空气钻井钻具失效与预防.doc

空气钻井钻具失效及预防李玉民 李 飞 李忠民（中原石油勘探局钻井管具工程处）摘 要：空气钻井技术在普光气田成功应用基本解决了钻井速度慢、工期长等问题。但钻具的失效情况比泥浆钻井高出很多，平均每口井钻铤有伤达30-45根/次，有伤需切头修扣，造成钻铤使用寿命大大降低，平均每口井钻具的修复率40%。针对普光气田开发中应用空气钻井技术造成钻具损坏的主要形式有磨损、疲劳破坏、过载拉断和腐蚀并分析其原因，制定了预防措施。关键词：空气钻井 钻具失效 预防作 者: 李玉民,1989年毕业于西南石油学院,高级工程师。 一、概述近年来的钻探实践表明，空气钻井技术在普光气田成功应用基本解决了钻井速度慢、工期长等问题。普光气田通过钻井实践，经过多次科学论证，认为陆相地层从上沙溪庙到自流井地层压力系数低，井壁稳定情况相对较好，地层出水可能性小，基本不含硫化氢，地层含天然气较少，适宜于空气钻井。截止2006年底，普光气田已完成D-1井、普光2-2井、普光4-2井等10口空气钻井施工。一开应用空气冲击钻进技术，5-6天即可用1只钻头顺利钻完，平均机械钻速达到7.7m/h，是泥浆钻井的2.6倍，钻井周期缩短10-20天。二开钻进，选用空气冲击钻进技术，钻进到3100m左右井段（须家河组以上），约16天，较泥浆钻井缩短钻井周期60-90天，平均机械钻速达到12.7m/h，是泥浆钻井的8倍。但随之而来的问题是钻具的失效情况比泥浆钻井高出很多。平均每口井钻铤有伤达30-45根/次，有伤需切头修扣，造成钻铤使用寿命大大降低。平均每口井钻具的修复率40%。二、钻具损坏情况空气钻井造成的钻具损坏情况见表1、表2。表1 普光空气钻井钻具事故统计序号井号井眼mm钻进井段m进尺m机械钻速m/h钻进时间d钻具事故1P2-2444.5314.131.5-601601-2907569.523068.512.6519断钻具1次,脱扣1次2P4-2444.5314.132-602602-303257024307.2125113P5-2444.5314.140.5-561.5701-229152115907.2125114PD-3314.1701-298012.912125PB-2314.1500-315611.921216PD-1314.1564-30028.52020断钻具2次7PA-2314.1649-30364.53535断钻具3次8P6-3314.1703-33506.42424断钻具1次9P10314.1880-30037.9202010P101314.1638-35544.85858多起钻具损伤表2 部分空气钻井断钻具事故描述井别断钻具事故描述PD-11大钩载荷和立压突然下降，判断钻具断裂，起钻检查。起出钻杆178根，钻铤5根，起钻后发现从下向上数8钻铤第一根母扣根部断裂。2大钩载荷和立压突然下降，判断为钻具断裂，起钻检查。起出钻杆227根，第228根钻杆（9.63m）母扣往下3.85m处断裂，断口平直。PA-21转盘扭矩11.4-12.2KN.m，悬重由1150KN880KN，指重表钻压值由40KN300KN，立压、转盘扭矩无明显变化，综合录井仪显示大钩负载由914KN710KN，立压、转盘扭矩无明显变化，停钻，上部钻具起出发现入井6加重钻杆从距母扣端面0.11m处沿丝扣断裂，断口规则。用超声波对钻铤及加重钻杆探伤，四根加重钻杆有伤。2悬重由1290KN1000KN，立压、转盘扭矩无明显变化。起钻完，起钻后发现入井的127加重钻杆第四根公扣端60cm加厚处断。