張建設(shè)

(天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心,天津300301)

鄂爾多斯氣田鉆鋌斷裂原因分析及防斷技術(shù)應(yīng)用

張建設(shè)

(天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心,天津300301)

基于鄂爾多斯氣田地質(zhì)特點,分析了鉆鋌失效的誘因?？偨Y(jié)了減震器現(xiàn)場應(yīng)用效果,研究出一套成熟的鉆鋌防斷配套技術(shù)。通過優(yōu)化鉆具組合設(shè)計、調(diào)整鉆井參數(shù)匹配、改進(jìn)鉆井操作方法等,鉆鋌防斷技術(shù)在D1—4—37等井的推廣應(yīng)用,取得了好的防斷效果。

地質(zhì)特點;減震器;鉆具組合;鉆井參數(shù);鉆鋌失效;效果評價

1 引言

鄂爾多斯盆地北部氣田位于毛烏素沙漠東部、陜西省榆林市北部,該氣田自開始開發(fā)以來,由于受復(fù)雜地質(zhì)因素影響,鉆具早期斷裂失效事故頻繁發(fā)生,給鉆井施工和鉆具使用造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。由于嚴(yán)酷的地質(zhì)條件,早期鉆井施工普遍存在機(jī)械鉆速低,鉆井周期長,鉆具早期失效事故頻繁發(fā)生現(xiàn)象。這些因素增加了鉆井施工風(fēng)險和成本,影響了氣田的勘探開發(fā),并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此研究鄂北氣田快速鉆井配套技術(shù)、鉆具早期失效的預(yù)防方法,加強鄰井調(diào)研和區(qū)域地質(zhì)分析,制定鉆頭選型方案,加強鉆具使用管理,優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)組合設(shè)計和鉆井參數(shù)設(shè)計,提高鉆井速度和綜合經(jīng)濟(jì)效益,具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 區(qū)域地質(zhì)特點

典型井(D1—1—94)具體地質(zhì)分層見下表1。鄂爾多斯盆地氣田主要的沉積地層多為砂巖、砂礫巖、砂泥巖構(gòu)成,富含石英、菱鐵礦等高硬度高研磨性礦物成分,且膠結(jié)疏松,粒度大,一般粒徑2mm～15mm,最大可達(dá)30mm以上。特殊的地質(zhì)條件造成鉆井施工過程中蹩跳鉆嚴(yán)重,機(jī)械鉆速慢,鉆具受力環(huán)境復(fù)雜,特別是鉆具縱向、橫向振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力,是導(dǎo)致鉆具疲勞,先期刺、斷鉆具的最主要原因,嚴(yán)重影響了鉆井速度和生產(chǎn)時效。另一方面,由于特殊的地層巖性,地層研磨性強,井眼相對穩(wěn)定,對鉆桿和鉆鋌的磨損特別嚴(yán)重,新噴焊的鉆桿耐磨帶壽命3口井左右。

表1 典型井(D1—1—94)具體地質(zhì)分層

3 鉆具失效原因及規(guī)律分析

3.1 地質(zhì)因素

鄂爾多斯盆地地層古老,主要的沉積地層多為砂巖、砂礫巖、砂泥巖,富含石英、菱鐵礦等高硬度高研磨性礦物成分。膠結(jié)疏松的砂礫巖、砂泥巖、石英、菱鐵礦等高硬度高研磨性礦物成分,粒度大而不均,導(dǎo)致鉆井過程中蹩跳鉆嚴(yán)重,鉆具扭矩不均,接頭絲扣扭矩過大,造成螺紋過扭,同時共振引發(fā)的交變應(yīng)力引起疲勞裂紋,特別是在公母螺紋扣根1～3扣范圍,是發(fā)生疲勞裂紋的主要部位。隨時間的延長,受力條件的惡化,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鉆具刺斷發(fā)生,地質(zhì)因素是導(dǎo)致鉆具失效的最主要因素。

3.2 工程因素

工程因素進(jìn)一步加劇了鉆具的失效,主要表現(xiàn)為:

(1)鉆具組合設(shè)計因素

鉆具組合設(shè)計不合理,滿眼性差;失穩(wěn)導(dǎo)致鉆鋌的彎曲,扶正設(shè)計不夠合理。不同鉆鋌剛度差異未能合理過渡匹配,都會造成鉆具失效。

(2)鉆井參數(shù)與鉆具結(jié)構(gòu)不匹配

鉆壓和轉(zhuǎn)速的匹配不合理,未能避開鉆具的共振點。鉆壓是導(dǎo)致彎曲的主要因素,轉(zhuǎn)速是產(chǎn)生共振與交變應(yīng)力的主要因素。鉆柱的彎曲、縱橫向振動,產(chǎn)生交變載荷,致使螺紋部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,先期疲勞破壞。

