李从东

川庆钻探国际工程公司 四川 成都 610000

石油是国家极其重要的战略资源，我国的石油资源一般分布在裂谷型盆地以及海上的沉积盆地之中。复杂的地质环境分布导致石油开采中钻井成为关键工作之一，油田钻井是开发石油能源的第一步，其作业效率决定了整个开发过程的顺利与否。钻具作为钻井机械的重要组成部分，其质量和组合的科学性决定了钻井效率。然而随着我国石油开采技术的不断发展，越来越多的油田被开发出来，随之而来的钻具的工作环境变得更加多样化和复杂化，钻具在作业中的难度也随之提升，钻具失效的情况也越来越常见。钻具失效给钻井工作带来很多影响，也给油田开采带来一定的经济损失，近年来一些因为钻具失效带来的钻井重钻、侧钻现象屡见不鲜，在影响了工程进度的同时，还可能造成重大的安全事故。由此可见通过对钻具失效事故进行分析，探寻油田钻具实现的原因并找到相应的解决对策对石油开采工作十分必要，因此系统分析总结了油田钻具的失效原因，对油田钻具管理提出了自己的见解，希望能对广大一线工作者有所帮助。

1 油田钻具失效原因总结分析

由于油田钻井的场所处于地下，操作人员很难完整的观察到钻具的工作过程和工作状态，钻具是否失效或者工作状态不佳等情况只有在发生事故后才能知道，由此给钻具造成的伤害一般是无法弥补的，这种情况严重影响了石油开采工作的整体进程，因此我们必须深度探寻钻具失效的内在原因，并找到实用的措施来预防和减少钻具失效事故的发展，提高钻井工作效率。通过常见的钻具失效事故和有关资料分析，笔者总结了一下几种钻具失效原因：

1.1 钻具断裂导致钻具失效

钻具断裂导致钻具失效最常见的原因之一，钻具是由方钻杆、钻杆、钻挺、各种接头和钻头组成的有机整体，导致钻具断裂的主要原因有以下几个方面：

（1）疲劳断裂。疲劳断裂是指钻具使用时间过长导致钻具使用寿命到期导致的断裂，疲劳断裂往往发生在钻具螺纹之上，由于钻具的螺纹的硬度相对于钻具主体来讲较小，而螺纹却是直接受力的部分，长久使用中其经受的压力也是最大的，给整个钻井过程带来巨大动力的同时也让整个钻具的应力不平衡，导致螺纹经常会发生断裂，从而导致钻具失效[1]。

（2）过载断裂。过载断裂是指钻具承受应力超过其最大承受能力而发生的断裂，过载断裂一般是由操作员不当的行为导致的。由于钻井的环境一般比较恶略，钻具经常会遇到砾石层、软硬夹层等复杂地质，很容易引起憋钻、跳钻的情况出现，现场操作人员如果强行拖拽、按压或拔起钻具，外力施加会导致钻杆的承受力超过极限而发生断裂。

（3）低应力断裂。低应力断裂是受到钻具钻杆材质影响和操作影响而发生的断裂现象。钻井是一个需要多元件协同参与的过程，在钻井中钻具受到的力是不规则的，合格的钻井方式是让钻具每次受到的力都在其最大承受范围之内，但受到钻具材料的影响，钻具的最大承受力不同或承受力下降过快就会导致在其受力过大时极容易发生低应力断裂。

（4）氢脆断裂。氢脆断裂主要是由于钻具与钻井中物质发生化学反应导致的断裂，由于在钻井过程中钻头不停向下，导致氢化物与钻具发生了化学反应导致。由于钻具是由钢打造而成，氢与钢材之间会发生氢脆反应，导致钢的塑性下降而脆性升高，钻具长时间工作下极容易发生氢脆断裂。

1.2 钻具损伤导致钻具失效

钻具损伤主要包括了钻具表面损伤、钻具腐蚀性损伤和钻具机械损伤三种，钻具表面主要是指钻具螺纹在钻井过程中与岩层发生剧烈摩擦导致的磨损，导致螺纹容易出现裂纹导致钻具损伤；钻具腐蚀性损伤是指钻具在钻井过程中会与井中的含有的化学物质发生化学反应，使得钻具表面出现严重的化学反应导致的钻具表面产生损伤；钻具机械损伤主要是指钻具在储存、搬运等过程中发生的磕碰或者在钻井施工中发生的重大碰撞导致钻具发生的损伤[2]。

