普光高含硫气田气体钻井钻具断裂损坏机理.pdf

第 3 o卷第 2期 钻井工程 7 5 普光高含硫气 田气体钻井钻具 断裂损坏机理 黄志强 黄继亮 李 琴 宋 嘉宁 杨凤 申。 徐晓蓉。 魏 武 许期聪 1 ． 西南石油大学机 电工程学院 2 ． 中 国石油东方地球物理勘探有限责任公司 3 ． 中国石化胜利油 田分公司鲁明石油开发有限责任公司 4 ． 中国石油天然气集团公司川庆钻探 工程公 司 黄志强等． 普光 高含硫 气田气体钻 井钻具 断裂损坏机理． 天然气工 业， 2 0 1 0 ， 3 0 2 7 5 7 7 ． 摘 要 针对普光气 田气体钻井过程 中存在的钻具断裂频繁的问题， 在对现场事故统计分析的基础上， 从特 殊的钻 井介质 、 不同的破岩 方式以及钻井过程 中钻柱共振等方面定性分析 了钻具 断裂的原 因； 通过对钻具 断 口宏观 、 微观 及材 质分析 ， 找到 了钻具 断裂 失效 的规律和 主要形式 疲劳断裂 。提 出以下建议 ① 结合 气体 钻井 情况， 研 制适合 气体 钻 井工况 的专用钻具， 制定符合 气体钻井钻具 的新的 A P I 标 准； ②开展牙轮钻 井条件下 ， 钻柱纵振对 钻具疲劳 断裂 的量化 影响 ， 尤其应考虑不 同钻压下钻柱纵振对钻 具疲 劳断裂 的作 用机理研 究。 以期为预 防 气体 钻井钻 具 断裂 、 降低 钻 井成 本 、 推广应用气体钻井技术提供理论依据。 关键 词 深井 超 深井 气体钻 井 钻具 断裂 疲 劳断裂 机理 D0I l O ． 3 7 8 7 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 1 9 0 引言 气体钻井是在钻井过程中以压缩气体作为循环介 质来实 现钻进 的欠平 衡钻 井技 术 ， 最 初探 索于 2 0世 纪 5 O年代 ， 受 配 套 技术 与 装 备 的 限制 ， 该 技 术 一 度 被搁 置 ， 直到 2 0世 纪 9 O 年 代 ， 气体 钻井技术 才 真正开 始起 步 和发展 _ 1 ] 。相对 于钻 井液 钻井 ， 其 优 势在于 能 够大 幅度提高机械钻速， 减少或避免井漏、 井斜控制等 ] 。 鉴于 以上优 点 ， 近 年来 ， 气体 钻井技 术在 我 国油气 田的应用越 来越 广泛 ， 尤其在 普光 气 田的应用 ， 取 得 了 显著成 效 见 表 1 ， 已成 为加 快 该气 田勘 探 开 发 的 核 心钻井 技术 ， 应用前 景 良好 。 但是 ， 在气体钻井现场应用 中， 钻具断裂频繁 ， 严 重地 影 响了气体 钻 井优 势 的充 分发 挥 ， 成 为 制 约该 技 术推 广应 用 的瓶 颈 。为此 ， 对 普 光 气 田气 体 钻 井过 程 中断 钻具 情况进 行 了统 计 分 析 ， 对 其 断裂 损 坏 机理 进 行 了研 究 ， 以期 为预 防气体 钻井 钻具 断裂 、 降低钻 井成 本 、 推广应用气体钻井技术提供参考。 1 气体钻 井钻具断裂统计分析 截 至 2 0 0 8年 8月 2 5日， 普 光 区块 实施 气 体 钻 井 共 计 4 0口井 ， 其 中 2 6口井 占总井 数 的 6 5 发 生 钻 具断裂 钻杆 、 加重钻杆、 钻铤、 空气锤钻头 5 3起 见 表 2 ， 平 均 每 口井 发 生 断 钻具 2 次 ； 其 中 ， P 3 0 5 2 井 发 表 1 气体钻井与钻井液钻井在普光气田的应用对比情况表 表 2普光气田气体钻 井钻 具断裂统计表 起 钻井方式 常规钻井液钻井 常规空气钻井 空气冲旋钻井 钻具 断裂牙轮钻头钻井空气锤钻井 P D C钻 头钻井 合计 基金项 目l 中国石化应用 基础研究项 目“ 气体钻井钻具损坏规 律及 工艺参数 优化研究 ” 编号 p O 7 0 4 3 。 