(3)操作因素

鉆進(jìn)過程中送鉆不均、鉆壓不穩(wěn)、頓鉆、溜鉆均會帶來鉆具失效隱患。對鉆具產(chǎn)生的蹩跳鉆共振未及時調(diào)整鉆井參數(shù),控制鉆具共振發(fā)生。

(4)鉆井液腐蝕

鉆井液p H值7～8,對鉆桿的腐蝕影響較大。H2S、硫化物應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致鉆具刺斷。鉆桿沒有進(jìn)行內(nèi)涂層處理,抗防腐能力差,鉆桿長期受鉆井液沖蝕,在鉆桿內(nèi)外壁上形成大小不等的蝕坑或腐蝕應(yīng)力裂紋,特別在過渡帶部位腐蝕更加明顯。所以過渡帶刺穿和周向開裂是主要的失效形式。

(5)水力沖蝕

鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)的過渡圓角半徑小,導(dǎo)致鉆井液流動時在鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)產(chǎn)生漩流,鉆井液對鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)產(chǎn)生沖蝕作用,加快了鉆桿的失效,影響了鉆桿使用壽命。

(6)彎曲應(yīng)力集中

由于鉆鋌螺紋連接部位的強度遠(yuǎn)小于鉆鋌管體本身的強度。鉆進(jìn)時施加給鉆頭的鉆壓不是一個固定值,它受地層、操作者操作水平、設(shè)備、施工環(huán)境等因素的影響,鉆鋌的彎曲程度、彎曲位置也是頻繁變化的,隨著鉆壓的增大鉆鋌的彎曲程度也隨之增大,彎曲應(yīng)力增大。從螺紋的結(jié)構(gòu)看,鉆鋌螺紋根部1～3扣范圍彎曲應(yīng)力最大,導(dǎo)致鉆鋌在扣根部位經(jīng)常發(fā)生斷裂。

(7)鉆具螺紋失效

螺紋不干凈,絲扣表面粘附砂子或密封脂不干凈,含有砂粒;密封脂涂抹不均勻;最終導(dǎo)致粘扣、磨傷臺肩面,密封失效,刺扣。3.3 斷裂失效規(guī)律分析

失效位置分布規(guī)律圖見下圖1,失效斷口形狀見下圖2。從鉆鋌的失效位置可以看出分布的規(guī)律性,主要集中在鉆頭以上第3號、6號、9號、12號鉆鋌,經(jīng)過理論分析,這些點是鉆柱1次、2次3次彎曲臨界點,是與失效結(jié)果相吻合的。失效斷面位置均為公螺紋或母螺紋的螺紋根部1～3扣范圍,斷口形狀平齊,失效形式為應(yīng)力集中斷裂。

圖1 鉆鋌失效規(guī)律分布圖

4 鉆具防刺斷的配套技術(shù)和主要措施

4.1 加強鉆具螺紋保護(hù)

為防止螺紋粘扣及臺肩面損傷,現(xiàn)場將公母扣擦干凈,不涂扣油備用?？梢杂米乩K或鋼絲刷清洗干凈螺紋,然后包上塑料布防砂塵污染。鉆進(jìn)接單根時,用氣管線吹干凈螺紋表面的沙粒,再涂均勻密封脂,按標(biāo)準(zhǔn)扭矩緊扣。推廣使用鉆具螺紋密封膜,減少鉆具螺紋的損傷。密封存放鉆具螺紋密封脂,保持干凈,防止沙塵污染,特別在鉆臺上搞好防風(fēng)沙污染密封脂保護(hù)。加強鉆具螺紋的外觀檢查與探傷,對清洗干凈的螺紋要認(rèn)真檢查,特別是對公扣、母扣扣根1～3扣進(jìn)行重點檢查,發(fā)現(xiàn)損傷或裂紋;螺紋粘扣、粘臺肩及時檢出,并標(biāo)注存在問題。對鉆鋌及時探傷,對探出有問題的鉆鋌進(jìn)行切頭修扣,避免螺紋有裂紋的鉆具再次入井。一般每口井探傷2次,牙輪鉆頭打完,改用PDC鉆頭前探傷一次,完鉆探傷一次。鉆鋌失效頻繁特殊情況下,增加探傷次數(shù)。

