代 鋒，曠正超，徐冰青，王德坤，鄧廣東，陳 晗，顏 海，王躍江

1中國(guó)石油西南油氣田分公司四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司 2中國(guó)石油川慶鉆探蘇里格項(xiàng)目經(jīng)理部工程技術(shù)部 3中國(guó)石油西南油氣田分公司工程技術(shù)處 4中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 5中國(guó)石油川慶石油鉆采科技有限公司 6中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

近年來，川慶氣體鉆井技術(shù)已在國(guó)內(nèi)川渝、新疆、青海等地區(qū)累計(jì)應(yīng)用超過660口井，累計(jì)進(jìn)尺超過70×104m，占國(guó)內(nèi)氣體鉆井比例80%以上[1-2]。但是，在氣體鉆井技術(shù)大面積推廣應(yīng)用的同時(shí)，鉆具失效問題也逐漸被重視起來，在提質(zhì)增效的大背景下，已影響到氣體鉆井的進(jìn)度和推廣應(yīng)用效果。

2015年，王學(xué)鵬[3]對(duì)鉆桿斷裂的一般規(guī)律與主要影響因素、鉆柱疲勞破壞機(jī)理、鉆鋌的疲勞斷裂進(jìn)行了分析研究，得到構(gòu)成了鉆桿疲勞斷裂的主要因素，并對(duì)修井用小尺寸鉆桿使用的疲勞壽命預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)了一套計(jì)算軟件。2017年，肖京[4]針對(duì)聲波鉆鉆柱疲勞損傷的問題，通過對(duì)聲波鉆行波與駐波振動(dòng)階段鉆柱內(nèi)應(yīng)力分析，基于疲勞累積損傷法則，建立了鉆柱疲勞損傷計(jì)算公式；聲波鉆柱內(nèi)的疲勞損傷區(qū)段在靠近鉆頭處不超過駐波起振長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，聲波鉆鉆柱疲勞損傷計(jì)算方法也為受對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力作用的鉆柱疲勞壽命估算提供了理論參考。2021年，王英杰[5]借助有限元分析軟件建立了鉆桿三維模型，對(duì)比多組計(jì)算結(jié)果以驗(yàn)證計(jì)算模型的精確性。編制應(yīng)力分析及鉆井參數(shù)優(yōu)化軟件，分析了鉆桿在不同轉(zhuǎn)速、鉆壓、鉆井液密度、排量下的疲勞安全系數(shù)及應(yīng)力變化，分析了在超深井設(shè)計(jì)中加入疲勞強(qiáng)度分析的必要性。2013年，遲立賓[6]建立了考慮鉆柱內(nèi)外鉆井液影響的水平井水平段鉆柱橫向振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，分析了考慮水平井鉆柱偏心、彎曲的影響和鉆井液與鉆柱耦合作用的鉆柱橫向振動(dòng)規(guī)律。2009年，王新虎等[7]對(duì)鋼級(jí)鉆桿的材料進(jìn)行了腐蝕疲勞壽命試驗(yàn)、拉伸性能試驗(yàn)及成分分析,得出成分偏析及夾雜物導(dǎo)致材料的陽極溶解,特別是氫致開裂速度加快是腐蝕疲勞壽命減少的主要原因。2016年，潘杰[8]設(shè)計(jì)可以模擬多沖工況的鉆桿材料多沖斷裂疲勞測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)裝置，分析了低載多沖作用下鉆桿材料的損傷機(jī)制和破斷所需能量的計(jì)算方法，從斷裂力學(xué)的角度分析了多沖試樣的起裂和破斷過程機(jī)理，并針對(duì)腐蝕環(huán)境，研究了不同腐蝕環(huán)境下鉆桿材料多沖抗力的變化。這些研究較多地認(rèn)為是疲勞損傷，震動(dòng)應(yīng)力峰值、化學(xué)腐蝕及接頭力學(xué)結(jié)構(gòu)也有人涉足。

但是目前對(duì)于氣體鉆井的鉆柱失效分析與對(duì)策的相關(guān)研究還較少，因此有必要對(duì)氣體鉆井過程中鉆桿的失效規(guī)律與原因開展研究，并提出有效的防控對(duì)策。

1 鉆具失效規(guī)律統(tǒng)計(jì)

