钻井事故与复杂问题2第二章 钻具断落事故.docx
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钻井事故与复杂问题2第二章钻具断落事故
第二章钻具断落事故
钻具断落是钻井过程中经常碰到的事故。
有的情况比较简单,处理起来比较容易,往往会一次成功。
有的处理起来就比较麻烦,因为钻具断落之后,往往伴随着卡钻事故的发生。
如果处理不慎,还会带来新的事故。
如果造成事故摞事故的局面,那就很难收拾了。
因此我们必须慎重的研究这个问题。
第一节钻具事故发生的原因
造成钻具断落事故的原因不外乎疲劳破坏、腐蚀破坏、机械破坏及事故破坏,但它们之间不是独立存在的，往往是互相关联互相促进的,但就某一具体事故来说,可能是一种或一种以上的原因造成的。
一.疲劳破坏:
这是钢材破坏的最基本最主要的形式。
金属在足够大的交变应力作用下,会在局部区域产生热能,使金属结构的聚合力降低,形成微观裂纹,这些微裂纹又沿着晶体平面滑动发展,逐渐连通成可见的裂纹。
一般来说,裂纹的方向与应力的方向垂直,故钻具疲劳破坏的断面是圆周方向的。
形成疲劳破坏的原因有:
1.钻具在长期工作中承受拉伸、压缩、弯曲、剪切等复杂应力,而且在某些区域还产生频繁的交变应力,如正常钻进中中和点附近的钻具、处理卡钻事故时的自由段钻具以及在弯曲井眼中运转的钻具,当这种应力达到足够的强度和足够的交变次数时,便产生疲劳破坏。
2.临界转速引起的振动破坏:
钻柱旋转速度达到临界转速时,会使钻具产生振动,有纵向振动和横向摆动两种形式,同时在一定的井深这两种形式的振动还会重合在一起,这种振动会使钻具承受交变应力,促使钻具过早地疲劳。
各种钢质钻杆的临界转速及两种振动重合时的井深列于表2-1,作为参考。
表2-1钢质钻杆的临界转速及两种振动重合时的井深
钻杆直径,mm
60.3
73.0
88.9
101.6
114.3
127.0
139.7
转盘转速,r/min
110
130
160
185
210
235
260
两种振动重合时的井深,m
701
597
488
424
366
305
299
2865
2438
2012
1707
1524
1372
1219
6400
5486
4511
3871
3414
3048
2743
9754
7925
6705
6005
5334
4846
3.钻进时的跳钻、别钻,既使钻具产生纵向振动,又使钻具产生横向振动,对受压部分的钻具破坏极为严重,所以在砾石层中钻进,最容易发生钻铤事故。
4.钻具在弯曲的井眼中转动,必然以自身的轴线为中心进行旋转,这部分钻杆靠井壁的一边受压力,离井壁的一边受拉力,每旋转一圈,拉、压应力交变一次,如此形成频繁的交变应力,促使钻具早期破坏。
5.天车、转盘、井口不在一条中心上,转盘本身形成了一个拐点,井口附近的钻具就好像在弯曲井眼中转动一样,产生了交变应力。
6.将弯钻杆接入钻柱中间,弯钻杆本身和与其上下相连接的钻杆都要产生弯曲应力。
如这段钻具和狗腿井段相遇时,所产生的交变应力将是相当大的。
二.腐蚀破坏:
钻具在恶劣的环境中储存或工作,都会产生腐蚀,这是钻具提前损坏的普遍原因。
有时几种腐蚀会同时发生,但是总是以某一种腐蚀形式为主要破坏原因。
由于腐蚀使管壁变薄,表面产生凹痕,甚至使钢材变质,降低了钢材的使用价值和使用寿命。
造成钢材腐蚀的因素有:
1.氧气的腐蚀:
氧气可以说是无处不在,它存在于空气中,也存在于水中和钻井液中,钻具无论存放或使用,都要接触氧气,它是最常见的腐蚀剂。
在很低的浓度（<1ppm）下,就能产生严重的腐蚀。
如果水中含有二氧化碳或硫化氢时,其腐蚀性急剧增加。
氧的腐蚀机理可写成
阳极反应Fe→Fe+2＋2e
