普光高含硫气田气体钻井钻具断裂损坏机理

黄志强黄继亮李琴宋嘉宁杨凤申徐晓蓉魏武许期聪

1.西南石油大学机电工程学院 2.中国石油东方地球物理勘探有限责任公司3.中国石化胜利油田分公司鲁明石油开发有限责任公司 4.中国石油天然气集团公司川庆钻探工程公司

普光高含硫气田气体钻井钻具断裂损坏机理

黄志强1黄继亮1李琴1宋嘉宁1杨凤申2徐晓蓉3魏武4许期聪4

1.西南石油大学机电工程学院 2.中国石油东方地球物理勘探有限责任公司3.中国石化胜利油田分公司鲁明石油开发有限责任公司 4.中国石油天然气集团公司川庆钻探工程公司

黄志强等.普光高含硫气田气体钻井钻具断裂损坏机理.天然气工业,2010,30(2):75-77.

针对普光气田气体钻井过程中存在的钻具断裂频繁的问题,在对现场事故统计分析的基础上,从特殊的钻井介质、不同的破岩方式以及钻井过程中钻柱共振等方面定性分析了钻具断裂的原因;通过对钻具断口宏观、微观及材质分析,找到了钻具断裂失效的规律和主要形式——疲劳断裂。提出以下建议:①结合气体钻井情况,研制适合气体钻井工况的专用钻具,制定符合气体钻井钻具的新的API标准;②开展牙轮钻井条件下,钻柱纵振对钻具疲劳断裂的量化影响,尤其应考虑不同钻压下钻柱纵振对钻具疲劳断裂的作用机理研究。以期为预防气体钻井钻具断裂、降低钻井成本、推广应用气体钻井技术提供理论依据。

深井 超深井 气体钻井 钻具断裂 疲劳断裂 机理

0 引言

气体钻井是在钻井过程中以压缩气体作为循环介质来实现钻进的欠平衡钻井技术,最初探索于20世纪50年代,受配套技术与装备的限制,该技术一度被搁置,直到20世纪90年代,气体钻井技术才真正开始起步和发展[1-2]。相对于钻井液钻井,其优势在于能够大幅度提高机械钻速,减少或避免井漏、井斜控制等[3-6]。

鉴于以上优点,近年来,气体钻井技术在我国油气田的应用越来越广泛,尤其在普光气田的应用,取得了显著成效(见表1),已成为加快该气田勘探开发的核心钻井技术,应用前景良好。

表1 气体钻井与钻井液钻井在普光气田的应用对比情况表

但是,在气体钻井现场应用中,钻具断裂频繁,严重地影响了气体钻井优势的充分发挥,成为制约该技术推广应用的瓶颈。为此,对普光气田气体钻井过程中断钻具情况进行了统计分析,对其断裂损坏机理进行了研究,以期为预防气体钻井钻具断裂、降低钻井成本、推广应用气体钻井技术提供参考。

1 气体钻井钻具断裂统计分析

表2 普光气田气体钻井钻具断裂统计表 起

截至2008年8月25日,普光区块实施气体钻井共计40口井,其中26口井(占总井数的65%)发生钻具断裂(钻杆、加重钻杆、钻铤、空气锤钻头)53起(见表2),平均每口井发生断钻具2次;其中,P305-2井发发生了断钻具6次,钻具断裂落井,处理不成功导致填井侧钻4起。钻具频繁断裂不仅大大降低了气体钻井的提速效果,而且给井下安全带来了隐患[3-6]。

统计分析发现,普光气体钻井钻具断裂有以下规律:

1)牙轮钻头钻进比空气锤钻头钻进钻具断裂失效概率高。截至2008年8月25日,普光气田气体钻井总进尺为110524.48m,空气锤累计进尺为59947.48m,占气体钻井总进尺的54.2%,空气锤钻进过程中发生钻具断裂失效13井次,钻具断裂发生频率1次/4611.3m。而牙轮钻头累计进尺48577.82m,期间发生钻具断裂失效39起,钻具断裂发生频率1次/1245.6m。可见牙轮钻头钻进钻具断裂频率远高于空气锤钻进。

2)钻杆断裂失效特点:钻杆断落位置主要集中在钻杆管体与加厚部分的过渡带区域,断口距公扣端平均距离为0.52m,距母扣端0.68m,为应力集中区;且断口平齐,呈现为疲劳断裂特征。

3)钻铤断裂失效特点:钻铤断落位置主要集中在钻铤母扣处,存在应力集中;断裂钻铤多为大尺寸钻铤(∅203.2mm、∅228.6mm),而小尺寸钻铤(∅177.8mm)基本没有发生断裂事故;断口规则,有明显疲劳断口特征。

