制約勘探開發(fā)效益的鉆柱技術(shù)因素

制約勘探開發(fā)效益的鉆桿技術(shù)因素和管理體制探討

1前言（1）我國目前在山前構(gòu)造帶和復(fù)雜地區(qū)深井鉆井速度和處理井下復(fù)雜事故在一定程度上受鉆桿技術(shù)水平的制約，提高鉆速要靠強化鉆井技術(shù)措施，但強化鉆井措施將導(dǎo)致鉆柱事故。本文提出了解決這一問題的戰(zhàn)略措施是：

規(guī)劃和采用57/8”特殊扣鉆桿，用于鉆26”至81/2”的井眼，這在國外己是成熟技術(shù)，國內(nèi)在南海鉆井中己成功使用過。

內(nèi)加厚過渡帶刺穿仍是鉆桿失效的主要形式，解決這一問題的關(guān)鍵是設(shè)計新結(jié)構(gòu)內(nèi)加厚過渡帶。但涉及到非API標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可問題。

2前言提高鉆桿質(zhì)量的另一問題是鋼材機械性質(zhì)指標(biāo)和有害元素含量控制。在機械性質(zhì)指標(biāo)中，應(yīng)盡量降低材料性能的各向異性，特別是縱向和橫向沖擊韌性相差較大的現(xiàn)象。大量失效試件分析表明，縱向的夏比沖擊功值都遠(yuǎn)高于API標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)，但橫向夏比沖擊功值很低，后者未列入檢驗標(biāo)準(zhǔn)。制定高于API和國標(biāo)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在國際上是通行的作法。

3前言（2）討論了在深井6”井眼中用4”無摩擦焊整體接頭鉆桿替代31/2”鉆桿提高鉆井效益，這在國外也是成熟技術(shù)。（3）針對低效氣田開發(fā)提出了小井眼套管鉆井的管柱結(jié)構(gòu)，預(yù)計鉆井成本降低30%。這可能是今后大量低效氣田開發(fā)需要發(fā)展的重要技術(shù)。

42.15”系列鉆桿不適應(yīng)強化鉆井技術(shù)

我國準(zhǔn)噶爾南沿山前構(gòu)造帶、天山南山前構(gòu)造帶及南方海相地層地區(qū)深井上部井段鉆速低，這己引起普遍關(guān)注。特別是天山南北山前構(gòu)造帶上部大井徑段還普遍存在巨厚礫石層，導(dǎo)致扭矩大和鉆具振動嚴(yán)重。5”系列鉆桿不適應(yīng)強化鉆井（強化鉆井主要指高轉(zhuǎn)速、高泵壓和高鉆壓下進(jìn)行鉆井作業(yè)），表現(xiàn)在：52.15”系列鉆桿不適應(yīng)強化鉆井技術(shù)

在大鉆壓下，扭矩將大幅度增加，導(dǎo)致斷扣、脹扣和刺扣頻繁發(fā)生，在大井眼中表現(xiàn)得十分突出。曾經(jīng)出現(xiàn)過一套新鉆桿鉆完1500m171/2”井眼后就需修扣或降級使用的情況。高轉(zhuǎn)速損壞鉆具嚴(yán)重。目前PDC鉆頭要求150--200轉(zhuǎn)/分以上轉(zhuǎn)速。引進(jìn)的高轉(zhuǎn)速牙輪鉆頭，國產(chǎn)高轉(zhuǎn)速牙輪鉆頭等可適應(yīng)120-180轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速，但大部分情況下轉(zhuǎn)速只能開到60-80轉(zhuǎn)/分，深井小井眼只能開到40-60轉(zhuǎn)/分。高轉(zhuǎn)速的鉆柱損壞嚴(yán)重制約機械鉆速提高。國外在中上部井段轉(zhuǎn)速普遍高于120轉(zhuǎn)/分。

在高泵壓下鉆速可顯著提高，并可改善井眼凈化和減少起下鉆阻卡。但是高泵壓下鉆桿螺紋刺扣和加厚過渡帶刺漏嚴(yán)重。目前由于泵壓多在15MPa左右工作，少數(shù)達(dá)到20MPa，能在25MPa連續(xù)工作的更少。5”鉆桿內(nèi)水眼水力損失大，限制了在深部井段或重泥槳時井底動力鉆具的使用。

62.15”系列鉆桿不適應(yīng)強化鉆井技術(shù)