在統(tǒng)計(jì)中的76井次斷鉆具故障中，斷鉆鋌31次、斷鉆桿26次、鉆鋌之間轉(zhuǎn)換短節(jié)5次、空氣錘及釬頭11次、隨震2次、扶正器1次，如圖1所示。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，鉆具斷裂位置主要集中在鉆鋌和鉆桿，占到了鉆具失效總次數(shù)的75%，使用牙輪和空氣錘發(fā)生鉆具失效的比例分別為73.33%和26.67%。從鉆鋌斷裂的31次統(tǒng)計(jì)分析，其母扣端斷裂26次，占鉆鋌斷裂總數(shù)的83.87%，鉆鋌斷裂位置主要集中在鉆柱中和點(diǎn)附近的距母扣端面0～14 cm范圍內(nèi)，見表1。

圖1 氣體鉆井過程中鉆具失效次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

表1 鉆鋌母扣端斷裂位置與次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2 鉆具失效原因分析

2.1 鉆具失效分類

鉆進(jìn)過程中井筒鉆柱往往承受較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)載荷并且鉆桿上有一些薄弱點(diǎn)，其應(yīng)力集中遠(yuǎn)高于鉆桿的其他部分。在鉆井行業(yè)，這些點(diǎn)被稱為疲勞裂紋萌生點(diǎn)，即鉆柱處于動(dòng)態(tài)和周期性振動(dòng)載荷下，這些誘發(fā)的組合應(yīng)力導(dǎo)致在應(yīng)力集中點(diǎn)產(chǎn)生疲勞裂紋。隨著載荷的繼續(xù)作用，這些裂紋在垂直于鉆桿軸線的徑向和圓周方向上擴(kuò)展。同時(shí)，高壓鉆井液滲透到裂縫壁中，通過增加腐蝕和侵蝕過程，加速裂縫的發(fā)展。如果裂縫能夠穿過壁厚并到達(dá)另一個(gè)表面(內(nèi)部或外部)，它可以形成一個(gè)稱為沖刷的開口，進(jìn)而引起鉆具失效。

在氣體鉆井中，鉆柱振動(dòng)的破壞作用更加明顯。與鉆井液鉆井相比，氣體鉆井中的振動(dòng)和波動(dòng)應(yīng)力更大。同時(shí)，在氣體鉆井中，鉆桿腐蝕非常嚴(yán)重，對(duì)鉆具接頭的腐蝕更加嚴(yán)重，鉆桿的偏心率對(duì)其局部峰值侵蝕率有直接影響。因此，本文主要從鉆具疲勞、振動(dòng)和腐蝕破壞方面來開展氣體鉆井鉆柱失效研究和分析。

2.2 鉆具疲勞損壞分析

2.2.1 鉆具疲勞失效形式分析

在鉆井液鉆井中，鉆具失效常常表現(xiàn)為鉆具刺漏，因?yàn)殂@井液鉆井立壓一般為10～30 MPa，一旦鉆具刺漏，立壓會(huì)明顯下降，很容易被發(fā)現(xiàn)和預(yù)防[9]。而在氣體鉆井中，鉆具失效的主要形式是斷裂，常見的，氣體鉆井鉆具組合中并沒有出現(xiàn)鉆具過度差別大造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象(表2)，而是在長(zhǎng)期服役過程中，循環(huán)的周期載荷會(huì)引發(fā)初始裂紋，初始裂紋一般會(huì)在鉆具表面的應(yīng)力集中處萌生[10]。在氣體鉆井(除充氣鉆井外)過程中，立壓一般小于5 MPa，鉆具刺漏之后立壓下降不明顯，所以很難通過觀察立壓下降來發(fā)現(xiàn)鉆具刺漏，往往是直至鉆具斷裂落井，表現(xiàn)為懸重下降、扭矩降低、進(jìn)尺變慢或者無進(jìn)尺，但這時(shí)候已經(jīng)造成斷裂鉆具落井。氣體鉆井中鉆具斷裂前，存在多個(gè)起源于外壁的沿徑向和周向一定程度擴(kuò)展的裂紋，裂紋源處發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲塑性形變，斷裂位置源于發(fā)生彎曲塑性形變處，鉆具斷口平整、規(guī)則，可以觀察到平整的斷裂源，表現(xiàn)為疲勞斷裂特征[11]，如圖2所示氣體鉆井鉆鋌母扣和鉆桿公扣斷裂斷面圖。

