高新94-1井钻杆本体刺漏原因和对策分析

2013-01-06刘功威方文超中国石油大学北京石油工程学院北京102200

长江大学学报(自科版) 2013年8期

刘功威，张辉，方文超（中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102200）

闵江本（长江大学石油工程学院，湖北武汉430100）

钻具失效是指钻具在钻井作业过程中因断裂、刺穿、粘扣等事故而发生部分或全部失去其效能的现象［1］。钻杆本体刺漏属于典型钻具失效，在钻井现场经常发生该现象，严重影响钻井作用并造成较大的经济损失。以高新94-1井为例，在该井钻井过程中，共有3根钻杆发现本体刺漏现象，都发生在定向造斜的井段，井深从619～677m，井斜角在8．53～13．27°，刺口位于钻杆加厚过渡带的本体上，与公扣的距离平均为0．55m，刺口直径约为1．5cm。下面，笔者对该井钻杆本体刺漏失效原因进行分析并提出相应对策，以便为处理类似钻具失效问题提供借鉴。

1 钻杆本体刺漏原因分析

1）钻杆被腐蚀高新94-1井的作业区属于唐山唐海县附近，地理自然位置靠近大海，空气潮湿多雨，含氧量较高。钻杆在长期的储存和使用过程中经常与氧气和水相接触，在有氧腐蚀的环境下，钻井液中携带的溶解氧与钻杆材料中的Fe发生电化学反应，溶解氧产生的电化学腐蚀的反应过程为［2］：

4Fe＋6H2O＋3O2→4Fe（OH）3Fe→Fe2＋＋2e-O2＋2H2O＋4e-→4OH-

上述过程导致钻杆中的铁质不断被氧化，加之循环系统中的钻井液不断冲刷钻杆表面以及钻杆在井壁内的振动，使钻杆表面的腐蚀产物逐渐脱落，从而形成很大的腐蚀坑。腐蚀坑造成钻杆表面金属的不连续，上述部位是容易产生应力集中的位置。因此，较小的交变应力即可在腐蚀坑周边形成较高的应力集中，进而促使疲劳裂纹产生并不断扩大，最终产生钻杆本体刺漏现象［3］。

2）钻杆滤清器的影响高新94-1井是一口定向井，在钻进过程中定向造斜时，为了防止井下钻具的水眼堵塞和减少钻头的水力功率，在钻杆中放置了滤清器。滤清器的外部是一层滤网，钻井液通过滤网时流向、流速会发生变化，在钻杆旋转的作用下会产生涡流，加之钻井液中的固相颗粒不停的高速冲击钻杆内壁，会导致钻杆内的保护涂层部分脱落，从而加快钻杆的有氧腐蚀并导致钻杆内裂纹的产生，由此形成钻杆本体刺漏现象。

3）钻杆受交变应力作用在钻进过程中，当钻杆钻遇狗腿井段时，钻杆要承受弯曲载荷（见图1）。弯曲的钻杆在最大弯曲截面处一边受压，另一边受拉，当钻杆旋转一周后，钻杆上某一点经受了从拉到压的一个应力循环，此即交变应力（动载）［4］。交变应力作用的结果容易导致钻杆表面应力集中部位产生裂纹，只要交变应力持续作用，则裂纹会继续扩展，直至穿透钻杆壁厚，严重时导致钻杆刺穿或断裂。

图1 钻杆受交变应力作用示意图

4）钻杆薄弱部分的影响钻杆加厚过渡带是钻杆的一个非常薄弱的部分，大部分出现钻杆本体刺漏的部位都发生在加厚过渡带上。其原因是腐蚀坑造成钻杆本体不连续，周围形成很高的应力集中，加上钻杆内加厚过渡段本身就存在严重的应力集中，在上述应力共同作用下，钻杆内加厚过渡带产生疲劳裂纹并快速扩大，最后产生钻杆本体刺漏现象。

5）钻杆放置不合理一般而言，在正常的钻井过程中，钻杆一般都是放置在专门的钻杆架上，但当一口井固井完井后，从井底起出来的钻杆，有的会安置在2层钻杆之间（见图2）。这样会使钻杆在自下而上的堆积过程中不断受到冲击载荷的作用，导致钻杆受到很大的金属疲劳伤害。与没有受到伤害的钻杆相比，在同等的钻井环境下这些钻杆本体更加容易刺漏。