4)钻具断裂多发生在侏罗系沙溪庙组和千佛崖组。

2 气体钻井钻具断裂机理分析

2.1 钻具断口分析

2.1.1 断口宏观分析

图1 钻杆断口形貌图

图1、图2为钻杆、钻铤断口宏观形貌,分析得出:①断口没有明显的塑性变形,断口光滑发亮,为裂纹扩展反复开合摩擦的结果;②断面基本分为两部分,即:平坦光滑区和粗糙区,平坦光滑为裂纹源区和扩展区,在此区域内可观察到贝壳线纹络,为明显疲劳断口特征;③粗糙区所占面积较小,说明钻具断裂时承受的应力相对较小。

图2 钻铤断口形貌图

2.1.2 断口微观分析

在裂纹源区取样,用醋酸纤维酯对裂纹源表面清洗后,用扫描电子显微镜观察断口微观形貌(见图3),断口裂源区表现出明显的贝壳纹络线,为疲劳断口特征。对钻具断口宏观微观分析,确定钻具断口为疲劳断口特征,钻具断裂属于疲劳断裂。

图3 断口微观形貌图

2.2 钻具材质分析

2.2.1 化学成分分析

在断口附近取样,对断裂钻杆、钻铤化学成分进行分析,分析结果(表3)表明,化学成分符合相关企业标准的要求及API规定。

2.2.2 力学性能测试

在断裂钻杆、钻铤上分别取全尺寸纵向圆棒拉伸试样和纵向“V”型缺口冲击试样进行力学性能试验,试验结果符合API标准,试验数据见表4。

综上所述,钻杆、钻铤化学成分、力学性能均符合生产要求及API标准,可排除由于材料质量问题导致钻具疲劳断裂的可能性。因此,可判断钻杆、钻铤的疲劳断裂主要与工况条件及使用情况相关。下面结合钻井情况及钻具使用情况分析钻具疲劳断裂原因。

表3 化学成分分析结果表

表4 力学性能测试结果表

2.3 钻具疲劳断裂原因分析

2.3.1 特殊的循环介质

气体钻井过程中,气体的可压缩性比较大,悬持润滑作用减小,钻具与井壁的干摩擦带来较大的摩阻波动,摩擦力增大,使钻柱更易产生反转运动,由于离心力的作用,导致钻柱强烈的横向振动,产生高频交变弯曲应力,造成钻柱早期弯曲疲劳破坏。气体钻井时,环空中气体的上返速度一般为15～40m/s,才能有效地使钻屑悬浮并携带出井眼。携带着大量且形状不规则的钻屑的循环气体以如此高的速度向上运动,犹如喷砂切割一样,对钻柱产生冲击、碰撞,特别是在钻柱环空间隙突变处,钻柱磨损更加严重,造成钻具表面破坏,产生应力集中区,导致钻柱局部承受高的交变应力,加剧钻具的疲劳破坏。

2.3.2 破岩方式

空气锤钻进时,在冲击和旋转联合作用下实现破岩,以冲击动载荷为主、旋转剪切为辅。由于其特殊的破岩方式,活塞的能量以应力波的形式大部分通过钻头传递到岩石,进行破岩,只有少部分能量以应力波的形式沿钻头向上反射,对钻柱振动影响不大。

而牙轮钻头以冲击、压碎及滑动剪切的方式破碎岩石。破碎过程引起两种频率的纵向振动:一种是因钻头轮齿滚动而产生的高频纵振,另一种是因波状井底引起的低频纵振。现场反复实测证明,前者对钻头破碎岩石是有利的,对钻具的疲劳破坏影响不大;而后者引起的振动则以应力波的形式沿钻柱向上传递,造成钻柱的疲劳破坏;再加上牙轮钻进时采用钻压高,钻柱在高压力作用下的振动进一步加剧钻柱的疲劳断裂。这可能是牙轮钻进比空气锤钻进钻具断裂频率高的原因之一。川东北某井∅316.5mm第2次开钻空气钻井中,对沙溪庙组615.00～1259.80m井段实施了空气钻井随钻监测,在某监测日14:00～16:00时间段内,共监测到两次气体浓度异常变化情况(图2)。

2.3.3 钻柱振动

钻柱振动是由于钻柱与井眼的接触以及钻头与地层的相互作用而引起的。可分为纵振、横振和扭转振动,钻进过程中3种振动往往是耦合在一起的,振动产生的高频交变应力与裂纹相互作用,降低材料韧性,加速裂纹扩展速率,导致裂纹尖端疲劳强度降低,造成钻柱的疲劳断裂。尤其当激振源激振频率与钻柱固有频率相当时,钻柱将产生共振现象。钻柱共振不仅降低了能量传递的效率,更严重的是导致钻柱内的交变应力和振幅大幅上升,加剧钻柱疲劳断裂。

普光12井发生多次钻柱断裂事件,正是因为所用转盘转速为75r/min,正好处于钻柱的共振转速带内,引起钻柱共振,加剧了钻柱的疲劳断裂,在地面也感觉到钻柱的大幅度振动。