在復(fù)雜地層深井中，卡鉆幾乎不可避免。5”鉆桿在處理卡鉆時的扭轉(zhuǎn)和軸向拉壓極限載有限，常常因不能果斷處理使事故或井下復(fù)雜惡化。綜上所述，目前犧牲鉆速保鉆桿的問題制約鉆速提高，并帶有普遍性。適應(yīng)強化鉆井的鉆桿肯定會得到市場的認(rèn)可，價格可能就是一個次要問題。

72.2鉆柱不適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的現(xiàn)場實例

鉆桿刺漏統(tǒng)計資料，高轉(zhuǎn)速是導(dǎo)致鉆柱刺漏的主要操作因素。由于鉆桿的刺漏失效，給塔指油田造成了較大的經(jīng)濟損失。表1和表2列舉了典型的鉆桿刺穿與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性。

82.2鉆柱不適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的現(xiàn)場實例

表1xxx(高轉(zhuǎn)速)與xxxxx(較高轉(zhuǎn)速)刺穿比較(相鄰井)

井號次號刺孔尺寸mm×mm鉆井參數(shù)鉆具規(guī)格鉆壓(噸)轉(zhuǎn)速(r/min)泵壓(MPa)xxx160×10814019一級鉆桿(相同區(qū)塊)235×56-814019360×56-814020450×56-814020530×56-814019625×58-1214019740×151013019890×108-1013019.5930×108-10130191025×58-1013020116×68-1013020125×58-1013020xxxxx

無刺漏4-6902092.2鉆柱不適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的現(xiàn)場實例

表2aaa與aaaaa鉆桿刺穿比較(相鄰井)

井號次號刺孔尺寸mm×mm鉆井參數(shù)鉆具規(guī)格鉆壓(噸)轉(zhuǎn)速(r/min)泵壓(MPa)aaa170×84-612015同樣臺架鉆桿。同樣地質(zhì)因素。轉(zhuǎn)速降到80RPM后不再刺穿。220×74-612018.5330×104-612018420×104-6120-14018.553010614018715×10614018820×5612018920×54-614018aaaaa

無刺漏4-680-9018102.2鉆柱不適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的現(xiàn)場實例

API失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計及揭示的問題包括：確定API5D規(guī)定的內(nèi)錐面長度與刺穿、斷事故率的相關(guān)性。

證實鉆桿過早破壞及發(fā)生的原因。

112.2鉆柱不適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的現(xiàn)場實例

失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計及揭示的問題包括：1785例失效中的84%發(fā)生在加厚過渡帶加厚過渡帶指加厚段、錐面、一段非加厚本體，從接頭起約1.5m內(nèi)。由于只有剖開才能測加厚過渡帶，84%的失效說明不了與內(nèi)加厚尺寸的相關(guān)性。只有16%剖開檢查。剖面軌道儀檢測說明不了問題。很難測量加厚過渡帶起點和終點。熱鐓粗過程造成內(nèi)加厚尺寸剖面隨機性，應(yīng)力集中也有隨機性，失效位置隨機性。內(nèi)加厚熱擠壓精度難保證，金屬流變性及流動與溫度、熱擠時強度、熱金屬流等有關(guān)。

122.2鉆柱不適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的現(xiàn)場實例

圖1鉆桿失效位置統(tǒng)計

13加厚過渡帶刺穿3鉆柱失效案例失效規(guī)律14鉆柱失效案例失效規(guī)律加厚過渡帶刺穿15鉆柱失效案例失效規(guī)律加厚過渡帶刺穿16鉆柱失效案例失效率高1718載荷性質(zhì)與熱軋鋼管機械性質(zhì)各向異性大部分的鉆柱失效屬應(yīng)力疲勞或應(yīng)力腐蝕疲勞。但是目前的API標(biāo)準(zhǔn)或國標(biāo)中的鋼材性能指標(biāo)體系和指標(biāo)值并不能全面的表征應(yīng)力疲勞或應(yīng)力腐蝕疲勞抗力.一個值得關(guān)注的問題是，與疲勞失效直接相關(guān)的是縱向和橫向沖擊韌性值差異。API和國標(biāo)規(guī)定了縱向取樣的夏比沖擊功值，對橫問沖擊功值未作規(guī)定。如果鉆桿只承受確定的軸向拉壓或拉壓交變載荷，那么只規(guī)定縱向沖擊功是合理的，即縱向沖擊功反映了力與裂紋平面相垂直時，材料抵抗裂紋延伸的能力。但是鉆桿或下部組合受力的性質(zhì)和裂紋取向之間的組合關(guān)系復(fù)雜，僅用縱向沖擊功不能全面表征材料的應(yīng)力疲勞抗力?，F(xiàn)在的問題是不宜追求過高的縱向沖擊功值，但是要減小橫向沖擊功與縱向沖擊功的差，即降低材料性質(zhì)各向異性。19加厚過渡帶刺穿的鉆柱運動學(xué)、動力學(xué)和材料動態(tài)斷裂力學(xué)