表2 氣體鉆井鉆具斷裂典型鉆具組合

圖2 氣體鉆井鉆具疲勞斷裂斷面圖

2.2.2 鉆具力學(xué)分析

在直井氣體鉆井條件下，處于懸掛狀態(tài)下的鉆柱，在自重作用下，從下到上均受拉力，最下端拉力為零，井口處拉力最大。鉆柱(假定在鉆桿上)上任意截面處的拉力為：

Fx=qpx1+qcx2-W

(1)

式中：Fx—鉆柱任意截面的拉力，kN；qp、qc—分別為鉆桿、鉆鋌單位長(zhǎng)度的重量，kN/m；x1—截面以下鉆桿長(zhǎng)度，m；x2—鉆鋌長(zhǎng)度，m；W—鉆壓，kN。

氣體鉆井鉆柱靜載荷示意圖見圖3，N點(diǎn)為中和點(diǎn)。

圖3 氣體鉆井鉆柱靜載荷示意圖

根據(jù)公式(1)可以求得氣體鉆井鉆柱靜載荷條件下的中和點(diǎn)位置。在氣體鉆井過程中，鉆柱縱向、扭轉(zhuǎn)、橫向振動(dòng)及渦動(dòng)現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生交變拉壓、彎曲應(yīng)力。中和點(diǎn)以上鉆具主要受軸向拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力共同作用；中和點(diǎn)以下鉆具主要受軸向壓應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力和交變屈曲應(yīng)力共同作用；中和點(diǎn)附近鉆具主要受軸向拉、壓交互應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力共同作用，容易疲勞損壞。

此外，在空氣錘鉆井過程中，鉆柱的受力除了靜載荷以外，還有空氣錘工作時(shí)沖擊產(chǎn)生的動(dòng)載荷，空氣錘工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊力p1為：

(2)

式中:p0—注氣壓力，kg/cm2；F1—工作行程時(shí)活塞有效受壓面積，cm2；D—活塞直徑，cm；d1—活塞與配氣座下端密封處直徑，cm?？諝忮N沖擊力參數(shù)計(jì)算示意圖見圖4。

圖4 空氣錘沖擊力參數(shù)計(jì)算示意圖

以某井KQC275空氣錘應(yīng)用情況為例，注氣壓力3.5 MPa，活塞和配氣座直徑分別為21.6 cm和9.6 cm，由此可以計(jì)算出空氣錘沖擊力為10.5 t，在沖擊力作用下，鉆具的瞬時(shí)中和點(diǎn)上移，易產(chǎn)生疲勞的位置也相應(yīng)上移，這也能夠說明鉆具斷裂位置沒有集中出現(xiàn)在僅考慮靜載荷鉆柱中和點(diǎn)的?228.6 mm鉆鋌上，而是在?228.6 mm鉆鋌、?203.2 mm鉆鋌、?177.8 mm鉆鋌和鉆桿上都有分布(表1、圖1)。

2.2.3 鉆具振動(dòng)破壞分析

鉆柱的劇烈振動(dòng)是引起深井鉆具失效的主要原因之一。在氣體鉆井(除充氣鉆井外)過程中，井內(nèi)缺少鉆井液的阻尼減震作用，鉆具承受的振動(dòng)載荷遠(yuǎn)大于在鉆井液鉆井過程中的振動(dòng)載荷，如L118井氣體鉆井三個(gè)方向均呈現(xiàn)出較高的振動(dòng)峰峰值(圖5)，因而形成的附加應(yīng)力越大，越容易導(dǎo)致鉆具失效。

圖5 L118井記錄的氣體鉆井井下振動(dòng)峰值變化圖

縱向劇烈振動(dòng)引起了頻繁的疲勞失效，而橫向振動(dòng)則大大增加了鉆具彎曲拉應(yīng)力。對(duì)于帶空氣錘的空氣鉆井鉆柱橫向振動(dòng)而言，采用橫向振動(dòng)力學(xué)模型(見圖6)。

