张建设

(天津钢管集团股份有限公司技术中心,天津300301)

鄂尔多斯气田钻铤断裂原因分析及防断技术应用

张建设

(天津钢管集团股份有限公司技术中心,天津300301)

基于鄂尔多斯气田地质特点,分析了钻铤失效的诱因。总结了减震器现场应用效果,研究出一套成熟的钻铤防断配套技术。通过优化钻具组合设计、调整钻井参数匹配、改进钻井操作方法等,钻铤防断技术在D1—4—37等井的推广应用,取得了好的防断效果。

地质特点;减震器;钻具组合;钻井参数;钻铤失效;效果评价

1 引言

鄂尔多斯盆地北部气田位于毛乌素沙漠东部、陕西省榆林市北部,该气田自开始开发以来,由于受复杂地质因素影响,钻具早期断裂失效事故频繁发生,给钻井施工和钻具使用造成了较大的经济损失。由于严酷的地质条件,早期钻井施工普遍存在机械钻速低,钻井周期长,钻具早期失效事故频繁发生现象。这些因素增加了钻井施工风险和成本,影响了气田的勘探开发,并造成重大经济损失。因此研究鄂北气田快速钻井配套技术、钻具早期失效的预防方法,加强邻井调研和区域地质分析,制定钻头选型方案,加强钻具使用管理,优化钻具结构组合设计和钻井参数设计,提高钻井速度和综合经济效益,具有十分重要的现实意义。

2 区域地质特点

典型井(D1—1—94)具体地质分层见下表1。鄂尔多斯盆地气田主要的沉积地层多为砂岩、砂砾岩、砂泥岩构成,富含石英、菱铁矿等高硬度高研磨性矿物成分,且胶结疏松,粒度大,一般粒径2mm～15mm,最大可达30mm以上。特殊的地质条件造成钻井施工过程中蹩跳钻严重,机械钻速慢,钻具受力环境复杂,特别是钻具纵向、横向振动产生的交变应力,是导致钻具疲劳,先期刺、断钻具的最主要原因,严重影响了钻井速度和生产时效。另一方面,由于特殊的地层岩性,地层研磨性强,井眼相对稳定,对钻杆和钻铤的磨损特别严重,新喷焊的钻杆耐磨带寿命3口井左右。

表1 典型井(D1—1—94)具体地质分层

3 钻具失效原因及规律分析

3.1 地质因素

鄂尔多斯盆地地层古老,主要的沉积地层多为砂岩、砂砾岩、砂泥岩,富含石英、菱铁矿等高硬度高研磨性矿物成分。胶结疏松的砂砾岩、砂泥岩、石英、菱铁矿等高硬度高研磨性矿物成分,粒度大而不均,导致钻井过程中蹩跳钻严重,钻具扭矩不均,接头丝扣扭矩过大,造成螺纹过扭,同时共振引发的交变应力引起疲劳裂纹,特别是在公母螺纹扣根1～3扣范围,是发生疲劳裂纹的主要部位。随时间的延长,受力条件的恶化,裂纹不断扩展,最终导致钻具刺断发生,地质因素是导致钻具失效的最主要因素。

3.2 工程因素

工程因素进一步加剧了钻具的失效,主要表现为:

(1)钻具组合设计因素

钻具组合设计不合理,满眼性差;失稳导致钻铤的弯曲,扶正设计不够合理。不同钻铤刚度差异未能合理过渡匹配,都会造成钻具失效。

(2)钻井参数与钻具结构不匹配

钻压和转速的匹配不合理,未能避开钻具的共振点。钻压是导致弯曲的主要因素,转速是产生共振与交变应力的主要因素。钻柱的弯曲、纵横向振动,产生交变载荷,致使螺纹部位产生应力集中,先期疲劳破坏。

(3)操作因素

钻进过程中送钻不均、钻压不稳、顿钻、溜钻均会带来钻具失效隐患。对钻具产生的蹩跳钻共振未及时调整钻井参数,控制钻具共振发生。

(4)钻井液腐蚀

钻井液p H值7～8,对钻杆的腐蚀影响较大。H2S、硫化物应力腐蚀导致钻具刺断。钻杆没有进行内涂层处理,抗防腐能力差,钻杆长期受钻井液冲蚀,在钻杆内外壁上形成大小不等的蚀坑或腐蚀应力裂纹,特别在过渡带部位腐蚀更加明显。所以过渡带刺穿和周向开裂是主要的失效形式。