在研究鉆桿刺穿過程中發(fā)現(xiàn)了一個十分重要的現(xiàn)象，高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致鉆桿刺穿主要發(fā)生在95/8”技術(shù)套管內(nèi)。實際上在南方海相硬地層中，高轉(zhuǎn)速引起鉆桿刺穿等損環(huán)問題也比較嚴(yán)重。這一問題與鉆桿在套管內(nèi)或硬地層井眼內(nèi)剛性井壁的碰撞運動有關(guān)，同時碰撞狀態(tài)下材料的失效涉及材料動態(tài)斷裂特性和動態(tài)止裂理論。引用現(xiàn)代斷裂力學(xué)的研究成果可以得到以下認(rèn)識：20加厚過渡帶刺穿的鉆柱運動學(xué)、動力學(xué)和材料動態(tài)斷裂力學(xué)

對材料研究較多，其成果已列入鉆柱材料設(shè)計準(zhǔn)則的是用夏比沖擊功表示材料的止裂韌性。當(dāng)夏比沖擊功大于54焦?fàn)枙r，就可實現(xiàn)“washoutbeforebreak”(即“刺而不斷”)準(zhǔn)則。這一理論己為大量實踐證明，并被廣泛接受。從表1看出加厚帶刺穿橫向?qū)挾冗_(dá)90mm也設(shè)有斷裂。因此54焦?fàn)柕呐袚?jù)可防止斷裂，但不能防止刺穿。21材料動態(tài)斷裂理論帶有裂紋的鉆桿在碰撞工況下，慣性作用及應(yīng)力波對裂紋的快速傳播起主導(dǎo)作用。在碰撞作用下，材料的塑性、靜態(tài)斷裂韌性降低，即抗斷裂阻力降低，或裂紋易起始擴展。因此按前述靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)斷裂和止裂研究結(jié)論不能防止鉆桿在高速旋轉(zhuǎn)下與剛性井壁碰撞造成的高應(yīng)力集中處刺穿或斷裂。事實上很多刺穿鉆桿的鋼材檢測夏比沖擊功己高達(dá)90焦?fàn)栆陨稀?2綜合措施解決動態(tài)斷問題在鉆桿接頭上裝非旋轉(zhuǎn)保護器、彈性結(jié)構(gòu)保護套既有利保護套管，又可降低碰撞和保護鉆桿，但成本增加。改進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)，最好不要有內(nèi)加厚過渡帶，或把應(yīng)力集中點從內(nèi)加厚消失點轉(zhuǎn)移到其它位置。但這又涉及到非API標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)可問題。塔指、西南石油學(xué)院和寶鋼正在聯(lián)合解決這一問題。23

防止刺穿的研究進(jìn)展

在鉆桿接頭上裝非旋轉(zhuǎn)保護器、彈性結(jié)構(gòu)保護套既有利保護套管，又可降低碰撞和保護鉆桿，但成本增加。改進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)，最好不要有內(nèi)加厚過渡帶，或把應(yīng)力集中點從內(nèi)加厚消失點轉(zhuǎn)移到其它位置。但這又涉及到非API標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)可問題。塔指、西南石油學(xué)院和寶鋼正在聯(lián)合解決這一問題。(3)提高鋼材純凈度、降低鋼材有害元素含量(3)應(yīng)用有限元方法研究內(nèi)加厚過渡帶內(nèi)錐面長度和園角半徑與應(yīng)力集中和應(yīng)力水平的相關(guān)性。研究結(jié)論為：應(yīng)力集中系數(shù)降低20%，壽命可提高一倍。增加內(nèi)錐面長度可降低應(yīng)力集中和應(yīng)力水平，但降低值有限。園角半徑對應(yīng)力集中和應(yīng)力水平的影響十分顯著，但由于受壁厚限制，增大到兩個園弧相切，實際上已變?yōu)榍?，錐面已不存在。2425

制定高于API標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和積極采用非API標(biāo)準(zhǔn)