4.2 合理設(shè)計鉆具組合

4.2.1 Φ215.9mm井眼

177.8 mm鉆鋌使用應(yīng)配158.75mm鉆鋌過渡連接,推薦組合結(jié)構(gòu):

①Φ215.9mmbit+177.8mm DC×(1或2柱)+158.75mm DC×(6或5柱)+ 127mm Dp;

②Φ215.9mmbit+177.8mm DC×(6或7柱)+127mm Dp;

③Φ215.9mmbit+158.75mmDC×(7或8柱)+127mmDp。

鉆井參數(shù):鉆壓小于180k N,轉(zhuǎn)速65rpm,排量28～30l/s,泵壓10～15MPa。

圖2 鉆鋌失效斷口形狀照

4.2.2 Φ241.3mm井眼

203.2 mm鉆鋌與177.8mm鉆鋌組合,推薦組合結(jié)構(gòu):

①Φ241.3mmbit+203.2mmDC×(1柱)+177.8mmDC×(6柱)+127mmDp;

②Φ241.3mmbit+177.8mm DC×(7或8柱)+127mm Dp。

鉆井參數(shù):鉆壓小于200k N,轉(zhuǎn)速65rpm,排量32～34l/s,泵壓10～15MPa。

考慮鄂爾多斯地質(zhì)特點,127mm加重鉆桿停止使用。

4.2.3 組合使用鉆鋌與扶正器

一般原則每柱加一只扶正器,控制在3只以內(nèi)。推薦扶正器位置:牙輪鉆頭鉆進(jìn)扶正器可接在第3#、9#、12#鉆鋌上,PDC鉆頭鉆進(jìn)扶正器可接在第3#、6#、9#鉆鋌上。

4.3 優(yōu)選鉆井參數(shù)。

Φ215.9mm牙輪鉆頭采用高鉆壓(小于180k N)、低轉(zhuǎn)速(65rpm左右);Φ241.3mm牙輪鉆頭采用高鉆壓(小于200k N)、低轉(zhuǎn)速(65rpm左右);Φ215.9mmPDC鉆頭采用小鉆壓(小于100k N)一般60～80 k N、高轉(zhuǎn)速(100rpm左右)。Φ241.3mmPDC鉆頭采用小鉆壓(小于100k N)一般80 k N～100 k N、高轉(zhuǎn)速(100rpm左右)。PDC鉆頭、牙輪鉆頭推薦使用大功率低速螺桿結(jié)合轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆井技術(shù)。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速40 rpm左右,螺桿轉(zhuǎn)速110 rpm左右,鉆壓180k N以內(nèi),排量30L/s左右,泵壓10MPa左右。推廣使用PDC鉆頭是緩解鄂北氣田鉆具失效的有效預(yù)防措施。由于PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中鉆壓只相當(dāng)于牙輪鉆頭的三分之一,大大降低了鉆鋌的彎曲應(yīng)力,提高了鉆鋌的使用壽命。

4.4 加強鉆具的使用管理

每打完一只牙輪鉆頭及時倒鉆鋌下井次序;每口井倒換鉆具位置不少于2次。改進(jìn)操作模式,送鉆均勻,操作平穩(wěn),發(fā)現(xiàn)跳鉆、蹩鉆及時停轉(zhuǎn)盤,提放鉆具,改變鉆壓和轉(zhuǎn)速參數(shù),消除蹩跳鉆共振影響。泵壓下降,一般1MPa左右,立即起鉆檢查。對接頭磨損嚴(yán)重的鉆具及時敷焊耐磨帶。鉆鋌螺紋加工后,必須進(jìn)行磷化處理,臺肩加工后應(yīng)進(jìn)行冷滾壓消除加工應(yīng)力。新鉆具必須進(jìn)行內(nèi)涂層處理,防止鉆具被腐蝕,以延長鉆具的使用壽命。調(diào)整鉆井液p H值。要求p H值應(yīng)控制在9～11范圍,添加緩蝕劑延緩鉆具的腐蝕速度。

4.5 應(yīng)用鉆具防斷工具

在鄂爾多斯地區(qū)廣泛進(jìn)行了減震器等防斷工具和配套技術(shù)推廣試驗工作,通過強化措施推廣綜合配套技術(shù),使用防斷工具后,很少出現(xiàn)鉆具斷裂和刺穿等失效現(xiàn)象。共在6個鉆井隊進(jìn)行了三輪共13口井現(xiàn)場試驗,取得了較好的鉆具防斷效果,斷鉆鋌得到了有效控制,螺紋傷害明顯降低。