作者简介 黄志强， 1 9 6 8年生 ， 教授 ， 博 士 ； 1 9 9 o年毕业于原西南石油学院机械专业 ； 从事石油天 然气钻采装备 和冲旋钻井装 备 及 工艺 和设备表面工程的研究工作 。地址 6 1 0 5 0 0 四川 省成都 市新 都区西 南石油 大学设 备处 。电话 0 2 8 8 3 0 3 2 1 4 8 。E ma i l h u a n g z q s wp u ． e d u ． c n 天然气工业 2 O 1 O年 2月 发生 了断钻具 6 次 ， 钻具 断裂落 井 ， 处理 不成 功导致 填 井侧 钻 4起 。钻具频 繁 断裂不仅 大大 降低 了气体钻井 的提 速效果 ， 而且 给井下安 全带来 了隐患口 ] 。 统 计 分 析 发 现 ， 普 光 气 体 钻 井 钻 具 断 裂 有 以 下 规律 1 牙轮钻头钻进 比空气锤 钻头 钻进 钻具 断裂失 效 概率高。截至 2 0 0 8年 8 月 2 5日， 普光气田气体钻井总 进尺为1 1 0 5 2 4 ． 4 8 m， 空气锤累计进尺为5 9 9 4 7 ． 4 8 m， 占气体钻井总进尺的 5 4 ． 2 ， 空气锤钻进过程中发生 钻具 断 裂失 效 1 3井 次 ， 钻具 断 裂发 生 频率 1次／ 4 6 1 1 ． 3 m。而牙轮钻 头 累计 进 尺 4 8 5 7 7 ． 8 2 m， 期 问 发生 钻 具 断 裂 失 效 3 9起 ， 钻 具 断裂 发 生 频 率 1次／ 1 2 4 5 ． 6 m。可见 牙轮 钻 头钻 进 钻 具 断裂 频 率 远 高 于 空气锤 钻进 。 2 钻杆断 裂失 效特 点 钻 杆 断落 位 置 主要 集 中在 钻杆管 体与加 厚部 分 的过 渡带 区域 ， 断 口距 公 扣 端平 均距离 为 0 ． 5 2 I T I ， 距 母 扣 端 0 ． 6 8 m， 为 应 力 集 中 区 ； 且断 口平齐 ， 呈现为疲 劳 断裂特 征 。 3 钻铤断裂失效特点 钻铤断落位置主要集 中在 钻铤母 扣处 ， 存在应 力集 中 ； 断裂 钻铤 多为大 尺寸钻铤 5 2 『 2 0 3 ． 2 mm、 2 2 8 ． 6 mm ， 而小 尺 寸钻铤 1 7 7 ． 8 mm 基 本没 有 发 生 断 裂 事故 ； 断 口规 则 ， 有 明 显 疲 劳 断 口特征 。 4 钻具 断裂多发生在侏罗系沙溪庙组 和千佛 崖组 。 2 气体钻 井钻具断裂机理分析 2 ． 1钻具 断 口分 析 2 ． 1 ． 1 断 1 2宏观 分析 图 1 、 图 2为钻 杆 、 钻铤 断 口宏 观形 貌 ， 分析 得 出 ① 断 口没有 明显 的塑性 变形 ， 断 口光 滑发亮 ， 为裂 纹扩 展反 复开合 摩擦 的结 果 ； ② 断 面基 本 分 为 两部 分 ， 即 平坦 光滑 区和粗 糙 区 ， 平坦光 滑 为裂纹源 区和扩 展 区 ， 在此 区域 内可 观 察 到贝壳 线 纹 络 ， 为 明显 疲劳 断 口特 锯 图 1钻杆断口形貌 图 图 2钻铤断 口形 貌图 征 ； ③粗糙 区所 占面积 较小 ， 说 明钻具断 裂时承受 的应 力 相对较 小 。 2 ． 1 ． 2断 口微 观分析 在裂 纹源 区取样 ， 用 醋 酸纤 维 酯 对 裂纹 源 表 面清 洗后， 用扫描电子显微镜观察断 口微观形貌 见图 3 ， 断 口裂 源 区表 现 出明显 的 贝壳 纹 络 线 ， 为疲 劳 断 口特 征 。对 钻具断 口宏 观微 观 分析 ， 确 定 钻 具断 口为疲 劳 断 口特 征 ， 钻具 断裂 属于疲 劳断 裂 。 a 放大 3 O 倍 b 放大 5 0 0倍 图 3断 口微 观 形 貌 图 2 ． 2钻具 材质 分析 2 ． 2 ． 1 化 学成 分分析 在断 口附近 取样 ， 对 断裂 钻杆 、 钻铤化学 成分进行 分 析 ， 分 析结果 表 3 表 明 ， 化 学成 分符 合相 关企 业 标 准 的要求 及 A P I 规 定 。 