(5)水力冲蚀

钻杆内加厚过渡区的过渡圆角半径小,导致钻井液流动时在钻杆内加厚过渡区产生漩流,钻井液对钻杆内加厚过渡区产生冲蚀作用,加快了钻杆的失效,影响了钻杆使用寿命。

(6)弯曲应力集中

由于钻铤螺纹连接部位的强度远小于钻铤管体本身的强度。钻进时施加给钻头的钻压不是一个固定值,它受地层、操作者操作水平、设备、施工环境等因素的影响,钻铤的弯曲程度、弯曲位置也是频繁变化的,随着钻压的增大钻铤的弯曲程度也随之增大,弯曲应力增大。从螺纹的结构看,钻铤螺纹根部1～3扣范围弯曲应力最大,导致钻铤在扣根部位经常发生断裂。

(7)钻具螺纹失效

螺纹不干净,丝扣表面粘附砂子或密封脂不干净,含有砂粒;密封脂涂抹不均匀;最终导致粘扣、磨伤台肩面,密封失效,刺扣。3.3 断裂失效规律分析

失效位置分布规律图见下图1,失效断口形状见下图2。从钻铤的失效位置可以看出分布的规律性,主要集中在钻头以上第3号、6号、9号、12号钻铤,经过理论分析,这些点是钻柱1次、2次3次弯曲临界点,是与失效结果相吻合的。失效断面位置均为公螺纹或母螺纹的螺纹根部1～3扣范围,断口形状平齐,失效形式为应力集中断裂。

图1 钻铤失效规律分布图

4 钻具防刺断的配套技术和主要措施

4.1 加强钻具螺纹保护

为防止螺纹粘扣及台肩面损伤,现场将公母扣擦干净,不涂扣油备用。可以用棕绳或钢丝刷清洗干净螺纹,然后包上塑料布防砂尘污染。钻进接单根时,用气管线吹干净螺纹表面的沙粒,再涂均匀密封脂,按标准扭矩紧扣。推广使用钻具螺纹密封膜,减少钻具螺纹的损伤。密封存放钻具螺纹密封脂,保持干净,防止沙尘污染,特别在钻台上搞好防风沙污染密封脂保护。加强钻具螺纹的外观检查与探伤,对清洗干净的螺纹要认真检查,特别是对公扣、母扣扣根1～3扣进行重点检查,发现损伤或裂纹;螺纹粘扣、粘台肩及时检出,并标注存在问题。对钻铤及时探伤,对探出有问题的钻铤进行切头修扣,避免螺纹有裂纹的钻具再次入井。一般每口井探伤2次,牙轮钻头打完,改用PDC钻头前探伤一次,完钻探伤一次。钻铤失效频繁特殊情况下,增加探伤次数。

4.2 合理设计钻具组合

4.2.1 Φ215.9mm井眼

177.8 mm钻铤使用应配158.75mm钻铤过渡连接,推荐组合结构:

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。

钻井参数:钻压小于180k N,转速65rpm,排量28～30l/s,泵压10～15MPa。

图2 钻铤失效断口形状照

4.2.2 Φ241.3mm井眼

203.2 mm钻铤与177.8mm钻铤组合,推荐组合结构:

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

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

钻井参数:钻压小于200k N,转速65rpm,排量32～34l/s,泵压10～15MPa。

考虑鄂尔多斯地质特点,127mm加重钻杆停止使用。

4.2.3 组合使用钻铤与扶正器

一般原则每柱加一只扶正器,控制在3只以内。推荐扶正器位置:牙轮钻头钻进扶正器可接在第3#、9#、12#钻铤上,PDC钻头钻进扶正器可接在第3#、6#、9#钻铤上。

