王建寧，周英操，韋海濤，張志剛

1 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 2 中國(guó)石化國(guó)際石油勘探開發(fā)有限公司3 中國(guó)石油工程技術(shù)研究院有限公司

0 引言

俄羅斯薩哈林島東北大陸架上V區(qū)塊，地處亞極地海域，年鉆井時(shí)間窗口狹窄，對(duì)探井時(shí)效要求較高［1-2］。作為一口區(qū)域重點(diǎn)探井，EV-1井設(shè)計(jì)井深3 680 m，底部目的層為下達(dá)吉組，使用自升式平臺(tái)Nordic執(zhí)行鉆探任務(wù)。但在實(shí)際鉆探過程中，在中達(dá)吉組等井段共發(fā)生鉆桿刺漏損壞事故8起，損失生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間6.39 d，最終在3 252.5 m井深處提前完鉆。前期鉆井周期的延長(zhǎng)給后續(xù)完井測(cè)試帶來了時(shí)間窗口上的威脅。目前業(yè)內(nèi)對(duì)于鉆具損壞的研究主要集中于鉆具共振加劇損壞、已有缺陷條件下鉆具使用壽命的預(yù)測(cè)和鉆具損壞應(yīng)力判斷等方面［3-4］，但對(duì)于縱向跳鉆條件下的鉆具刺漏損壞位置的預(yù)測(cè)判斷機(jī)理研究較少。為此通過建立跳鉆條件下的鉆具受力模型，推導(dǎo)出了鉆具刺漏損壞位置預(yù)測(cè)公式，很好地解釋了EV-1井鉆具多次刺漏的原因，為指導(dǎo)后續(xù)鉆探任務(wù)的順利實(shí)施具有重要的意義與實(shí)用價(jià)值。

1 EV-1井鉆具刺漏損壞情況

EV-1井設(shè)計(jì)井深為3 680 m，直井井眼軌道計(jì)劃穿越珀姆爾組、上紐托瓦組、下紐托瓦組、奧克貝凱組、上達(dá)吉組、中達(dá)吉組和下達(dá)吉組。地層縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，礫石夾層和泥質(zhì)硬夾層比較發(fā)育，跳鉆現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。該井使用?127 mm鉆桿，在鉆探過程中的兩個(gè)井段，共發(fā)生鉆桿刺漏損壞事故8次，并造成一只?215.9 mm PDC鉆頭損壞。該井最終在3 252.5 m處提前完鉆。本井雖然完成了中達(dá)吉組主要儲(chǔ)層的勘探任務(wù)，但未達(dá)到兼探下達(dá)吉組的目的。在一口井中鉆桿多次刺漏，其原因值得認(rèn)真分析。鉆桿刺漏情況請(qǐng)見表1。

表1 EV-1井鉆桿刺漏損壞情況

從表1 中可以看出，鉆桿刺漏均發(fā)生在鉆桿本體上并伴有不同程度的跳鉆現(xiàn)象。鉆桿刺漏損壞位置距離鉆頭在980 ～ 2 400 m之間，平均1 321 m，且主要集中在距鉆頭1 000 m左右的鉆桿段，如圖1所示。這表明本井鉆具刺漏損壞的位置同到鉆頭的距離有密切的關(guān)系。

圖1 鉆桿刺漏位置

鉆具的刺漏損壞通常以化學(xué)腐蝕、物理磨損和疲勞損壞［5-6］三種原因?yàn)橹?。其中，以疲勞損壞為最主要的損壞方式。其主要發(fā)生在鉆具接頭及附近位置，如螺紋段、截面變化段等處［7-8］。疲勞損壞主要原因是交變應(yīng)力過于頻繁，鉆柱不斷遭受壓縮和拉伸作用致使在表面淺層損傷或金屬本體瑕疵處造成局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生微小裂紋，繼而裂紋不斷向前推進(jìn)并最終導(dǎo)致鉆具徹底刺漏損壞［9-10］。而本井鉆桿刺漏位置雖然都在鉆桿本體上，但距離鉆桿接頭均在0.45 m以內(nèi)，屬于典型的橫截面突變段，且刺漏損壞紋理呈現(xiàn)橫向展布，如圖2所示，是典型的疲勞損壞形態(tài)。

圖2 鉆具刺漏損壞形態(tài)

2 跳鉆時(shí)鉆桿受力機(jī)理分析

對(duì)于三牙輪鉆頭來講，三脊式波狀井底是縱向跳鉆的動(dòng)力來源［11］。同理，不妨建立一個(gè)簡(jiǎn)單模型，即假設(shè)PDC鉆頭的縱向跳躍也是由于井底底面上的異常凸起造成的，異常凸起的高度H可以用式（1）表示。