阴极反应O2+2H2O+4e→4OH-
4Fe+6H2O+3O2→4Fe（OH）3↓
由以上反应式可以看出,铁在阳极释放电子,生成二价铁离子,氧在阴极接受电子与水反应生成氢氧离子,以后二价铁离子被氧化成三价铁离子（即又被氧夺去一个电子）与氢氧离子反应生成氢氧化铁,从溶液中沉淀出来,这就是经常可以看到的铁锈。
氧的浓度越大,反应越快,腐蚀就越历害。
氧的腐蚀首先是坑蚀,然后由点到面发展,覆盖整个钻具表面。
2.二氧化碳的腐蚀:
二氧化碳可能由地层产生,也可能由钻井液处理剂的分解而产生。
二氧化碳与水反应后形成一种弱酸即碳酸,也会在钻具表面造成蚀疤。
它的反应式如下:
CO2+H2O→H2CO3
如果钻井液中或水中溶有重碳酸盐,在较低的pH值下,碳酸氢根与氢离子结合也可生成碳酸.它的反应式如下:
HCO3+H+→H2CO3
如果溶液的pH值较高,没有过多的氢离子参与碳酸氢根的反应,则不会生成碳酸,腐蚀性就会降低。
3.硫化氢的腐蚀:
硫化氢主要由地层产生,但也可以由含硫有机处理剂的热分解而产生。
硫化氢溶解于水形成一种弱酸,对钻具有腐蚀作用。
但它的主要作用不在于腐蚀,而在于使钢材发生氢脆破坏。
氢原子有个特性,在有硫化物的环境中以原子形式存在,在其它的环境中以分子形式存在。
氢原子是所有原子中最小的原子,它能渗入钢材或其它金属材料并扩散到材料内部,而且最容易集中到材料受力最大的区域,但当氢原子脱离了硫化物的环境后,很快结合成氢分子,氢分子的体积要比氢原子大许多倍,它能破坏钢材的组织结构,降低钢材的韧性,产生各种微小的裂纹。
氢原子又继续聚积到裂纹尖端,并使裂纹发展,直至钢材不能承受外界负荷时,会突然发生断裂,这种现象称为脆化。
对氢脆的敏感性由下列因素决定:
（1）钢材的屈服强度:
屈服强度低于630MPa的普通碳素钢一般不会发生氢脆断裂,强度越高,产生破坏的时间越短。
（2）钢材的硬度:
合金钢的硬度大于Rc22时容易遭到破坏。
（3）硫化氢的浓度:
硫化氢浓度越高,氢脆破坏的时间越短。
（4）溶液的pH值:
随着pH值的降低,氢脆断裂的趋势增长,如果pH值维持在9.0以上,则氢脆破坏可显著减少。
（5）温度:
温度超过83℃,氢脆断裂的敏感性降低。
（6）应力:
外载施于钢材的应力越大,氢脆断裂的时间越短。
4.溶解盐类的腐蚀:
氯化物、碳酸盐、硫酸盐都对钢材有腐蚀作用,它们的腐蚀过程都有显著地电化学作用,由于它增强了钻井液的导电性,促使其它形式的腐蚀作用增强。
溶解盐类的腐蚀有如下规律:
（1）和钻井液的pH值有关,pH值越低腐蚀作用越强。
（2）和温度有关.温度越高,分子活动能力越强,腐蚀速度加快。
（3）和溶解盐浓度有关.溶解盐浓度越大,腐蚀速度越快。
（4）和钻井液的流速有关,流速越大,腐蚀越快。
所以钻具内壁的腐蚀要比外壁的腐蚀快。
而这一点往往是人们注意不到的。
5.各种酸类的腐蚀:
酸类的腐蚀作用是由于它降低了钻井液的pH值和损害了管材的保护膜,同时也加强了钻井液的导电性,使电化学腐蚀作用增强,并且还会产生氢原子,如果有硫化物同时存在的话,会产生氢脆作用。
溶解于钻井液中的氧气,也会显著的加强酸类的腐蚀作用。
6.电化学腐蚀:
钻具在钻井液中类似于电极在电解液中,也可以产生导电反应,不同金属之间,不同的钢材化学成份之间就会产生导电现象。
如铜和钢连在一起放入水中,则铜为阴极,钢为阳极,产生电流,钢被腐蚀。
但钢与易反应的金属如铝和镁等连在一起放入水中,则钢为阴极,铝镁成为阳极,产生电流,铝镁被腐蚀,而钢得到了保护。
新钻杆与旧钻杆连接在一起,则新钻杆起阳极作用,旧钻杆起阴极作用,新钻杆先被腐蚀。
钻具的氧化皮与钢材本身之间的差异,也会产生电流,使钢本身进一步遭到腐蚀。