2 ． 2 ． 2 力 学性 能测试 在断裂钻杆 、 钻铤上分别取全尺寸纵 向圆棒拉伸 试样和纵 向“ V” 型缺 口冲击试样进行力学性能试验， 试 验结 果符合 AP I 标准 ， 试 验数 据见表 4 。 综 上所述 ， 钻杆 、 钻 铤 化学 成 分 、 力学 性 能均 符 合 生产要求及 AP I 标准 ， 可排除 由于材料质量问题导致 钻 具疲 劳断裂 的可能性 。因此 ， 可 判断钻 杆 、 钻铤 的疲 劳断裂主要与工况条件及使用情况相关。下面结合钻 井情况及钻具使用情况分析钻具疲劳断裂原因。 第 3 O卷 第 2期 钻井工程 表 3化学成分分析 结果表 2 ． 3钻具 疲劳 断裂原 因分 析 2 ． 3 ． 1 特 殊 的循 环介 质 气 体钻 井过程 中 ， 气 体 的可压 缩性 比较大 ， 悬持 润 滑作用 减小 ， 钻具 与井 壁 的 干摩 擦 带来 较 大 的摩 阻 波 动 ， 摩擦 力增 大 ， 使 钻 柱更 易 产 生 反转 运 动 ， 由于 离 心 力 的作 用 ， 导致 钻柱 强烈 的横 向振动 ， 产生 高频 交变 弯 曲应力 ， 造成钻 柱早 期弯 曲疲劳 破坏 。气体 钻井 时 ， 环 空 中气 体 的上 返速 度一 般为 1 5 ～4 0 m／ s ， 才 能有 效地 使 钻屑悬 浮并携 带 出井眼 。携带 着大 量且形 状不 规则 的钻屑 的循环气 体 以如 此 高 的速 度 向上 运动 ， 犹 如 喷 砂 切割一 样 ， 对 钻柱 产生 冲击 、 碰 撞 ， 特 别 是 在钻 柱 环 空 间隙 突变处 ， 钻 柱 磨 损 更 加 严 重 ， 造 成 钻 具 表 面 破 坏 ， 产 生应 力 集 中区 ， 导 致 钻 柱 局 部 承 受 高 的交 变 应 力 ， 加 剧钻具 的疲 劳破坏 。 2 ． 3 ． 2破 岩 方 式 空 气锤钻 进 时 ， 在 冲 击 和旋 转 联 合作 用 下 实 现破 岩 ， 以冲击动 载荷 为主 、 旋 转剪切 为辅 。由于其特 殊 的 破 岩方 式 ， 活塞 的能 量 以应 力 波 的形 式 大 部 分通 过 钻 头传递 到岩石 ， 进行破 岩 ， 只有少 部分 能量 以应力 波 的 形 式沿钻 头 向上 反射 ， 对钻柱 振 动影 响不大 。 而牙 轮钻头 以 冲击 、 压 碎及 滑 动 剪 切 的方 式 破 碎 岩石 。破碎 过程 引起 两 种频 率 的 纵 向振 动 一 种 是 因 钻头轮齿滚动而产生的高频纵振， 另一种是 因波状井 底引起 的低频 纵 振 。现场 反 复 实 测证 明 ， 前 者 对 钻 头 破碎 岩石是有 利 的 ， 对钻 具 的疲 劳破 坏影 响不 大 ； 而后 者引起 的振动 则 以应力 波 的形 式沿 钻 柱 向上传 递 ， 造 成钻柱的疲劳破坏 ； 再加上牙轮钻进时采用钻压高 ， 钻 柱在高 压力 作 用 下 的振 动 进 一 步 加 剧 钻 柱 的 疲 劳 断 裂 。这 可能是 牙轮钻 进 比空气锤 钻进 钻具 断裂频 率高 的原 因之 一 。川东北 某井 3 1 6 ． 5 mm 第 2次开 钻 空 气 钻井 中 ， 对 沙溪庙 组 6 1 5 ． O 0 ～1 2 5 9 ． 8 0 m 井段 实施 了 空气钻井 随钻监测 ， 在某 监 测 日 1 4 。 O ～ 1 6 0 0时 间 段 内 ， 共监 测 到两次 气体浓 度异 常变 化情 况 图 2 。 2 ． 3 ． 3钻 柱 振 动 钻柱振 动是 由于 钻柱 与井 眼 的接 触 以及钻 头与地 层 的相互作 用 而引起 的 。可 分 为纵 振 、 横 振 和 扭转 振 动 ， 钻 进过 程 中 3种振 动往 往是耦 合在 一起 的 ， 振 动产 生 的高频交 变应 力与裂 纹相 互作 用 ， 降低材料 韧性 ， 加 速 裂纹 扩展 速率 ， 导致 裂纹尖 端疲 劳强 度降低 ， 造成 钻 柱 的疲 劳断裂 。