5 取得的效果

防斷措施推廣前后效果對比見表2。從井隊的使用情況看,工具發(fā)揮了較理想的防斷效果,在防斷工具入井使用期間,未發(fā)生鉆具刺斷現(xiàn)象,起鉆探傷鉆鋌未發(fā)現(xiàn)問題。同時由于個別井部分井段未使用防斷工具,如D1—1—91井在1 602.05～2 296.4m井段未下防斷工具,導(dǎo)致加重鉆桿母接頭耐磨帶處斷裂,位置距端面390mm處。部分井隊鉆進(jìn)參數(shù)沒有很好的執(zhí)行防鉆具失效優(yōu)化措施,鉆壓和轉(zhuǎn)速都較大,導(dǎo)致部分鉆具又出現(xiàn)了一些鉆具失效現(xiàn)象。

表2 部分井隊試驗推廣防斷技術(shù)取得效果對比表(6個井隊試驗)

鉆具防斷技術(shù)在D1—4—37等井推廣與應(yīng)用,提高了鉆井速度,減少了鉆具失效的發(fā)生。推廣應(yīng)用86口井,鉆井速度提高25%左右,單井鉆井周期節(jié)約5～8天。新型防斷工具推廣應(yīng)用6個隊13口井,防斷效果明顯,在防斷工具入井期間未發(fā)生鉆具失效事故,鉆具的損傷得到了控制。該項目具有廣闊的推廣應(yīng)用前景,具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)減少鉆具失效和鉆具落井事故發(fā)生。年減少鉆具刺斷打撈40井次左右,節(jié)約打撈費用約120萬元;每年可以少刺斷鉆桿約150根,減少鉆桿損失約145萬元。

(2)鉆具修理次數(shù)明顯減少。每年可以少修2 000根左右,節(jié)約鉆具修理費用20余萬元。

(3)延長了鉆鋌的使用壽命,減少了鉆鋌的刺斷報廢數(shù)量。每年可以少報廢鉆鋌約10根,減少損失40萬元。

(4)鉆井速度提高25%,單井平均鉆井周期節(jié)約5天,日費按3萬元計算,單井創(chuàng)效益15萬元,年按60口井測算,可創(chuàng)效900萬元。

以上四項總計:1 225萬元。

防斷工具年投入約90萬元,投入產(chǎn)出比1∶13.6。

6 結(jié)論

(1)導(dǎo)致鉆具先期失效的因素是多方面的。鄂爾多斯盆地地質(zhì)條件復(fù)雜,地層石英含量高,研磨性非常強,可鉆性差異大,是導(dǎo)致鉆具失效的最主要誘因。

(2)推廣應(yīng)用減震器、扶正器等,是鄂爾多斯地區(qū)鉆具防刺斷的有效工具,取得了好的鉆具防斷效果。

(3)加強管理,通過優(yōu)化井底鉆具組合設(shè)計,優(yōu)化鉆井參數(shù),規(guī)范操作,可有效減少鉆鋌的彎曲應(yīng)力裂紋和斷裂發(fā)生。

[1] 李鶴林,等.石油鉆柱失效分析與預(yù)防[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999,12:29—33.

[2] 畢雪亮,王長江,閻鐵,等.深井鉆具失效分析與預(yù)防[J].鉆采工藝,2005,28(6):28—30.

[3] 羅偉,張迎進(jìn).鄂爾多斯盆地鉆具失效分析[J].石油地質(zhì)與工程,2007,21(4):66—67.

[4] 房舟,朱化蜀,任茂,等.大邑構(gòu)造淺部井段鉆具失效分析及預(yù)防[J].石油鉆采工藝,2011, 33(1):110—111.

[5] 星學(xué)平,邊靖生,王澤發(fā).鉆具失效分析及預(yù)防措施探討[J].石油和化工設(shè)備,2014, (17):68.

Break Failure Analysis on Drilling Collar in Ordos Basin Gas Field and Application of Break Prevention Technique

ZHANG Jian-she

(Technology Center of Tianjin Pipe(Group)Corporation,Tianjin 300301,China)

According to geological condition in Ordos basin gas field,the causes of drilling collor failure were analyzed.By summarizing application of bumpers at the scene,One series of mature technical precautions in drilling collor break prevention were researched.To optimize drill assembly designing,adjust drilling parameters,improve drilling operation methods,etc.Good results have been achieved through the use of break prevention on D1—4—37,etc.

geological condition;bumpers;drill assembly;drilling parameter;drill collar failure; result valuation

1001—5108(2016)03—0096—05

TE921

A

張建設(shè),高級工程師,主要從事石油管材應(yīng)用技術(shù)研究與服務(wù)工作。