受应力的金属对不受应力的金属呈负电位,也可形成电池效应。
当电流流过钢材时,会带走微量的金属分子,并沉积于电流的另一端,这样就会形成伤疤,引起应力集中或造成疲劳破坏。
三.机械破坏
1.钻具制造中形成的缺陷如:
（1）轧制过程形成的夹层;
（2）调制过程发生结晶组织变化;（3）公母螺纹连接螺纹的临界断面模数配比不合理,不是母强公弱,就是公强母弱;（4）钻杆加厚过渡带几何形状设计不合理,因为这里是最容易造成应力集中的地方;（5）钻铤公螺纹未车应力减轻槽;这些先天不足,往往会导致钻具早期损坏。
2钻具在长期使用中的腐蚀与磨损,某些区域管壁变薄或存在微细裂纹,强度大为减弱,在外力的作用下,钻杆最容易从最薄弱的地方被拉断或扭断。
3.处理卡钻事故时,不恰当地用大力活动,当应力超过其屈服极限时,就产生变形,把钻杆拉细拉长。
当应力超过其强度极限时,就会把钻杆拉断。
4.搬运或使用过程中造成了外伤,如卡瓦牙痕,井下落物（钻头牙齿、钳牙、卡瓦牙等）造成的横向刻痕以及撞伤、砸伤等,往往成为应力集中点,由此而向外扩展,而且各种腐蚀也容易从这里开始,造成钻具的局部损坏。
5.上扣不紧,不按规定扭矩上扣,接头台肩靠不紧,一方面台肩失去密封作用,螺纹容易被钻井液剌坏,另一方面,由于失去台肩的支撑力,公母螺纹产生频繁地交变应力,会使螺纹疲劳折断。
6.钻进时加压过大,或发生连续别钻,或在遇阻遇卡时强扭,把钻杆母螺纹胀大、胀裂,造成钻具脱落。
7.对各种连接螺纹特别是配合接头的连接螺纹长期使用而不定期卸开检查,以致螺纹磨损造成钻具脱落。
要知道,连接着的螺纹也经常处于变化之中,不可不查。
8.在接头或钻杆加厚部分的内径突变处,流动的钻井液形成涡流,冲蚀管壁,甚至会把管壁剌穿,降低了钻杆的抗拉抗扭强度。
9.将连接螺纹的规范搞错,把尺寸相近而又不是同一规范的公母螺纹连接在一起,因为它们咬合不紧,在运转过程中容易磨损而造成钻具脱落。
10.中途测试挤坏钻杆:
为了进行地层测试,测试工具要用钻杆连接下到测试层位,在测试阀打开之前,钻杆内是空的,底部钻杆处于钻井液的静压下,如超过了钻杆的抗挤强度,就会把钻杆挤坏。
下面把各种钻杆的最小抗挤压力列于表2-2和表2-3中,以做参考。
表2-2新钻杆及一级钻杆最小抗外挤力不从心MPa
钻杆外径
mm
壁厚
mm
新钻杆
一级钻杆
D
E
X-95
G-105
S-135
D
E
X-95
G-105
S-135
60.3
4.83
55.1
75.1
95.1
105.0
129.7
45.5
58.2
69.0
74.1
87.9
7.11
77.8
106.1
134.4
148.6
191.0
66.7
91.0
115.3
127.4
163.8
73.05
5.51
52.2
71.2
88.0
95.3
116.1
41.2
52.2
61.2
65.4
76.3
9.19
82.4
112.3
142.2
157.2
202.2
71.0
96.7
122.6
135.4
174.1
9.35
70.4
96.0
121.6
134.4
172.8
59.9
81.8
103.5
114.4
147.1
88.9
6.46
50.3
68.3
82.0
88.8
107.3
38.4
48.3
56.3
59.9
68.8
9.35
70.4
96.0
121.6
134.4
172.8
59.9
81.8
103.5
114.4
147.1
11.41
83.7
114.1
144.6
160.0
205.4
72.2
98.4
124.7
137.8
177.2
101.6
6.66
44.8
57.2
67.8
72.8
86.1
