钻杆加厚过渡区冲蚀失效分析及解决方法

刘贤文，马金山，王增良，魏立民，徐海潮，李连强

（1.渤海钻探钻井技术服务公司，天津300280；2.渤海石油装备 中成机械制造公司，天津300280）①

目前，石油钻柱因工作条件十分恶劣，使其成为钻井施工中的一个薄弱环节。2000年大港油田成功地推广应用了钻杆内涂层技术，使钻杆加厚过渡区刺漏现象大幅减少。但是，随着斜井、水平井及复杂地质环境条件下钻井增多，钻杆刺漏现象时有发生，有些钻杆甚至内涂层没有脱落也发生了刺漏现象，造成了很大的经济损失。通过现场调查发现，在水平井和斜井施工过程中，为了过滤钻井液中的杂质和异物，避免损伤定向仪器，在钻杆内螺纹端放置了管状多孔滤清器，导致此处钻杆加厚过渡区冲蚀失效屡次发生。钻杆冲蚀失效已经成为大港油田钻杆失效的主要类型之一。

1 钻杆冲蚀失效调查

1.1 大港油田

对2008—2011年大港油田钻杆刺漏失效统计后，发现4年来发生钻杆刺漏失效事故215起，严重的影响了钻井生产，也造成了较大的经济损失。因此，需要对钻杆冲蚀失效进行分析和研究，拿出可行的解决方法，解决钻杆刺漏失效问题，满足钻井提速、提效的需要。

切开钻杆刺漏部位并检查，发现在钻杆接头水眼至管体加厚部位范围内，有数十个直径约30mm的马蹄状深坑，在内加厚过渡区至管体段150mm范围内也有数个较浅的坑。这些坑大都集中在距内螺纹接头密封端面170～320mm，圆周方向整齐排列成8排，间距近似相等，马蹄形坑最大深度达6.4 mm，如图1。

图1 钻杆在安放滤清器部位的冲蚀坑（大港油田）

1.2 冀东油田

冀东油田某井，设计井深5 218m，造斜点320 m，斜度68°。在钻井过程中，自2010－05—10以来陆续发生15根139.7mm钻杆管体刺漏事故。

1） 139.7mm钻杆刺漏统计（如表1）。

表1 冀东油田某井139.7mm钻杆刺漏统计

2） 刺漏的139.7mm钻杆全部是钢级为G105的钻杆，刺漏处位于内螺纹接头端部0.5～0.8m位置。

3） 15起139.7mm钻杆刺漏中，有14起是位于339.7mm（13英寸）技术套管内（技术套管设计井深1 880m），其中有5起是发生在造斜段内，9起是发生在稳斜段内。

针对出现的钻杆刺漏问题，从15根刺漏的钻杆中随机挑选出4根，有2根外观状况较好，2根外观有卡瓦咬痕，进行了切头、解剖检查。

1） 2根外观较好的钻杆，切头后在刺漏部位或附近均发现有钻杆滤清器冲蚀坑（如图2）。

2） 另外2根外观有咬痕的钻杆，在咬痕较深部位发生了刺漏现象（如图3）。

图2 钻杆刺漏形貌（冀东油田）

图3 卡瓦咬伤钻杆处刺漏形貌（冀东油田）

2 钻杆冲蚀原因分析

2.1 滤清器造成钻杆冲蚀

近年来，随着油田勘探开发力度的不断加大，大位移井、定向井数量不断增加。据统计水平井和斜井占到年钻井总数的85%。为了满足钻井工艺的需要，在水平井和斜井中使用了随钻测量仪、随钻测井仪（MDW、LDW）。为了防止这些仪器被泥浆中异物（如水龙带掉下橡胶、块状杂物等）卡住，在钻杆内螺纹端放置了滤清器。其长度为500、800、1 000 mm，正好覆盖钻杆加厚过度区。

滤清器是外径为80mm的圆柱形管子，其上共钻有33圈小孔，纵向孔距30mm，每圈均布8个孔，共计264个孔，孔径8mm，如图4。

图4 钻杆滤清器

钻杆冲蚀失效的主要特征是含有固体粒子的高压钻井液以高速沿一定方向冲击钻杆加厚过渡区内表面，造成金属的流失。最常见的是钻杆内加厚过渡带区表面的冲蚀坑、冲蚀孔洞及螺纹连接部位冲蚀造成的螺纹及密封面损伤（如图5）。

图5 滤清器造成钻杆早期冲蚀形貌

当钻杆内装入滤清器后，钻井液的流动方向突然发生变化，由与钻杆内壁平行变为直接射向钻杆内壁，滤清器水眼中喷出的钻井液高速射向钻杆内壁，这种射流冲蚀相当于钻井工程的“喷射钻井”，而在材料科学中，这种破坏形态叫“冲蚀”。它造成内涂层剥落，腐蚀进一步加剧。由于钻井液多次冲击作用，形成圆形冲蚀坑内存在一凸起，其原因是射流中心存在滞留点，流速较低。随着坑逐渐加深，管柱内钻井液流动方向变化，凸起逐渐上移，坑的下游边缘逐渐平坦，形成马蹄形的坑。钻杆被腐蚀后产生裂纹，在使用过程中裂纹逐渐扩展，冲蚀坑在交变应力和腐蚀的联合作用下发生疲劳断裂及刺漏。