2.3.4 钻具的使用管理

目前,普光气体钻井大都采用原来的钻井液钻井所用的钻具,虽然其材质分析符合API标准,但在钻井过程中,钻具断裂仍频繁发生,可见,钻井液钻井的钻具未必适合气体钻井的情况;而且,针对钻井液钻具的API标准也未必符合气体钻井钻具。另外,由于目前钻具探伤方式效率低或探伤不方便,不能保证入井钻具的质量,使钻具可能带伤工作,这些都可能导致钻具发生早期疲劳断裂。

3 结论与建议

1)普光气田气体钻井钻具断裂严重,以钻杆、钻铤断裂为主,且钻杆断落位置集中在钻杆管体与加厚部分的过渡带区域,钻铤断落位置主要集中在钻铤母扣处。

2)钻具断口规则,有明显贝壳纹络线,为典型疲劳断口特征,主要原因在于其工况条件及使用情况。

3)气体钻井特殊的循环介质、破岩方式以及钻进过程中钻柱的共振是导致钻具频繁断裂的主要原因之一,另外,目前还没有针对气体钻井的专用钻具,且钻具缺乏探伤,不能保证入井钻具的质量,这也是导致钻具发生早期疲劳断裂的原因。

4)研制适合气体钻井工况的专用钻具,制定符合气体钻井钻具的新的API标准。

5)开展牙轮钻井条件下,钻柱纵振对钻具疲劳断裂的量化影响,尤其应考虑不同钻压下钻柱纵振对钻具疲劳断裂的作用机理研究。

6)分析研究空气锤钻井条件,空气锤钻头断裂的原因,推广应用空气锤钻井技术。

[1]EASTMAN CHRISTENSEN S L.Development of air drilling motor holds promise for specialized directional drilling applications[C].SPE Annual Technical Conference and Exihibifion,6-9October1991,Dallas,Texas.

[2]NEGRAO A F,LAGE A C V M,CUNHUA J C.An overview of air/gas/foam drilling in Brazil[J].SPE Drilling &Completion,1999,14(2):109-114.

[3]张金成,位华,于文红.空气钻井技术在普光气田的应用[J].钻采工艺,2006,28(6):8-10.

[4]罗整,徐忠祥,李晓慧,等.空气锤钻井技术在气体钻井中的应用[J].钻采工艺,2007,30(6):9-11.

[5]孙继明,侯树刚,李铁成.空气钻井技术在普光D-1井的应用[J].石油钻探技术,2006,34(4):24-26.

[6]章扬烈.钻柱运动学与动力学[M].北京:石油工业出版社,2001.

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.019

Huang Zhiqiang,professor,was born in1968.He graduated in mechanical engineering from Southwest Petroleum Institute in1990. He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in research of oil and gas drilling and production equipments,percussion-rotary drilling technology&facilities,and surface engineering of equipments,etc.

Add:No.18,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan610500,P.R.China

Tel:+86-28-83032148 E-mail:huangzq@swpu.edu.cn

Mechanism analysis on drill-string fracture during gas drilling in the high-H2S Puguang gas field

Huang Zhiqiang1,Huang Jiliang1,Li Qin1,Song Jianing1,Yang Fengshen2,Xu Xiaorong3,Wei Wu4,Xu Qicong4
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan610500,China;2.B GP International,CN PC,Zhuozhou,Hebei072751,China;3.L uming Petroleum Development Co.,L td.,Sinopec S hengli Oilf ield Com pany,Dongying,S handong257000,China;4.CN PC Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,Chengdu,Sichuan610051,China)

Aiming at the frequent occurrence of drill-string fracture during gas drilling in the Puguang gas field,this paper,based on the statistical analysis of accidents on fields,makes in-depth investigation into the origins of drill-string accidents in aspects of peculiar drilling medium,different rock-breaking methods,and the vibration of drill string during the drilling process.Through macro, micro and material analysis of the fracture surface of drill string,the law of drill-string failure due to fracture is discovered and the fatigue fracture is found out to be the main type of drill-string fracture.Hereby,this paper suggests that special drilling tools should be studied and developed adaptable for the actual working conditions of gas drilling,a special API standard should be set up as the basis for selecting gas drilling tools,and a series of studies should be carried out,e.g.,in the roller-bit drilling,on the quantitative impact of longitudinal vibration of drill string,especially that under different drilling pressures,and on the fatigue fracture of drill string.This will provide theoretical reference for the prevention of drill-string fracture,the decrease of drilling cost,and the promotion of gas drilling technology.

Puguang gas field,deep well,ultradeep well,gas drilling,drill string fracture,fatigue fracture,mechanism

book=75,ebook=50

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.019

2009-10-30 编辑 钟水清)

中国石化应用基础研究项目“气体钻井钻具损坏规律及工艺参数优化研究”(编号:p07043)。

黄志强,1968年生,教授,博士;1990年毕业于原西南石油学院机械专业;从事石油天然气钻采装备和冲旋钻井装备及工艺和设备表面工程的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区西南石油大学设备处。电话:(028)83032148。E-mail: huangzq@swpu.edu.cn

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.75-77,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)