圖6 鉆柱橫向振動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)模型做出假設(shè)：空氣鉆井鉆柱橫向振動(dòng)模型除過兩頭受井筒限制外，桿體不受井筒限制；鉆柱禁止時(shí)，井筒軸線與鉆柱軸線重合：此外井筒為等截面剛性圓筒；整個(gè)模型忽略阻力、不考慮扭矩的影響。空氣鉆井橫向振動(dòng)數(shù)學(xué)模型建立時(shí)，將兩接頭之間的一段鉆柱簡(jiǎn)化為兩端鉸支的等剛度簡(jiǎn)支梁。

(3)

邊界條件：設(shè)發(fā)生橫向振動(dòng)鉆柱段長(zhǎng)度為l，則：

(4)

再通過ABAQUS即可計(jì)算空氣鉆井鉆柱橫向振動(dòng)固有頻率，從表3可知，同等條件下，鉆柱在鉆井液中的振動(dòng)頻率比在氣體中的振動(dòng)頻率低，而且不同階的頻率降幅不同。一般情況下，低階頻率對(duì)鉆柱振動(dòng)起主導(dǎo)的作用，所以氣體鉆井中由于沒有鉆井液的粘滯阻尼作用，鉆柱振動(dòng)會(huì)比鉆井液鉆井大。

表3 氣體和鉆井液介質(zhì)中鉆柱振動(dòng)的各階固有頻率

在高頻段，模態(tài)阻尼比已經(jīng)足夠大，系統(tǒng)復(fù)頻響函數(shù)的模已經(jīng)足夠小。同時(shí)，激勵(lì)的能量也已經(jīng)非常小，以至在該頻段下，系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出量在總響應(yīng)里所占的比例已經(jīng)非常小，此時(shí)，來自結(jié)構(gòu)的高階響應(yīng)可以忽略；但在低頻段，一個(gè)很小的激勵(lì)輸入就可以引起很大幅度的振動(dòng)(共振)。正常鉆進(jìn)時(shí)空氣錘的工作頻率為25 Hz，該頻率與鉆柱縱向振動(dòng)第15階固有頻率相接近，此時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)破壞相對(duì)較小，但隨著空氣錘使用時(shí)間的增加，沖擊力和沖擊頻率明顯減弱，空氣錘的工作頻率低至11 Hz以下進(jìn)入縱向振動(dòng)的低階頻段時(shí)，便會(huì)引發(fā)低階鉆柱共振，進(jìn)而引起鉆具失效。LX1井等5口井就是在地層巖性無明顯變化的情況下，鉆時(shí)變慢，空氣錘沖擊頻率減弱后出現(xiàn)的鉆具斷裂事故。

2.3 化學(xué)腐蝕失效分析

空氣鉆井鉆具受到電化學(xué)腐蝕類型包括高溫高壓條件下的鋼材基體Fe的氧化反應(yīng)、地層產(chǎn)水條件下的溶解氧腐蝕和二氧化碳弱酸性腐蝕[12]，而空氣鉆井的井下一般處于常溫常壓條件，因此氧化反應(yīng)不做考慮。

溶解氧作為一種有效的陰極去極化劑在中性或堿性條件下能加速Fe腐蝕的原電池反應(yīng)。

陽極反應(yīng)：

(5)

陰極反應(yīng)：

(6)

(7)

因此凈反應(yīng)的結(jié)果為：

(8)

(9)

(10)

溶解氧腐蝕產(chǎn)物主要為Fe(OH)3和Fe2O3，都為紅色銹狀物，結(jié)構(gòu)疏松，往往沉積在金屬基體表面，不能阻止腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼材基體的侵蝕。

而CO2在干燥環(huán)境且溫度不太高的條件下，本身并不腐蝕金屬，腐蝕的實(shí)質(zhì)是氣相CO2遇水形成碳酸，金屬在碳酸介質(zhì)中遭受電電化學(xué)腐蝕。

(11)

(12)

(13)

(14)

圖7 氣體鉆井鉆具表面點(diǎn)蝕圖

2.4 高速?zèng)_蝕失效分析

在分析了氣體鉆井中氣體攜巖對(duì)鉆桿沖蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上，本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件建立鉆桿在井內(nèi)受高速氣體攜帶巖屑沖蝕的三維模型。鉆桿在井眼內(nèi)的位置是隨機(jī)出現(xiàn)的，有時(shí)居中，有時(shí)偏心，有時(shí)與井壁接觸。這些鉆桿的位置都對(duì)井內(nèi)氣體攜巖的流場(chǎng)和巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡都有影響，相應(yīng)地，氣體攜巖對(duì)鉆桿的作用力也會(huì)發(fā)生變化。為此，本文建立了偏心鉆桿的沖蝕模型，設(shè)鉆桿中心線與井眼中心線之間的距離為d，如圖8。當(dāng)d=0時(shí)，鉆桿在井眼內(nèi)居中；當(dāng)d>0時(shí)，鉆桿存在偏心。另外，本文假設(shè)井眼內(nèi)壁為圓形，不規(guī)則井眼不在本文研究范圍內(nèi)。