1.3 钻具受力支撑断裂导致钻具失效

钻柱是整个钻具的重要应力点，由于钻井工作是一个长期且重复的工作，钻具在深入钻井工作中会让钻柱承受大量的作用力，如果长时间持续会导致钻柱出现一定程度的裂纹，从而让钻柱出现疲劳状况，一旦出现这种情况，在钻井过程中极容易出现钻杆受力过强而断裂的情况，从而引发钻具失效。

1.4 钻具变形导致钻具失效

钻具变形主要是指钻具在经受长时间超越材料极限应力的情况下产生变形的情况，钻具中有几个部分极容易产生变形，其中有钻杆、钻杆接头、钻具螺纹等部位。如果钻具出现变形，就会导致在高强度的工作中容易发生断裂导致钻具失效。

2 钻具失效防治对策

从现阶段总结的钻具失效原因中我们可以看出，造成钻具失效的原因主要集中在人为因素、钻井工作流程和钻具养护三个方面，在预防钻具失效对策研究中我们也应该以这几个方面为主。

2.1 规范钻具参数和使用的管理

规范钻具各个部件的参数首先要做的就是保证钻具各个部分的质量，使用高疲劳度的钻具材料和先进技术，减少钻具失效情况发生。

（1）钻铤质量保障。现阶段很多钻铤断裂的原因就是其质量不合格导致的，因此在钻井工作开展之前要严格对钻铤规格、材质等方面进行细致检查，将不合格的钻铤剔除，选择质量好的钻铤补充进来。在钻铤的选择中一定要注意检查钻铤的各项参数和工艺。首先钻铤的尺寸选择要以最新的标准严格审查，依据不同规格、地形的油田来选择钻铤标准[3]。例如美国的API SPEC7-1标准中，要求了钻铤的壁厚差必须小于或等于公称壁厚的百分之十二，直线度偏差涉及到全长时不应该超过0.52mm/m，涉及到钻铤两端两米内的不应该超过2mm。其次钻铤的外观也要进行严格的审查，钻铤的形状有圆柱形和螺旋形两种，在审查中要重点关注钻铤的表面是否有明显损伤，例如裂纹、褶皱、疤痕等情况，严格按照钻铤标准进行审查。最后是钻铤的材质检查。钻铤一般采用合金钢材制成，钢材的化学成分中硫和磷含量要依据相关标准进行分析，其含量不得超过0.025%，钢材要选择整体热轧或锻造坯料机械加工成型。钻铤到达后要进行相应的机械性能测试，确保钻铤的质量合乎相关标准。

（2）钻杆质量保障。钻杆的选择也需要经过严格的质量审核，首先是规格尺寸、钻杆接头的同轴度等参数要严格按照相关规范进行检查，保证在钻井过程中钻杆的平稳工作。其次对钻杆的焊接外观进行详细的检查，确定是否存在凸起或者截面突变的情况，防止在工作中出现应力集中等情况。然后对钻杆的整体外观进行检查，钻杆的直度、壁厚度、内外涂层等方面不得存在弯曲的现象出现，对其关键部分要施加防腐蚀处理，避免氢脆断裂的产生。最后是钻杆螺纹检查，螺纹是连接钻杆和其他部位的重要部位，一旦钻杆螺纹出现问题，就会影响整个钻具的安装和拆卸，因此要细致检查螺纹是否有磨损、变形的情况发生，对螺纹进行专门的处理，像加油防护、磷化等方式保证螺纹不被腐蚀。

（3）钻井参数的分析。钻井参数主要包括转速和钻压两个方面。从机械角度来看，提高钻井参数会极大程度的提高钻井效率，但面对复杂的井下环境和相关力学来看，当钻压增高时，钻具底部承受的压力也会增大，从而导致钻具产生弯曲变形的风险，假如钻具出现弯曲变形，钻具就会承受不同方向的力而形成交变载荷，导致钻具的压力会变大。钻具底部的钻铤作为承受交变载荷最大的部位，就会容易产生疲劳断裂的可能。而转速的增大也会导致单位时间内钻具承受更多的交变载荷次数更多，造成疲劳断裂的风险也会更大，通过研究表明钻速在超过每分钟90转时，钻铤发生断裂的可能性也会增大，除此之外，高转速下极易引发钻具共振，共振会产生高频率的应力，在钻具裂纹的时候极易产生扩大作用，大大降低了钢材的韧性。由此可见较低的钻井参数会极大程度的延长钻具的使用时间，挑选合适的钻头，进行井眼实际测试，找到在钻井过程中钻具的震动规律。例如跳钻情况十分严重的时候就证明扭矩变化相对较小，在钻井中就要加大钻压并减小转速；而遇到憋钻情况严重的时候就要减小钻压增大转速，借此减少钻井过程中的共振情况[4]。我们要及时总结钻井参数的设置，最大限度的减少钻具的共振，借此也可以减少在钻井过程中的憋钻、跳钻的持续时间，减少钻具疲劳断裂的情况产生。