API標(biāo)準(zhǔn)是用戶與廠家相互妥協(xié)的產(chǎn)物，它是一個最低標(biāo)準(zhǔn)。目前國標(biāo)基本是參照API標(biāo)準(zhǔn)制定的。但是隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，幾乎所有國外鋼管公司都制定和采用了比API標(biāo)準(zhǔn)更高的技術(shù)條件。盡管他們公布的和訂貨技術(shù)條件仍然以API標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，但他們內(nèi)控的指標(biāo)體系比API標(biāo)準(zhǔn)要高得多。大量鉆柱失效分析表明，按API或國標(biāo)規(guī)定的指標(biāo)體系或指標(biāo)值，鋼材性能是合格的，即責(zé)任不在廠家。鉆柱失效造成的經(jīng)濟損失基本只能由油田單位承擔(dān)。因此油田單位與工廠合作，制定自己的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工廠制定更高的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能提高質(zhì)量和水平。26扶正器，配合接頭、震擊器

結(jié)構(gòu)和材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)低

扶正器，配合接頭、震擊器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)低，造成井下斷落事故。下部鉆柱仍是低標(biāo)準(zhǔn)的選用和管理。27最小沖擊功標(biāo)準(zhǔn)太低現(xiàn)行國標(biāo)中最小沖擊功為20℃，平均54焦耳，最小47焦耳的標(biāo)準(zhǔn)太低。沒有規(guī)定橫向最小沖擊功。建議部分控制指標(biāo)∶屈服強度∶125—140Ksi。必需控制區(qū)間，上限太大，而沖擊韌性又不相應(yīng)提高，對疲勞應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕會更敏感。夏比沖擊功∶縱向大于70焦耳，橫向大于55焦耳晶粒度∶大于9級28配合接頭長度

配合接頭長度對螺紋應(yīng)力值有一定影響，短配合接頭螺紋應(yīng)力值高于長配合接頭。國標(biāo)SY5200-93規(guī)定可用兩類長度的接頭，即短型和長型。此規(guī)定對深井、大井眼欠妥。宜只采用長型。即：