3悬重由1360KN1060KN，起钻检查发现127加重钻杆第六根本体中间处断掉。P6-3扭距突然由440下降到300，总悬重下降10t，由88t下降到78t。钻具起出后发现入井第5根9钻铤距母扣14cm处断裂。P2-1钻进至井深503.4米，上提钻具，下放划眼，清洗井下沉沙，放入到井底后第二次上提钻具，准备接单根，距井底约13米处，接在方钻杆下的单根从距母接头7.97米本体处突然断裂，造成钻具落井。落井为39号钻杆，G105，一级钻杆，本体拉长约300mm，断裂处钻杆本体外径122mm，裂口呈撕裂锯齿状，断面壁厚7mm（原壁厚是9.19mm），断口处参差不齐，拉长缩径非常明显。此次顿弯加重钻杆7根，钻杆12根。三、 钻具损坏原因分析 在空气钻井中钻具损坏的主要形式是磨损、断裂和腐蚀。空气钻井对钻具的磨损比常规钻具的磨损要大。钻具断裂多为疲劳裂纹的扩展引起的疲劳断裂；其次是拉伸过载。因此钻具比较薄弱的环节为钻铤螺纹、加重钻杆螺纹及耐磨带敷焊处、钻杆过渡带及管体。在雾化和泡沫钻井中钻具腐蚀比常规钻井严重。1、钻具磨损空气钻井钻具遭受高速岩屑对钻具冲击的“喷砂”作用，加速了钻具的磨损。研究表明，空气钻井所产生的岩屑，粗粒和细粒的直径分别是0.911mm和0.228mm，大小和喷砂工艺所用的磨料尺寸相当。普光地区地层坚硬，研磨性强，岩屑也有较强的硬度。岩屑在钻铤外环空中的平均返速约为9m/s，在环空出口增加到38m/s。地层岩屑的高速冲击，对钻杆的冲蚀作用很强，这在诸如钻杆吊卡台阶处可以看到非常明显的冲蚀。其次，空气钻井钻具与井壁之间的磨擦是干磨擦，井壁和岩屑加速了钻具的磨损。如普光D-1井空气钻完后对钻具进行检难，该井大部分钻杆壁厚有原来的9.19mm降到了8.16mm以下,接头尺寸有原来的165mm降到了162mm。普光4-2井使用S1355内涂层全新钻杆，空气钻井进尺2000M，钻杆外径磨损1.2mm。普光三井使用的5-1/2G105钻杆，完井时钻杆接头由新接头的184.5mm磨损到平均外径为165mm。2、钻具振动及疲劳在钻井过程中钻柱在井眼中会产生纵向振动和扭转振动。空气钻井中钻具在井眼中没有泥浆的阻滞会造成振动比常规钻井严重，钻柱旋转与井壁的磨擦与碰撞也比较大，易造成钻的疲劳破坏。其次随钻垂直导向设备强制纠斜造成钻具本体受损，由于该垂直导向工具特定的短间距多扶正器钻具组合以及其控制井斜方式，决定了钻进过程中扭矩很大且不稳定，导致钻具过早过度疲劳，导致刺、断钻具事故发生。普光D-1井空气钻井施工过程中发生两次断钻具事故。第一次是钻铤断裂，第二次是钻杆断裂。2006年元月25日上井探伤，9钻铤6根其中4根母扣有伤，8钻铤6根有伤。2月6日上井探伤，9钻铤6根其中2根母扣有伤，需切掉有伤部分重新车扣，大大降低了钻铤的使用寿命。3、井下事故造空气钻井中出现井下事故也是造成钻具损坏的原因之一。当空气钻井无法完全携带出碎屑断块，沉沙过多，容易造成钻具上提遇卡，下放遇阻，拉断钻具。如普光2-1井2006年3月25日下午14点30分钻进至井深503.4米，上提钻具，下放划眼，清洗井下沉沙，方入到井底后第二次上提钻具，准备接单根，距井底约13米处，接在方钻杆下的单根从距母接头7.97米本体处突然断裂，造成钻具落井。落井为39号钻杆，G105，一级钻杆，本体拉长约300mm，断裂处钻杆本体外径122mm，裂口呈撕裂锯齿状，断面壁厚7mm（原壁厚是9.19mm），断口处参差不齐，拉长缩径非常明显。钻进时钻压0.5-4t，转速1020r/min，气压500psi，排气量4960立方英尺/分。从自动录仪上看，断裂瞬间产生的拉力约为180t。