尤 其 当激振 源激 振频 率 与钻 柱 固有频 率相 当时 ， 钻柱将产生共 振现象 。钻柱共振 不仅 降低 了 能量传递 的效率 ， 更严重 的是导致钻 柱 内的交变应 力和 振 幅大 幅上升 ， 加剧钻柱疲 劳断裂 。 普光 1 2井 发生 多次钻 柱 断裂事 件 ， 正是 因为所用 转盘 转速 为 7 5 r ／ rai n ， 正好 处 于钻柱 的共振 转速 带 内 ， 引起 钻柱共 振 ， 加 剧 了钻柱 的疲 劳断 裂 ， 在地 面也 感觉 到钻柱 的 大幅度振 动 。 2 ． 3 ． 4 钻 具 的使 用 管理 目前 ， 普 光气 体钻 井 大 都 采用 原 来 的 钻井 液 钻 井 所 用 的钻 具 ， 虽 然其 材 质 分析 符 合 AP I 标 准 ， 但 在 钻 井 过程 中 ， 钻具 断裂 仍 频 繁 发 生 ， 可 见 ， 钻井 液 钻 井 的 钻具 未必 适合 气体钻 井 的情况 ； 而且 ． 针对 钻井 液钻具 的 AP I 标准也未必符合气体钻井钻具 。另外 ， 由于 目 前钻 具探 伤方式 效 率低 或 探 伤 不方 便 ， 不 能 保 证入 井 钻具 的质量 ， 使钻 具 可能带 伤工 作 ， 这 些都 可能 导致钻 具发 生早期 疲劳 断裂 。 3结论与建议 1 普 光 气 田气 体 钻 井 钻 具 断 裂 严 下 转 第8 4 页 8 4 天然气工业 2 0 1 0年 2 月 流体形态 ， 并在数据采集系统上同步显示其视频 。 3 ． 2 系统功能 1 采 用 VC语 言进 行 编程 ， 工 业 串 口参 数 设 置界 面， 保证数据传输有效性和正确率 。 2 数 据实 时记 录和保存 ， 曲线 实时动 态显示 。 3 可以进行报警阈值参数设置。系统具有超限报 警 功能 ， O 、 C O、 C O 、 H S 、 C H 和 排砂 管线 取 样 口压 力测量范围的阈值可以根据研究成果进行合理设定。 4 认识与建议 1 在川东北地区， 非储层段陆相地层如上三叠统 须 家河组 、 中侏 罗统千 佛崖组 等地层 为含 气层段 ， 气体 钻进 过程 中遇到地 层 出气 ， 均 有发生燃 爆 的可能性 ， 一 旦发 生燃爆 ， 造成 的损失 很大 。 2 研制设计 的灭 火 阀 ， 强度 符合 现场 实际要 求 ， 在 正常气体钻进时作为单流阀， 当井下发生可燃性气体爆 炸 时 ， 可有效 阻断氧气的供应 ， 控制燃爆 的进一 步扩 大。 3 空气钻井防燃爆监测系统的开发 ， 能够实时监 测到 返 出气 体组分 的变化 和捕 捉 到井 下 燃爆 现 象 ， 操 作方 便 、 界 面友好 。 4 } l ff 强对地 层 的认 识 ， 实 时监 测 ， 采 取有 效 手段 ， 保证空气钻井的安全、 实现快速钻进 。 参考文 献 E 1 ]赵业荣 ， 孟英峰． 气体钻井理论与实践[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ]李铁成 ， 刘东 峰， 胡 建均 ， 等． 川 I 东北 地 区空气钻 井燃爆 分 析与预防[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 5 7 8 8 1 ． 1- 3 ]李永杰． 空气雾化钻井井下燃爆分 析[ D - I ． 重庆 重庆大学 ， 20 0 2． 1- 4 3 WI L L I AM C L YO NS ，B O YU N GU 0，F R AN K A S E I D E L ． 空气和气体钻井手册 [ M] ． 曾义金 ， 樊洪海 ， 译． j E 京 中国石化出版社 ， 2 0 0 6 ． E s ]张林 ， 余代银． 空气钻 井井 下燃爆 事例 分析 [ J ] ． 