式中：H—井底異常凸起高度，m；h—PDC刀翼或牙輪出露高度，m；b—跳鉆系數(shù)（嚴(yán)重跳鉆時(shí)取1，中度跳鉆時(shí)取0.5，輕度跳鉆時(shí)取0.2）。

那么三牙輪鉆頭和PDC鉆頭在井底跳躍的速度就可以統(tǒng)一考慮為正弦函數(shù)，并可以寫為式（2）。

式中：V—鉆頭跳動(dòng)速度，m/s；N—牙輪數(shù)或PDC刀翼數(shù)；S—轉(zhuǎn)速，r/min；t—時(shí)間，s。

那么，鉆頭跳躍時(shí)的加速度a就可以寫為式（3）。

這樣就可以得到近鉆頭段鉆具（主要為鉆鋌）在跳鉆時(shí)的受力情況，見式（4）。

式中：F—跳鉆時(shí)近鉆頭段鉆具的受力，N；m—鉆鋌段質(zhì)量，kg。

在跳鉆時(shí)，如果鉆頭向上的加速度比較大，則向上跳鉆的力量不僅能夠中和鉆鋌的浮重而且還會(huì)中和鉆鋌上部的加重鉆桿和普通鉆桿的一部分浮重，致使鉆具受拉壓應(yīng)力零點(diǎn)上移，從而造成上部鉆桿的疲勞損壞最終造成刺漏損壞事故。雖然此假設(shè)建立在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，但能夠在一定程度上解釋上部鉆具損壞的問題。由此可推導(dǎo)出當(dāng)井下鉆具損壞薄弱點(diǎn)即受拉壓應(yīng)力零點(diǎn)位于鉆桿上時(shí)，受拉壓應(yīng)力零點(diǎn)到鉆頭的距離L，見式（5）。

式中:G1—鉆鋌段在鉆井液中的浮重，N；G2—加重鉆桿段在鉆井液中的浮重，N；ρm—鉆井液密度，g/cm3；ρ—鉆桿平均線重，N/m。

3 EV-1井鉆具受力情況分析

在EV-1井中共發(fā)生鉆桿刺漏事故8次，刺漏處均產(chǎn)生有或長(zhǎng)或短的橫向裂紋。這屬于典型的疲勞失效。且刺漏部位又集中在鉆桿接頭附近，這就要考慮應(yīng)力集中對(duì)于鉆桿失效的影響程度。從圖 2 可以看出，鉆桿的刺漏點(diǎn)位于鉆桿壁厚的突變部位。該處鉆桿壁厚9.19 mm，且處于錐度為1:6的接頭末端。此處存在一定的應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)。且執(zhí)行本次鉆探任務(wù)的Nordic自升式鉆井平臺(tái)之前剛剛完成了6口水平井的鉆完井作業(yè)，在水平井中鉆桿的持續(xù)彎曲旋轉(zhuǎn)會(huì)使得鉆桿承受拉-壓交變載荷的影響，而這種影響在壁厚突變處的應(yīng)力集中部位作用更大，非常容易使得鉆桿在接頭附近造成疲勞失效。莫斯科金屬研究所對(duì)于?127 mm API優(yōu)質(zhì)鉆桿的計(jì)算結(jié)果表明，在3°/30 m曲率條件下，鉆桿接頭根部的應(yīng)力集中系數(shù)為2.21。但該自升式平臺(tái)使用本套鉆桿在前6口水平井中并未發(fā)生任何鉆桿刺漏事件，表明造成本井鉆桿頻繁刺漏的原因除了應(yīng)力集中外應(yīng)該還有其他原因。

本井連續(xù)8次鉆桿刺漏并伴隨不同程度的跳鉆現(xiàn)象，這一點(diǎn)值得深究。其中7次鉆桿刺漏發(fā)生在?215.9 mm井段，那么就以刺漏最嚴(yán)重的?215.9 mm井段為例結(jié)合上文模型進(jìn)行跳鉆受力分析。

在?215.9 mm井段鉆進(jìn)時(shí)，下部鉆具組合使用了5刀翼PDC鉆頭、線密度135.6 kg/m的?165 mm鉆鋌228 m、線密度75 kg/m的?127 mm加重鉆桿133 m和線密度29 kg/m的?127 mm API優(yōu)質(zhì)鉆桿。該?127 mm鉆桿為S-135鋼級(jí)、NC50扣型。加重鉆桿之下鉆具浮重為160 kN。鉆進(jìn)時(shí)作業(yè)參數(shù)為：鉆壓60 ～ 70 kN，轉(zhuǎn)速90 ～ 100 r/min，扭矩24 ～ 26 kN·m，泵壓13.2 ～ 13.8 MPa，鉆井液密度1.2 g/cm3。