2.2 其他危害

1） 使钻井液循环装置（如钻井泵等）的磨损加快，缸套、活塞、阀体、阀座等更换频率加快。

2） 深井、超深井、大位移井钻井时间长，滤清器对钻杆的冲蚀更加严重，钻具刺漏事故增多。

3） 由于钻井液流动方向改变而直接冲蚀钻杆，消耗动能，降低钻井功率，对于钻井的速度产生了影响。

4） 给钻具管理带来困难，每次接钻杆时都应清理除沙，同时把滤清器拿出放到下个钻杆内，但是井队有时忘掉，滤清器随着钻杆下井造成事故隐患。

3 钻杆冲蚀的解决方法

3.1 新型防保接头

针对钻杆刺穿本体现象不断发生，通过反复研究和试验，决定在方钻杆下部的新型防保接头内放置滤清器，选用转换接头外径为165mm、内径为82.6mm、长度为1 200mm（如图6）。新型防保接头的壁厚是41.2mm，比钻杆的壁厚9.19mm大4倍多，同时油田规定方钻杆防保接头旋转时间达到500h，应强制更换，避免防保接头本体发生断裂事故。

图6 新型防保接头

3.2 锥形滤清器

通过对现有的滤清器进行分析，研制出锥形滤清器，并对滤清器大端加长80mm（如图7），使得滤清器无法在钻杆内使用，只能在与之配套的新型防保接头内使用。同时，由于滤清器呈锥形，使泥浆流动方向发生变化，由垂直射向钻柱内壁变为呈一定角度射向钻柱内壁，减轻了泥浆对防保接头内壁的冲蚀。

特点：

1） 锥形滤清器配有加长接头，只能配对使用，而不能把锥型滤清器放置在钻杆里使用，满足了定向钻井时过滤钻井液要求。

2） 采用锥形过滤筒，增加了环空容积，有利于防止泵压增高，有利于提高钻井水力参数。

3） 采用不锈钢加工本体，并对内外表面进行喷砂处理，提高可靠性，延长了使用寿命。

图7 锥形滤清器

3.3 顶驱钻机滤清短接

由于顶驱使用的是上部驱动（3根钻杆一个立柱），在钻杆内放置滤清器，它对钻杆加厚过渡区的冲蚀时间长，造成钻杆的加厚过渡区损害更严重。尤其是新钻具在70型顶驱钻机上应用，钻杆刺漏严重影响了工程进度和井底钻柱安全。因钻杆刺漏而频繁起下钻，不仅浪费了人力、物力，耽误正常生产，更为严重的是如果刺漏后断裂导致下部钻具落井，造成重大损失，甚至使该井报废。

经过到钻井队进行现场调研后，由于顶驱接头的长度只有350mm，常用的滤清器的长度为550 mm，使得滤清器无法放在顶驱接头内。通过研究及分析，可以在水龙带与水龙头之间加上一个短节，该短接采用提升短管作为加工材料，并用101.6 mm（4英寸）由壬作为连接件（如图8）。这样就可以把在滤清器放置在短接内，过滤钻井液，满足了在水平井和斜井中使用了随钻测量仪、随钻测井仪（MDW、LDW）的需要，防止了滤清器对钻杆加厚过渡区的冲蚀。

图8 顶驱滤清短节安装位置

4 结论

1） 将滤清器由原来的直筒形改成锥形，使得钻井液流动方向发生变化，由垂直射向钻柱内壁变为呈一定角度射向钻柱内壁，提高了钻井液的水力效率，也减轻了钻井液对钻柱内壁的冲蚀。

2） 根据滤清器结构加工与之配套的接头，彻底避免对钻杆的冲蚀破坏。接头长度1.22m，壁厚为41.25mm，远大于钻杆的壁厚9.19mm，可以抵抗钻井液的冲蚀。

3） 将滤清器顶端加长80mm，使其不能在钻杆中使用，避免滤清器随钻杆下井的事故发生。

4） 在水龙带与水龙头之间连接的短节放置滤清器，解决了顶驱型钻机无法放置滤清器的问题，防止了钻杆加厚过渡区刺漏失效。

5） 新型滤清器装置在大港油田推广应用，钻杆刺漏情况明显减少，提高了钻具的使用寿命，减少了起下钻作业次数，满足了钻井提速、提效的需要。

［1］李鹤林，李平全，冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防［M］.北京：石油工业出版社，1999.

［2］邝献任，胡芳婷，王新虎.一例127mm×9.19mm钻杆刺穿失效分析［J］.石油矿场机械，2005，34（3）：62－64.

［3］汪丽君，彭成勇，张迎进.钻杆内加厚过渡区参数优化［J］.石油矿场机械，2006，35（6）：79－80.

［4］刘永刚，林 凯，胡安智，等.复杂深井钻柱安全研究［J］.石油矿场机械，2008，37（1）：17－20.

［5］余世杰，袁鹏斌，龚丹梅，等.S135钻杆刺漏原因分析［C］／／2011年全国失效分析学术会议论文集，2011.