2.2 加强现场管理规范

钻具失效是一个复杂的过程，我们在现场管理中要以科学的手段来使用和管理钻具，在保证钻具整体质量的同时，减少钻具的失效频率。具体可以从以下几个方面进行改善：

（1）建立钻具使用规范。钻井全程要建立起细致的工作规范，依据严谨的钻井流程来对现场工作进行科学的指导。首先在钻具出厂、运输、存放等过程建立起完善的制度，技术人员在钻具出厂前进行细致的质量检查，对于一些精密的元件采用专门的包装进行运输，钻具到达后对钻具进行分类储藏，钻具摆放不能超过五层，防止累计质量过大导致钻具变形。其次在钻具安装时严格按照规范进行操作。在钻具上扣、紧扣之前要将扣纹细致的清理干净，并按照相关技术规范进行操作，上扣时大钳不得在钻杆上施加力，避免螺纹出现损伤，现场必须携带护丝，保证紧扣能够达到相关规范的扭矩，螺纹密封脂也要在市场上进行细致的调研，选择效果较好的密封脂。

（2）建立钻具组合优化制度。钻具组合优化能够有效减少钻具接头处产生应变力的集中，从而减少钻具疲劳损伤。因此在钻井工作开展之前，要对钻井进行细致的参数检查，保证钻具在进入钻井时钻具的受力中心点不在接头处；另外在每个钻井工作开展之前都要重新组合钻具，严禁出现钻井相似就选择相同的钻具组合的情况出现。例如在遇到地质较复杂的时候，钻具在钻井中容易出现憋、跳钻的情况，那么我们在钻具组合时就可以在底部增加减震装置，减少钻具震动带来的疲劳损伤；在实际工作中要实时监测井内震动、状态等参数，不断优化钻具的组合方式，尽可能地减少钻具疲劳、超越材质极限的损伤出现[5]。

（3）建立钻具管理制度。企业有必要建立起专门的钻具管理部门，从钻具的出厂到入库出库全过程进行细致管理。首先建立起钻具标识制度，建立起钻具库房存储卡片，在对钻铤和钻杆进行严格的检查后为其建立起单独的号码。在钻井工作开始之前就做出相应的钻具元件使用计划，在钻井工作开始之前按照计划对钻具元件进行全面检查，按照各个元件的使用强度提前进行探伤或分段探伤监测，确保钻具在使用之前是符合施工条件的，如果钻井工作开展的时间很长的话，要严格按照钻具的检测周期进行检测对过期钻具及时更换。其次在钻具领用和现场施工时建立起相关制度，钻具的领取要合乎规范，保证钻具档案数据有迹可循。在进行钻井工作之前，要建立起钻井复查制度，由相关的技术人员对井口参数进行复查，将井口参数的原始数据留存好，并与初次测量人员做好数据对比，保证井口内径、外径、长度等参数一致。在钻井工作结束后，要根据钻具的回收制度进行回收，并及时在钻具档案中填写相关信息。

2.3 加强钻具探伤维护管理

钻具探伤是保证钻具具体情况的重要手段，现阶段我们常用的探伤方法为第三方探伤公司到井探伤，在其探伤过程中要严格监督，提高钻具探伤质量。首先安排专人监督制度，在探伤公司到达工作现场时，可安排工长进行全程监督，保证探伤过程细致全面；其次在探伤过程中除了对钻具表面进行细致查看外，还应该配备超声探测仪，对钻具内部进行检查，确保钻具质量符合使用规范。

3 结束语

总而言之，钻具作为钻井工作的重要机械组成部分，其质量和安装操作规范决定了钻井工作是否能够稳定、高质量运行。针对现阶段常见的钻具失效事故分析，不断总结其内在原因，据此建立起完善的钻具管理制度、现场施工制度、探伤制度等，尽可能的减少钻具失效情况的出现，充分提升我国能源行业的国际竞争力。