根據(jù)上文井下鉆具的受力模型可知，本井在?215.9 mm井段鉆進(jìn)時(shí)，由于井底存在PDC鉆頭形成的波狀凸起從而造成鉆具在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生縱向的振動(dòng)。在鉆頭刀翼高度取0.04 m；跳鉆系數(shù)取0.2時(shí)，根據(jù)式（1）可知下部鉆具的跳動(dòng)幅度為0.008 m，因?yàn)镻DC鉆頭的每個(gè)刀翼在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間內(nèi)都會(huì)劃過一個(gè)凸起，那么下部鉆具就會(huì)在一定轉(zhuǎn)速條件下產(chǎn)生正弦函數(shù)式的周期性跳躍。根據(jù)式（2）就可以得到下部鉆具最大跳躍速度為0.56 m/s。繼而根據(jù)式（3）可得下部鉆具跳躍時(shí)最大加速度為17.77 m/s2。再根據(jù)式（4）就可計(jì)算出下部鉆具所受的最大力為549.25 kN，方向向上。最后，再結(jié)合鉆具浮重，根據(jù)式（5）就可以計(jì)算得到在跳鉆條件下，井下鉆具的損壞薄弱點(diǎn)即受拉壓應(yīng)力零點(diǎn)到鉆頭的距離為1 210.9 m。

經(jīng)模型計(jì)算得到的EV-1井鉆具受拉壓應(yīng)力零點(diǎn)距鉆頭1 210.9 m的結(jié)果與本井刺漏位置平均距離鉆頭1 321 m的實(shí)際情況有很高的匹配性。表明造成本井鉆具頻繁刺漏的主要原因可歸結(jié)為以下兩點(diǎn):①本平臺(tái)的鉆桿在前期連續(xù)鉆探多口水平井時(shí)，因?yàn)殂@桿長(zhǎng)時(shí)間在彎曲狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)，鉆桿上同一質(zhì)點(diǎn)要頻繁遭受拉—壓交變應(yīng)力作用受力非常復(fù)雜，很可能產(chǎn)生了早期疲勞現(xiàn)象，特別是在容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的鉆桿接頭的根部位置，這給后期鉆桿的徹底疲勞損壞埋下了伏筆。復(fù)雜的受力情況會(huì)降低鉆具的工作壽命［12-14］，且應(yīng)力越大鉆桿及接頭的工作壽命越短［15-16］；②在EV-1井鉆探過程中地層堅(jiān)硬且夾雜有礫石夾層，鉆具跳鉆非常頻繁，造成鉆具上拉壓應(yīng)力零點(diǎn)大幅度上移到普通鉆桿段，加重了此段鉆桿的疲勞進(jìn)程，最終造成了在該段鉆桿的薄弱點(diǎn)即接頭根部附近位置徹底損壞刺漏。而且由于鉆進(jìn)參數(shù)相同、跳鉆程度類似，所以多起刺漏的刺漏點(diǎn)距離鉆頭大致都在一個(gè)相近范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論和建議

（1）井底跳鉆現(xiàn)象可以使鉆具受拉壓應(yīng)力零點(diǎn)脫離強(qiáng)度較大的鉆鋌段而上移到鉆桿位置，造成鉆桿疲勞損壞導(dǎo)致鉆具刺漏損壞事故。所做的鉆具受力機(jī)理分析符合實(shí)際情況，解釋了EV-1井為何會(huì)在距離鉆頭特定位置處多次發(fā)生鉆桿刺漏損壞事故。

（2）通過對(duì)V區(qū)塊東部首口海上探井EV-1井鉆遇地層跳鉆造成鉆具損壞的分析研究，建議此后在該區(qū)塊鉆探時(shí)須配備鉆具減振器并增加加重鉆桿的使用長(zhǎng)度，以防止跳鉆時(shí)鉆具疲勞損壞。

（3）對(duì)于使用的移動(dòng)鉆井平臺(tái)和鉆具應(yīng)提前做好檢測(cè)，特別是針對(duì)前期經(jīng)歷過復(fù)雜井和大斜度井鉆井作業(yè)的鉆具，確保鉆具的完整性?？紤]到工程復(fù)雜性和不確定性，在本海域探井鉆探過程中宜使用大尺寸鉆桿以確保鉆具的強(qiáng)度，盡量避免使用?127 mm及以下尺寸的鉆桿。