使用卡瓦打捞筒一次打捞成功。此次顿弯加重钻杆7 根，钻杆12根。4、井眼轨迹与钻井参数通过对普光空气钻井钻具损坏的调查发现，钻具的损坏多发生在井斜比较大的区域。如PA-2井，第一次断钻具的井斜接近全井段的最大值3.5o；P6-3井，断钻具前3天井斜较大，为2.7o，当天井斜为2.2o。其次钻井钻压及转盘速以及使用的钻头对钻具的损坏有直接影响。小钻压、低转速、专用空气锤钻头可以降底钻具的失效机率。部分钻具失效情况统计见表3。表3 部分钻具失效情况统计断钻具井及次数井深m地层钻头型号钻压KN井斜转速rpm断裂情况D-111865.35上沙溪庙HJT517GK1401.27658钻铤母扣根部断裂22348.54千佛崖ST537GK1201.99127钻杆母扣下3.85m处断裂，断口平直A-212348.4千佛崖HJT537GK403.5656加重钻杆距母扣断面0.11m处沿丝扣断裂，断口规则22617.14千佛崖1601.6127加重钻杆公扣端60cm加厚处断掉32827.83千佛崖1601.7127加重钻杆本体中间断掉6-32023.61下沙溪庙HJT537GK1202.2609钻铤距母扣14cm处2-1503.4空气锤钻头5-4010-205钻杆本体断裂4-2一开32-602m遂宁、上沙溪庙444.5mm空气锤钻头10-200.4220-30钻具未断二开602-3032m上、下沙溪庙、千佛崖314mm空气锤钻头10-20120-30普光4-2井使用了空气锤钻头，并配合使用了随钻减震器，整个钻进过程钻速高、井斜小，未发生钻具断裂事故。普光2-1井虽然也使用了空气锤钻头，但承担施工工作的威德福亚太有限公司为增强空气锤的高频振动作用而不允许使用减震器，对钻具造成损害，降低了钻具强度，导致拉断钻具事故的发生。其它三口井均未使用空气锤钻头。5、化学腐蚀。化学腐蚀的主要介质是空压机注入的空气，其次是地层的盐水和硫化氢。空气中含有21%的氧气和约1%的二氧化碳，由腐蚀机理可知空气对钻具产生腐蚀，必须有地层水的存在。氧、二氧化碳和盐水腐蚀钻具的主要形式坑点腐蚀和失重腐蚀，这种腐蚀易引起钻具疲劳、穿孔、断裂，导致钻具寿命缩短和井下钻具事故的发生。空气钻井中，地层砂子磨损钻具使氧化膜被磨掉。由于钻具直接与空气中的氧及多种腐蚀性的化学剂接触（雾化钻井），腐蚀作用比泥浆更为严重；在空气钻井时，如果钻进酸性地层（含CO2和H2S），则腐蚀问题就会非常突出。四、 预防措施 国内外空气钻井造成钻具损坏的深层次的机理分析目前尚未开展，根据以上的分析，预防钻具的损坏应从以下几个方面着手。1、合理使用钻具。一是钻具的新度系数要较高，二尽量采用较低钢级的18o吊卡台肩的钻杆。三是将钻铤公扣加工成LET高强度扣型，以减小钻铤根部应力。2、使用新型减震工具，如空气减震器和空气震击器或采用恒压减震接头将钻铤和钻杆的纵向震动隔开。3、尽量使用空气锤进行钻进作业。统计数据表明，使用空气锤比使用其它钻头造成的钻具损坏机率和数量少。4、进行雾化钻井时，应定配制高pH值且添加了缓蚀剂的稳定泡沫液进行空气泡沫钻井。实践证明此法有效地抑制了钻具的腐蚀。5、加强钻具的现场探伤工作。钻铤主要探螺纹，加重钻杆除探螺纹外还要对接头及扶正带部位耐磨带的探伤，钻杆要对过渡带和管体全长进行定期探伤。钻杆的失效的主要形式为疲劳和腐蚀疲劳破坏，钻具探伤是及时发现钻具已存在的疲劳裂纹，防止有伤钻具继续下井使用造成井下钻具事故。6、加强钻具耐磨带的喷焊工作，优选耐磨带焊粉，优化焊接工艺，提高钻具的耐磨性。五、结论1、空气钻井钻具失效的主