31.8
39.0
44.1
46.4
50.8
8.38
56.7
77.2
97.8
108.2
137.2
47.6
61.5
73.3
79.0
94.4
9.66
64.4
87.8
111.2
122.8
157.9
54.4
74.2
94.0
103.3
126.7
114.3
6.89
38.9
49.0
57.1
60.9
70.1
26.8
32.0
35.2
36.3
40.1
8.56
51.8
70.7
86.7
94.0
114.3
40.7
51.4
60.2
64.4
74.8
10.92
64.7
88.2
111.7
123.5
158.7
54.8
74.7
94.6
104.4
128.2
12.70
73.9
100.7
127.7
141.1
181.4
63.1
86.1
109.0
116.5
155.0
127.0
7.52
37.8
47.4
55.0
58.6
67.1
25.9
30.7
33.5
34.4
38.6
9.19
50.3
68.0
81.7
88.4
106.8
38.3
48.1
56.0
59.6
68.4
12.70
67.3
91.8
116.3
128.6
165.3
57.1
78.0
98.7
109.1
139.7
139.7
7.72
33.4
41.3
47.1
49.7
55.2
22.2
25.6
28.2
29.5
32.1
9.17
45.0
57.4
68.0
73.1
86.5
31.9
39.2
44.4
46.7
51.2
10.54
52.2
71.2
87.9
95.2
116.0
41.2
52.2
61.2
65.4
76.2
168.0
8.38
27.3
32.7
36.1
37.3
41.1
17.1
19.9
22.1
22.8
23.3
表2-3二、三级钻杆最小抗挤外力MPa
钻杆外径
mm
壁厚
mm
二级钻杆
三级钻杆
D
E
X-95
G-105
S-135
G
E
X-95
G-105
S-135
60.3
4.83
33.2
40.9
46.7
49.3
54.6
24.6
29.0
31.2
32.7
36.4
7.11
57.3
78.1
98.9
109.4
140.3
50.3
68.2
82.0
88.7
107.2
73.0
5.51
29.5
35.9
40.1
41.8
44.9
21.4
24.5
27.3
28.5
30.8
9.19
61.2
83.4
105.6
116.7
150.1
53.9
73.5
93.1
101.2
124.0
88.9
6.46
27.1
32.6
35.9
37.0
40.9
19.3
22.0
24.8
25.8
27.2
9.35
51.2
69.7
84.5
91.5
111.0
43.0
54.7
64.5
69.1
81.2
11.41
62.2
84.9
107.6
118.9
152.9
54.9
74.9
94.9
104.9
129.0
101.6
6.66
21.5
24.6
27.3
28.6
31.0
15.0
17.5
19.0
19.3
19.4
8.38
35.2
43.8
50.4
53.4
60.1
26.4
31.5
34.5
35.6
39.5
9.66
45.6
58.2
69.0
74.2
88.0
35.4
44.1
50.9
53.9
60.8
114.3
6.89
17.3
20.1
22.4
23.1
23.7
12.6
14.2
14.8
14.8
14.8
8.56
29.0
35.2
39.3
40.9
44.1
21.0
23.9
