钻具断裂故障原因分析与处置技术

钻具断裂故障原因分析与处置技术

李亚军

中石化胜利石油工程有限公司管具技术服务中心，山东 东营 257000

摘要：结合某井钻井施工基本数据，对钻具断裂故障发生经过原因进行分析，并对断钻具故障进行处置并形成结论与建议。

关键词：断钻具故障；原因分析；处置技术

1基本数据

钻井施工参数：钻井参数:钻压60KN；转速：60；排量15L/S；泵压20MPa。

井身结构：一开：346.1mm×2003m+273.1mm×2002m；二开：250.88mm×6830m+193.7mm×6828.5m；三开：165.1mm×6854.53m

入井管串结构：61/2〞PDC钻头（U713M）+4 3/4〞扭冲工具+330*310双母+单流阀+43/4〞钻铤20根+接头（311*DS380）+4寸加重钻杆9根+4〞非标钻杆

泥浆性能：密度1.85g/cm3；粘度55s；塑粘26mPa.s；动切11Pa；坂含30Kg/m3；CL-21000；Ca2+400；API3.8ml；HTHP11.0ml；PH10；Vs28；Cs0.1

地层及岩性描述：地层岩性为6830（二开完钻井深）-6845m浅灰色蚀变凝灰岩，6845m为辉绿岩顶界，至井深6848.53m，进入辉绿岩9.53m。

2钻具故障发生经过与原因分析

2.1故障发生经过

该井于3月28日08:25 三开钻进至 6854.53m，08:36加完单根后下放至6848.5m遇阻，转动顶驱，扭矩由0KN•m↗16 KN•m，顶驱憋停，尝试三次未开后上提活动钻具，悬重由170t↗180t，未能提开，下放钻具，悬重由170t↘165t，未能放开，上下活动钻具5次后，转动顶驱，扭矩由0KN•m↗16 KN•m↘3 KN•m，08:52开始划眼，至16:00划眼至6850m，划眼过程中扭矩在4.5-6KN.M波动，变化较小，现场判断可能钻具出现问题，循环至17:00开始起钻，至3月29日08:00起钻完，发现扭冲工具根部断裂，现场确认井内断钻具。落鱼结构：165.1mmPDC(型号U713M)*0.21m+扭冲工具*0.58m。确定落鱼长度0.79m，鱼顶井深6848.5m。

2.2故障发生前后状况：

故障发生前的状况（主要指有无异常和违规、是否发现和及时预防等情况）：

钻进完上提接立柱，无违规操作。

故障发生后的状况（主要指组织、协调、处理情况）：立即启动故障处理预案，按要求向上级汇报，组织打捞工具。

2.3钻具断裂及本次钻具故障原因分析

钻具断裂原因：主要包括过载断裂，如钻杆卡死时钻杆在焊缝热影响区断裂；低应力脆化，在整个管柱失效中占相当大的比例。钻杆、钻铤和转移接头都发生过，如钻杆焊缝脆性断裂;钻铤和接头螺纹脆性断裂。这种断裂的原因是疲劳损伤。其显著特点是，突变前没有宏观前兆，一般措施手段检不出来，在不知不觉中造成灾害事故。因此，低应力脆性断裂是一种危险的断裂模式。应力腐蚀断裂，这是钻柱失效的一种常见形式。例如，当钻柱在含硫油气井中工作时，会发生硫化物应力腐蚀断裂。与腐蚀性介质(如盐酸、氯化物)接触的钻杆的应力腐蚀开裂。氢脆，当金属中含有过多的氢时，材料在拉应力的作用下会产生氢脆。实际上，硫化氢和盐酸引起的钻柱应力腐蚀断裂也是由氢的作用引起的。疲劳断裂:一般发生在钻杆接头、钻铤、传递接头螺纹的截面变化区域或表面损伤引起的应力集中区域。由于整个钻柱承受复杂的交变应力，应力集中可能出现在某些区域，如螺纹根部、焊缝和划痕。缺口根应力可以是平均应力的几倍或更多。这样，裂缝就会裂开，并迅速扩大，直至破裂。腐蚀疲劳断裂，占钻柱失效的40%，以钻杆为主。在钻杆失效中，腐蚀疲劳断裂约占80%。与普通疲劳断裂相似，裂纹一般出现在应力集中严重的部位，或以表面腐蚀坑为源头，引发和扩展裂纹。本次断裂的4 3/4〞扭冲工具首次尝试在6 1/2〞小井眼使用，其本体连接钻头端外径尺寸最大为140mm，长度24cm，工具和井眼的最小环空间隙仅为12.5mm,在接单根后上提下放遇阻，考虑为辉绿岩小掉块引起，在处理遇阻卡复杂时提拉旋转造成工具断裂。