天然气 工 业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 5 5 3 5 4 ． E 6 ]冯靓 ， 陈一健． 空气钻井井 下燃爆监 测系统[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 7， 3 5 5 3 5 - 3 7 ． E T ]朱礼平 ， 王希勇． 空气钻井随钻监测技术及其应用[ J ] ． 天然 气工业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 1 6 4 6 6 ． 收稿 日期2 0 0 9 1 0 1 7 编辑钟水清 I- 接第 7 7页 重 ， 以钻 杆 、 钻 铤断裂 为 主 ， 且钻杆 断落 位置集中在钻杆管体与加厚部分的过渡带区域 ， 钻铤 断落位置主要集 中在钻铤母扣处 。 2 钻具断 口规则 ， 有明显贝壳纹络线 ， 为典型疲劳 断 口特征 ， 主要原因在于其工况条件及使用情况 。 3 气 体钻 井特 殊 的循 环介 质 、 破 岩 方式 以及 钻进 过 程 中钻 柱 的共振是 导致钻 具频 繁断裂 的主要 原 因之 一 ，另外 ， 目前 还没有 针 对 气体 钻 井 的专 用 钻 具 ， 且钻 具缺乏探伤， 不能保证入井钻具的质量 ， 这也是导致钻 具 发生早 期疲 劳断裂 的原 因 。 4 研制适合气体钻井工况 的专用钻具 ， 制定符合 气体钻井钻具的新的 AP I 标准。 5 开展牙 轮钻 井条 件 下 ， 钻 柱 纵振 对 钻具 疲 劳 断 裂 的量化影 响 ， 尤其 应 考 虑不 同钻 压下 钻 柱纵 振 对 钻 具疲劳断裂的作用机理研究。 6 分析研 究空 气锤 钻 井 条件 ， 空气 锤 钻头 断 裂 的 原因， 推广应用空气锤钻井技术 。 参考文 献 [ 1 ]E AS TMAN CHR I S T E NS E N S L ． D e v e l o p me n t o f a i r d r i l l i n g mo t o r h o l d s p r o mi s e f o r s p e c i a l i z e d d i r e c t i o n a l d r i l l i n g a p p l i c a t i o n s r C] ． S PE An n u a l Te c h n i c a l Co n f e r e n c e a n d EX - i h i b i f i o n，6 - 9 Oc t o be r 19 91， Da l l a s，Tex a s ． r 2 ]NEGRA0 A F，LAGE A C V M ，C UNHUA J C．An 0 一 v e r v i e w o f a i r ／ g a s ／ f o a m d r i l l i n g i n B r a z i l [ J ] ． S P E D r i l l i n g Co mp l e t i o n，1 9 9 9， 1 4 2 1 0 9 1 1 4 ． I- 3 ]张金 成 ， 位华 ， 于文红． 空 气钻 井技 术 在普 光气 田的应用 [ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 6 ， 2 8 6 8 - 1 0 ． [ 4 ]罗整， 徐忠祥 ， 李 晓慧 ， 等． 空气锤 钻井 技术 在气体 钻井 中 的应用 r J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 7 ， 3 0 6 9 - 1 1 ． [ 5 ]孙 继明 ， 侯树刚 ， 李铁成． 空气 钻井技术 在普光 D - 1井 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