26.7
28.0
30.1
10.92
45.6
58.9
69.9
75.2
89.3
35.9
44.8
52.6
54.7
61.9
12.70
47.6
73.7
93.3
101.7
124.6
47.3
61.0
72.7
78.2
93.3
127.0
7.52
16.5
19.4
21.4
22.0
22.4
12.1
13.5
13.9
13.9
13.9
9.19
27.0
32.4
35.6
36.8
40.6
19.2
21.8
24.7
25.6
26.9
12.70
48.6
64.1
76.7
82.7
99.3
39.2
49.3
57.6
61.4
70.8
139.7
7.72
14.3
16.6
17.8
18.0
18.0
10.3
11.2
11.2
11.2
11.2
9.17
21.5
24.8
27.5
28.8
31.2
15.1
17.6
19.1
19.5
19.5
10.54
29.5
35.8
40.1
41.8
45.0
21.4
24.5
27.2
28.5
30.7
168.3
8.38
11.5
12.7
12.9
12.9
12.9
7.9
8.0
8.0
8.0
8.0
四事故破坏
1.把不同钢级、不同壁厚、不同等级的钻杆混同使用,强度最弱的钻杆总是首先遭到破坏的。
2.顿钻造成钻具折断,如因顶天车、刹车失灵、井口工具失效、单吊环提钻、井口上部钻具倒扣、都有可能把钻具顿入井中,这种事故是非常恶性的事故,它有可能把钻具顿弯,有可能把钻头顿掉,也有可能把钻具顿成几截,处理起来是比较困难的。
3.事故倒扣:
在处理卡钻事故中,为了套铣或侧钻,不得不将一部分钻具倒入井中。
4.过失倒扣.由于操作者的失误,在下列三种情况下有可能将钻具倒入井中:
（1）在下左旋螺纹工具的过程中,用转盘正转的办法给左旋螺纹钻杆上扣,把转盘以下的左旋螺纹钻具倒入井中;
（2）在钻进或划眼时,钻头遇阻遇卡,上面的钻具继续旋转,储存了很大的能量,一旦摘开转盘离合器而不加控制,整个钻柱要飞速的倒转,在惯性力的作用下,把下部钻具倒开,在这种时候,越是靠近钻头的地方,所受的反扭矩的冲击力越大,所以最容易把钻头倒掉;（3）在钻进或划眼时,钻头遇阻遇卡,上面的钻具继续旋转,储存了很大能量,一旦阻力被克服,整个钻柱要飞速正转,但转盘的转速不可能与钻柱的转速同步,反而起到了制动作用,在惯性力的作用下,把上部的钻具倒开。
第二节钻具的使用、维护与管理
要想不发生钻具事故,就必须正确使用钻具,并做好日常工作中的维护与管理工作。
一.钻具的贮存:
无论是在仓库或是在工作场所,都要按下列要求进行贮存。
1.要贮存在管架台上,管架台要垫离地面0.3m以上,防止水、湿气、泥土的锈蚀。
2架存不许超过三层,层与层之间应均匀衬以垫木或垫杠三根,防止钻具产生弯曲。
3.钻具应按钢级、壁厚、分类等级、接头水眼大小分别存放。
每根钻杆在适当部位打上钢印（包括钢级、壁厚、编号）,并登记卡片两张,一张存档,一张随钻杆转运。
4.对长期存放的钻具,要定期检查其内外表面的腐蚀情况,并进行防腐工作。
5.公、母螺纹及台肩要清洗干净,涂好防锈油,戴好护丝。
6.凡是检查出的有问题的钻具,要与完好钻具分别存放,避免混入好钻具中。
并且要用红漆或黄漆在有问题的地方标上明显的记号。
7.在管子站内存放,要取掉钻杆上的胶皮护箍,否则,它会在钻杆本体上造成环状腐蚀槽。
8.管具存放前应清洗、吹干，存期不宜超过2年。
二.钻具在日常使用中的维护工作
1.钻具上下钻台,公、母螺纹必须戴好护丝。
并且要平稳起下,不许碰撞钻杆两端的接头。
2.钻具连接前,要将公、母螺纹及台肩清洗干净,仔细检查,认为没有问题,方可涂好合格的螺纹脂,进行连接。