4.3 优选钻井参数。

Φ215.9mm牙轮钻头采用高钻压(小于180k N)、低转速(65rpm左右);Φ241.3mm牙轮钻头采用高钻压(小于200k N)、低转速(65rpm左右);Φ215.9mmPDC钻头采用小钻压(小于100k N)一般60～80 k N、高转速(100rpm左右)。Φ241.3mmPDC钻头采用小钻压(小于100k N)一般80 k N～100 k N、高转速(100rpm左右)。PDC钻头、牙轮钻头推荐使用大功率低速螺杆结合转盘复合钻井技术。转盘转速40 rpm左右,螺杆转速110 rpm左右,钻压180k N以内,排量30L/s左右,泵压10MPa左右。推广使用PDC钻头是缓解鄂北气田钻具失效的有效预防措施。由于PDC钻头钻进过程中钻压只相当于牙轮钻头的三分之一,大大降低了钻铤的弯曲应力,提高了钻铤的使用寿命。

4.4 加强钻具的使用管理

每打完一只牙轮钻头及时倒钻铤下井次序;每口井倒换钻具位置不少于2次。改进操作模式,送钻均匀,操作平稳,发现跳钻、蹩钻及时停转盘,提放钻具,改变钻压和转速参数,消除蹩跳钻共振影响。泵压下降,一般1MPa左右,立即起钻检查。对接头磨损严重的钻具及时敷焊耐磨带。钻铤螺纹加工后,必须进行磷化处理,台肩加工后应进行冷滚压消除加工应力。新钻具必须进行内涂层处理,防止钻具被腐蚀,以延长钻具的使用寿命。调整钻井液p H值。要求p H值应控制在9～11范围,添加缓蚀剂延缓钻具的腐蚀速度。

4.5 应用钻具防断工具

在鄂尔多斯地区广泛进行了减震器等防断工具和配套技术推广试验工作,通过强化措施推广综合配套技术,使用防断工具后,很少出现钻具断裂和刺穿等失效现象。共在6个钻井队进行了三轮共13口井现场试验,取得了较好的钻具防断效果,断钻铤得到了有效控制,螺纹伤害明显降低。

5 取得的效果

防断措施推广前后效果对比见表2。从井队的使用情况看,工具发挥了较理想的防断效果,在防断工具入井使用期间,未发生钻具刺断现象,起钻探伤钻铤未发现问题。同时由于个别井部分井段未使用防断工具,如D1—1—91井在1 602.05～2 296.4m井段未下防断工具,导致加重钻杆母接头耐磨带处断裂,位置距端面390mm处。部分井队钻进参数没有很好的执行防钻具失效优化措施,钻压和转速都较大,导致部分钻具又出现了一些钻具失效现象。

表2 部分井队试验推广防断技术取得效果对比表(6个井队试验)

钻具防断技术在D1—4—37等井推广与应用,提高了钻井速度,减少了钻具失效的发生。推广应用86口井,钻井速度提高25%左右,单井钻井周期节约5～8天。新型防断工具推广应用6个队13口井,防断效果明显,在防断工具入井期间未发生钻具失效事故,钻具的损伤得到了控制。该项目具有广阔的推广应用前景,具有显著的经济和社会效益。经济效益主要体现在以下几方面:

(1)减少钻具失效和钻具落井事故发生。年减少钻具刺断打捞40井次左右,节约打捞费用约120万元;每年可以少刺断钻杆约150根,减少钻杆损失约145万元。

(2)钻具修理次数明显减少。每年可以少修2 000根左右,节约钻具修理费用20余万元。

(3)延长了钻铤的使用寿命,减少了钻铤的刺断报废数量。每年可以少报废钻铤约10根,减少损失40万元。

(4)钻井速度提高25%,单井平均钻井周期节约5天,日费按3万元计算,单井创效益15万元,年按60口井测算,可创效900万元。

以上四项总计:1 225万元。

防断工具年投入约90万元,投入产出比1∶13.6。

6 结论

(1)导致钻具先期失效的因素是多方面的。鄂尔多斯盆地地质条件复杂,地层石英含量高,研磨性非常强,可钻性差异大,是导致钻具失效的最主要诱因。

(2)推广应用减震器、扶正器等,是鄂尔多斯地区钻具防刺断的有效工具,取得了好的钻具防断效果。

(3)加强管理,通过优化井底钻具组合设计,优化钻井参数,规范操作,可有效减少钻铤的弯曲应力裂纹和断裂发生。

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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

张建设,高级工程师,主要从事石油管材应用技术研究与服务工作。