A型兩端同徑：0.915m，B型兩端異徑：1.22mB型配合接頭大小端長度分配∶國標(biāo)SY5200-93中規(guī)定大小端各二分之一長度。欠妥，應(yīng)改為大端1/3總長，小端2/3長度總長。增長小端長度有利于降低小端應(yīng)力集中和減少失效。29扶正器長度鉆柱型∶國標(biāo)短型∶1.3—1.5m。宜加長為2.2—2.5m。兩端車扣處特殊材質(zhì)要求。結(jié)構(gòu)參數(shù)30鉆柱靜力學(xué)分析31鐘擺鉆具有限元計算結(jié)果鐘擺鉆具彎矩和彎曲應(yīng)力圖32穩(wěn)斜鉆具有限元計算結(jié)果穩(wěn)斜鉆具彎矩和彎曲應(yīng)力圖33增斜鉆具有限元計算結(jié)果增斜鉆具彎矩和彎曲應(yīng)力圖34鉆柱動力學(xué)（1）鉆柱動力學(xué)分類及其控制技術(shù)（2）下部鉆柱有限元分析（3）非線性動力學(xué)分析（4）減振和振動解耦的動力學(xué)研究35鉆柱振動分類自由振動：彈性系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，若外界激勵不再作用于系統(tǒng)所發(fā)生的振動強迫振動：被外界激勵控制的振動自激振動：系統(tǒng)本身與外界相互作用，自動激發(fā)的振動參數(shù)振動：隨機或周期地改變系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，由參數(shù)激勵引起的振動36下部鉆具運動學(xué)分析下部鉆具組合的運動方程［Ｍ］—系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣［Ｃ］—系統(tǒng)的阻尼矩陣［Ｋ］—系統(tǒng)的剛度矩陣｛δ(t)｝—系統(tǒng)的節(jié)點位移列陣—系統(tǒng)的節(jié)點廣義速度—系統(tǒng)的節(jié)點廣義加速度｛Ｒ｝—系統(tǒng)的等效節(jié)點載荷37下部鉆具運動學(xué)計算結(jié)果滿眼鉆具組合運動軌跡圖（鉆壓：200KN，轉(zhuǎn)速：60rpm，扶正器間隙：6mm）38下部鉆具運動學(xué)計算結(jié)果增斜鉆具組合運動軌跡圖（鉆壓：200KN，轉(zhuǎn)速：90rpm，扶正器間隙：6mm）39下部鉆具運動學(xué)計算結(jié)果穩(wěn)斜鉆具組合運動軌跡圖（鉆壓：200KN，轉(zhuǎn)速：60rpm，扶正器間隙：6mm）40下部鉆具運動學(xué)計算結(jié)果降斜鉆具組合運動軌跡圖（鉆壓：200KN，轉(zhuǎn)速：60rpm，扶正器間隙：6mm）41非線形鉆柱動力學(xué)分析非線形動力學(xué)方程該方程與線形動力學(xué)鉆柱方程一樣，只是剛度矩陣、阻尼矩陣和外力包括非線形項，求解方法也有所不同。42井鉆具組合和井眼尺寸171/2″(442.5mm)井眼，雙扶正器鐘擺鉆具鉆壓：8-12噸，轉(zhuǎn)速：50-60rpm，鉆頭：171/2″J22三牙輪鉆頭，泥漿密度1.15g/cm3直井鉆進(jìn)至井深876.08米時，1#扶正器(距鉆頭18.8m)公扣斷。43井非線形鉆柱動力學(xué)計算結(jié)果轉(zhuǎn)速（頻率）與最大相對位移關(guān)系圖轉(zhuǎn)速（頻率）與最大相對彎曲應(yīng)力關(guān)系圖44井非線形鉆柱動力學(xué)計算結(jié)果轉(zhuǎn)速（頻率）與最大相對彎矩關(guān)系圖轉(zhuǎn)速（頻率）與最大相對復(fù)合應(yīng)力關(guān)系圖45井非線形鉆柱動力學(xué)計算結(jié)果轉(zhuǎn)速為50、100和158rpm時出現(xiàn)較強烈的動力響應(yīng)，說明在實際操作中應(yīng)避開這些臨界轉(zhuǎn)速。該井的實際轉(zhuǎn)速比較接近50rpm，因此造成鉆具共振，導(dǎo)致1#扶正器公扣斷。46井非線形鉆柱動力學(xué)計算結(jié)果臨界轉(zhuǎn)速為50rpm時的相對位移臨界轉(zhuǎn)速為50rpm時的相對彎曲應(yīng)力47井非線形鉆柱動力學(xué)計算結(jié)果臨界轉(zhuǎn)速為50rpm時的相對橫向彎矩臨界轉(zhuǎn)速為50rpm時的相對復(fù)合應(yīng)力48井非線形鉆柱動力學(xué)計算結(jié)果在鉆頭與1#扶正器之間的鉆鋌聯(lián)接處，1#扶正器公扣處和2#扶正器公扣部位以及2#扶正器后等4個位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值，是容易失效的位置。這與第一章的實際統(tǒng)計規(guī)律相符。大井眼鐘擺鉆具鉆鋌跨距長，井眼間隙大，過大的不平衡力導(dǎo)致強烈的橫向彎曲振動，在橫向位移較小的地方對應(yīng)著較大的彎曲應(yīng)力和彎距，因而橫向彎曲振動是鐘擺鉆具失效的主要原因。在整個鉆柱中，下部鉆具組合的動力響應(yīng)明顯比鉆鋌至井口部分的鉆柱強烈，因此下部鉆具組合更易發(fā)生失效。49減振和振動解耦的研究意義為了減輕鉆柱縱振、橫振、扭振、沖擊對下部鉆具組合的損壞，須設(shè)計減振工具，并改進(jìn)下部鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計；針對振動耦合，研究振動解耦技術(shù)，設(shè)計合理的下部鉆具組合，逐漸實現(xiàn)強化鉆井措施，提高機械鉆速。50水力加壓器原理

水力加壓器原理是靠鉆頭噴嘴壓降或井底動力鉆具與噴嘴的壓降之和作用在活塞上產(chǎn)生鉆壓。設(shè)活塞面積為S，壓降為△P，則產(chǎn)生的鉆壓為

WOB=S

△P根據(jù)鉆井需要，已經(jīng)研制出系列的單行程和雙行程水力加壓器51單行程水力加壓器所有活塞的行程都一樣，流量和噴嘴參數(shù)設(shè)定后，其鉆壓不能更改。1——上接頭；2——上噴嘴；3——變流元件；4——一級活塞；

5——副缸體；6——二級活塞；7——主缸體；8——六方鉆桿。單行程水力加壓器結(jié)構(gòu)示意圖52雙行程水力加壓器結(jié)構(gòu)、原理與單行程水力加壓器相同，只是活