特别是方钻杆保护接头更要注意,因为它要和每个钻杆母接头连接一次,该接头若有损伤,会造成许多钻杆母接头的损伤。
3.上、卸扣时,绝不允许大钳咬钻杆本体。
4.当钻具悬重超过1100kN时,井口不许用短体卡瓦夹持钻具,以免挤伤钻杆,此时应改用长体卡瓦或用双吊卡进行起下钻和接单根等工作。
5.空吊卡、钻具立柱或单根均不许撞击井口钻具的母接头台肩。
6.上扣时,公、母接头必须对中,当有摇摆和阻卡现象时,不能快速旋扣。
当发现有咬扣现象时,必须卸开重上,不能用大钳硬上。
7.上扣时,必须用双钳按标准扭矩紧扣,不能松也不能过紧。
8.鼠洞接单根时也必须用双钳紧扣。
9.钻铤的提升短节也必须用大钳紧扣。
防止下边上扣时,上边倒扣,使钻铤掉入井中。
10.卸扣时,大钩弹簧要承受一定的拉力,保证被卸开的螺纹不受压力,同时也要防止钻具立柱在弹簧力的作用下撞击井口的母接头。
11.卸扣时,不许用转盘绷扣。
12.要避免产生刻痕,特别是横向刻痕,这些刻痕大部分是由大钳、卡瓦和井下落物造成。
13.除处理事故外,弯钻杆不许下井,特别是不许使用弯曲的方钻杆,如发现方钻杆弯曲,应立即换掉。
14.不能用钻杆做电焊时的搭铁线,因为容易烧成伤疤。
15.在任何情况下,都不允许超过钻具的屈服强度提拉或扭转。
16.使用高矿化度钻井液时,应加防腐剂,以保护钻具。
实验证明，在钻井液中加入
（NH4）2HPO4和K2HPO4不但有很好的防腐作用，而且也能改善钻井液的流变性。
（NH4）2HPO4在钻井液中电离成两部分，一部分是容易被金属表面吸附的含氮的极性团，另一部分是高价磷酸根PO4-3，高价磷酸根可与金属铁络合，生成磷酸铁保护膜，将腐蚀介质与金属表面隔开，从而改变了得以发生电化学反应的条件，抑制或延缓了钻井液对钻具的腐蚀。
17.钻井液的pH值应维持在9.5以上,这样可以减少腐蚀和断裂。
实验表明，pH值低于6时，腐蚀速度急剧加快；pH值在9～10.5时,可使腐蚀速度大大降低。
但pH值也不能过高，过高则会导致（NH4）2HPO4分解释放氨，降低（NH4）2HPO4的使用效果。
18.钻遇硫化氢气体,应坚决压死。
如非得在硫化环境中工作不可,应使用E级钢以下的钻杆,这里要特别提醒一点,各种配合接头也不得用高级合金钢制造。
控制钻井液的pH值在12以上，使钻井液中的H2S转变为硫离子；同时加入除硫剂如海绵铁、碱式碳酸锌等。
19.井下温度超过148℃时,在钻井液处理剂和螺纹脂中,要避免含有硫的成份。
20.进行钻杆测试时,钻杆在硫化氢环境中暴露的时间不得超过1小时。
可以打入抑制缓冲液,在钻杆关闭后,可通过循环短节进行钻柱循环。
三.钻具管理:
为了合理地使用钻具,延长其使用寿命,减少钻具事故发生率,还须制定一套合理的钻具管理制度。
1.钻具应分类组合,成套使用,实行租用制度。
把新钻杆、一级、二级、三级钻杆的租金拉开档次,优质优价,次质次价,有偿使用,损坏赔偿。
鼓励浅井、中深井使用二、三级钻杆,澈底废除钻具费用摊销制度。
2.入井钻具要详细检查钢号（没有钢号者要补打钢号）、壁厚、公母接头水眼直径（注意:
有些规范相同的钻杆,其接头水眼并不一样,更有甚者,一根钻杆的公、母接头,其水眼直径也不一样）,丈量长度,登记造册。
要把接头台肩及螺纹清洗干净,检查有无致命的损伤,同时还要检查钻杆本体有无致命的损伤,不合格者不许下井。
3.在井使用钻具要实行定期上下倒换制度,抽上加下,或抽下加上均可,目的是改变钻具的受力状态,使整套钻具的各个部分的受力趋于一致。
4.执行错扣检查制度,如果是三个
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