圖8 氣體攜巖在環(huán)空中的示意圖

另外，在氣體鉆井(除充氣鉆井外)過程中，由于井筒中沒有鉆井液的潤(rùn)滑和“隔墊”作用，鉆具和井壁直接接觸，兩者之間的磨擦是干磨，致使鉆具的外部磨損較為嚴(yán)重，尤其是在井斜較大的井鉆進(jìn)時(shí)，鉆具磨損失效更加迅速。通過模擬可知，在純氣體鉆井過程中，井底巖屑伴隨高速氣體形成的沖蝕作用是造成鉆具磨損、失效的一個(gè)重要原因[13-18]。鉆進(jìn)期間，環(huán)空中巖屑和氣體的混合流體上返速率通常在15.24 m/s以上，巖屑在氣體的包裹下呈間歇性的高速撞擊鉆柱，使鉆柱受到很強(qiáng)沖蝕作用，尤其是在變徑的接頭及附近，沖蝕速度明顯加大(圖9)。

圖9 氣體鉆井?dāng)y巖鉆桿接頭附近的沖蝕云圖

3 建議與對(duì)策

為減少鉆具疲勞造成的鉆具失效，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)氣體鉆井施工作業(yè)的具體情況，制定對(duì)策和措施:

(1)鉆具組合應(yīng)充分考慮動(dòng)載荷對(duì)鉆具中和點(diǎn)位置的影響，尤其是在空氣錘鉆進(jìn)時(shí)要避免出現(xiàn)采用2～3柱鉆鋌的簡(jiǎn)化鉆具而造成的鉆具中和點(diǎn)位于鉆桿上的情況，空氣錘鉆井更應(yīng)加足鉆鋌并考慮加入氣體鉆井專用減震器。

(2)鉆具組合中宜加入欠尺寸、腰鼓形扶正器，同時(shí)建議研制井下振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與井下阻尼器，減小鉆柱振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力破壞。

(3)鉆遇地層出鹽水時(shí)，可在霧化基液中加入適量的緩蝕劑和燒堿，考慮采用氮?dú)忏@井，減少溶解氧和CO2對(duì)金屬表面的腐蝕，同時(shí)應(yīng)根據(jù)地層產(chǎn)水情況，合理設(shè)計(jì)注氣量，確保環(huán)空內(nèi)流體上返速度略高于最小攜巖速度(15.24 m/s)即可，減少攜帶巖屑的高速流體對(duì)鉆具的沖蝕。

4 結(jié)論

(1)忽略了動(dòng)載荷對(duì)中和點(diǎn)的影響，認(rèn)為空氣錘鉆進(jìn)只有3～4 t鉆壓，鉆具管理只考慮近鉆頭鉆具的檢查、探傷和倒換是不科學(xué)的，不能滿足空氣錘鉆進(jìn)鉆具失效預(yù)防的需要。

(2)以往在空氣錘鉆遇鉆時(shí)變慢、頻率減弱的情況下繼續(xù)堅(jiān)持鉆進(jìn)的做法是不可取的，因?yàn)橐坏┛諝忮N的工作頻率低至11 Hz以下進(jìn)入縱向振動(dòng)的低階頻段時(shí)，便會(huì)引發(fā)低階鉆柱共振，進(jìn)而引起鉆具失效，此時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)起鉆更換空氣錘。

(3)氣體鉆井過程中，隨井深增加一般采用增大氣量的方式來提高攜巖效率，但過大的氣量容易造成鉆具的外部嚴(yán)重磨損，尤其是在井斜較大的井鉆進(jìn)時(shí)，鉆具磨損失效更加迅速，控制鉆時(shí)和延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間才是保護(hù)鉆具和提高鉆井綜合時(shí)效更有效的方式。