本次钻具断裂主要原因：①从录井曲线分析，正常钻进扭矩保持在6KN.M，遇卡复杂处理期间最大扭矩为16KN.m，接近扭冲工具的推荐扭矩18KN.m，可能是造成扭冲工具公扣端根部的主要原因；②扭冲工具公扣为3 1/2REG(331扣型)，端面水眼50mm，根端壁厚为18mm，根部外径为86mm，比常规的331扣偏薄2.9mm,应是工具因组装受限存在的薄弱环节；③从故障解除后，下钻划眼返出掉块情况，有部分辉绿岩岩性掉块。

3故障处理方案与经过

3.1故障处理经过：母锥打捞、震击器解卡

第一趟打捞。3月30日16:00下打捞工具至6825m，循环处理泥浆一周，19:30开泵探鱼顶（排量6.9L/s，泵压6.5MPa）,鱼顶位置6848.5m不变，停泵下压2T，正转9圈，回4.5圈，上提钻具开泵（排量6.9L/s，泵压由6.5↗8.8MPa，造扣成功，高架槽返浆，建立循环），20:30上提钻具，悬重由170t↗200t，未能提开，正转40圈，扭矩由0KN.M↗22KN.M，释放扭矩，钻具回40圈，未能解卡，至3月31日02:00上下活动钻具，活动吨位200-140T。使用震击器震击，最大震击力35T，至03:00震击第68次时，钻具悬重由170t↗210t↘170t，解卡成功，开泵验证是否捞获落鱼（排量6.9L/s，泵压8.6MPa），现场判定捞获落鱼至19:00起钻完，发现无落鱼，第一次打捞失败。打捞钻具组合：母锥（MZ*NC35*95-140）+变扣接头+超级震击器（CS46）+43/4″钻铤3根+液力加速器（YJQ46）+43/4″钻铤3根+4″加重9根+4寸钻杆。

第二趟打捞。3月31日19:00组织第二次打捞工具，现场考虑第一趟打捞时上击以及强扭都未能解卡的情况下，本趟钻计划进行下击试图解卡，组织打捞工具为母锥配合随钻震击器进行打捞。4月1日02:00开始组合钻具下钻，16:30下钻到底-16:50循环-17:00开泵探鱼顶（排量6.9L/s，泵压7.2MPa）,鱼顶位置6848.5m不变，停泵下压2T，正转37圈，回31圈，上提钻具开泵（排量6.9L/s，泵压由7.2↗9.5MPa，造扣成功）-4月2日5:10上下活动钻具，活动吨位210-120T。使用震击器震击，最大震击力上击42T，下击28T，累计震击210次。钻具悬重由170t↗210t↘170t，开泵验证是否捞获落鱼（排量6.9L/s，泵压9.5↘7.3MPa）-6:00循环泥浆-20:30起钻完，成功捞获全部落鱼（见图3），故障解除。打捞钻具组合：母锥（MZ*NC38*100-130）+柔性短节+超级震击器（CS46）+4 3/4″钻铤6根+4″加重9根+4寸钻杆。

4故障损失情况

故障损失时间（总损失时间）：108.5小时，合4.52天。报废管材：扭力冲击器断裂一只（见图1、图2），母锥（MZ*NC35*95-140，MZ*NC38*100-130）两只。

图1扭矩冲力器图 图2扭力冲击器公扣断裂图

5结论与建议

鉴于扭冲工具与井眼环空间隙太小，且辉绿岩岩性硬度大，存在小掉块卡钻的风险，且打捞工具选择有限，发生故障后处理难度大，建议在钻井施工中6 1/2″井眼不再采用此工具。9 7/8″井眼使用扭冲工具应严格控制扭矩，使用顶驱的井设置合理的扭矩门限值。

参考文献：

[1]卜进晓. 几起钻井事故对钻具的损失及原因分析[J]. 商情,2020(48):188.

[2]张海宁. 浅析海上钻井施工钻具断落问题[J]. 工业A,2016,0(1):25.