯曲强度比 ,使其公
扣断裂 ; ②上提钻具拉力过大 ,速度过快将钻柱本体 母螺纹强度之间有一个适当的平衡关系 ,其原则是
时 ,由于惯性的作用 ,井口处钻柱承受着较大瞬间陡 效的主要措施有 : ①根据井下钻柱的受力及工作情
增的冲击载荷 ,致使拉应力大幅度上升 ;另一方面在 况 ,随时调整对钻具使用寿命影响最为敏感的转速 、
处理复杂井下事故如“卡钻”上提钻具解卡时 ,井口 钻压 、泵压等钻井参数 ,保证钻具在最佳状态下工
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征和原因 ,以及在钻柱上的不同部位 ,可归纳为几种
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常发性和带有共性的钻具失效 。钻具失效一般由钻
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具本身质量问题或钻具使用管理不当造成 。作为钻 具本身质量问题 ,国内外有关研究机构 (如我国石油 管材研究所) 已开展了大量富有成效的研究工作 。 几年来 ,我们在如何科学使用和管理钻具方面开展 了大量的失效分析和统计分析 ,发现钻具一旦失效 就会在某一钻柱段接二连三地发生 ,而且失效类型 基本相似 ,于是根据钻柱在井内的受力特点不同将 其划分为几个常发性钻柱失效段进行研究 ,总结出 了预防和减少常发性钻具失效的有效措施 ,通过实 践 ,取得了显著的效果 。
311. 10 mm井眼和 1 501 ～3 500 m 的 215. 90
3. 钻柱“零应力点”以下部分
mm 井眼段极易发生 ,这是由于此井段较长 、井眼尺
这部分钻柱的主要作用是给钻头提供钻压 ,在
寸较大 、井身质量难以控制 、钻具负荷最重所造成 。 正常钻进过程中承受轴向压应力和交变弯曲应力作
根据以上统计分析 ,为查明钻具失效的主要原 用 ,当钻头在坚硬岩层钻进突然“遇阻卡”发生蹩跳
失效所发生在钻柱上的部位不同概括为几种常发性 面 ; ②失效形式多数为公螺纹断裂 、母螺纹刺穿或断
钻具失效事故 (见表 1 序列 3) 。
裂 、台肩刺漏等 。
1. 钻柱井口处
钻柱“零应力点”附近及其以下部位 ,一般为钻
此处承受着最大拉应力作用 。一方面起下钻 铤部分 ,受力情况有许多共同点或相似处 ,预防其失
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第 20 卷第 3 期 天 然 气 工 业 钻井工程
提高川西南地区钻井速度的有效途径
叶林祥 陈忠实 3
(四川石油管理局川西南矿区)
叶林祥等. 提高川西南地区钻井速度的有效途径. 天然气工业 ,2000 ;20 (3) :59～62 摘 要 四川地质构造复杂 ,纵向上高低压力系统交错分布 ,横向上炭酸盐岩裂缝系统展布又难以预测 ,因而 钻井液密度很难做到自上而下科学地平衡钻井 。在实际工作中往往考虑更多的是地层压力梯度异常带来的井喷 事故 ,为了避免这类事故 ,经常采用构造上已钻井出现过的最高压力梯度来设计钻井液密度 ,这种做法对多数井是 过平衡钻井 ,严重影响机械钻速 ,造成钻井速度慢 ,钻井成本高 。文章以川西南地区钻井资料分析为基础 ,找出了 影响钻井速度的因素 : 215. 9 mm 井段是影响整口井钻井速度的主要井段 ,如果在 215. 9 mm 井段提高钻井速 度 ,一口井的钻井周期就可加快 。提高川西南地区的钻井速度的两个有效技术途径 :一是平衡钻进 ,二是高密度条 件下使用螺杆钻具带巴拉斯钻头钻井 。在几个构造多口井的实践中取得了良好的技术 、经济效益 ,并提出了现场 搞好这两项工作应注意的问题 。 主题词 四川 西南 钻井 钻头 钻井液 钻井速度 分析
钻井过程中 ,由于地层较硬或软硬突然变化 ,使
刺漏 、断裂失效为主 。因为 ,一方面螺纹是整个钻柱 钻头受压极不稳定容易产生垂直冲击和横向振动负
上最薄弱的环节 ,其寿命一般难于同钻具本体相抗 荷 ,导致钻柱受拉与受压的“零应力点”在钻柱上随
衡 ;另一方面钻具有其特殊的使命 ,在承受复杂交变 时上 、下“浮动”,这部分钻柱在承受剪切应力和交变