钻具断裂原因分析范文

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《中国石油和化工杂志》2015年第二期

1.降斜井段钻具断裂原因分析

通过对5起事故的分析，可以发现具有以下几个相同点：①最大全角变化率在4.46～7.81°/25m之间；②鱼顶都在全角变化率最大处；③发生钻具断裂时钻速低于1.28m/h；④落鱼长度在80～135m之间。从表1中可以看出，钻具断裂都发生在全角变化率最大的位置。滨1井前两次钻具断裂位置几乎在同一井深，该井深的全角变化率为7.81°/25m，其他几次钻具断裂位置的全角变化率均在4°/25m以上，同时钻具断裂时的机械钻速均不超过1.28m/h。根据虎克定律由于钻具弯曲产生的应力为：σ=Ey/ρ(1)式中：σ代表应力；E代表弹性模量；y代表钻具上某点距离中性层的距离；ρ代表钻具弯曲曲率半径。

钻具在弯曲的井眼中，由于井眼的限制钻具必然产生弯曲，钻具在弯曲的状态下，弯曲段钻具内部会产生应力，σ的大小与y成正比，也就是说钻具上距离中性层距离越远的位置σ值越大；σ的大小与ρ成反比，也就是说钻具弯曲的曲率半径越小，σ值越大；由于钻具弯曲产生于井眼曲率，所以可以说井眼曲率半径越小，σ值越大。下面我们分析y值的变化规律：我们选取弯曲钻具最外侧某一点作为研究对象，钻具在旋转一周内的变化规律符合下式。当SIN(Ф-ωt)=-1时，σMIN=σ=-Er/ρ，此时研究点受压应力。

钻具在旋转过程中，弯曲点产生的应力发生周期性变化，ω越大，单位时间内应力循环次数越多。实验表明，当交变应力的σMAX值超过材料的疲劳强度指标时，必须经历一定的应力循环才可能发生疲劳破坏。这说明当机械钻速较低，转盘转速较高，钻具上某一点在弯曲井眼内的应力循环次数越多，钻具失效的几率也就越大。此时，钻具弯曲在旋转过程中产生的交变应力σMAX值达到了钻具的屈服极限，同时机械钻速又比较低，应力循环次数达到使钻具发生疲劳破坏的次数，因此钻具发生疲劳破坏。

有些井某些井段在井斜有增大趋势时，也采用了同样的方式进行螺杆降斜，但没有发生钻具断裂事故。具体情况见表2。从表2中可以看出，除滨1井2264.90～2308.13m井段全角变化率达到5.87°/25m，其余几口井的全角变化率均小于3.1°/25m，钻具弯曲在旋转过程中产生的交变应力σMAX值未达到钻具的屈服极限，因此无论钻速多低，都不足以使钻具发生疲劳。滨1井2264.90～2308.13m虽然全角变化率较大，但2308.13～2480m的平均机械钻速为2.14m/h，明显高于其他井段的机械钻速，虽然交变应力σMAX值达到了屈服极限，但应力循环次数未达到足以使钻具发生疲劳破坏的次数，因此未发生疲劳破坏。

同时，我们发现钻具断裂时，落鱼长度均在80～135m之间。分析其中原因，此时下部钻铤受到新钻井眼的的限制，同时上部钻铤受到井斜角较大的老井眼的限制，此处钻具的弯曲变形接近井眼的曲率，钻具产生的弯曲变形最大，钻具的弯曲应力最大，因此，钻具断裂基本都发生在纠斜后钻进80～135m之间。

2.结论

(1)全角变化率大是造成钻具断裂的主要原因。(2)机械钻速较低是造成钻具断裂的必要条件。(3)钻铤总长度的长短也是钻具断裂与否的影响因素。

作者：郭刚单位：大庆钻探工程公司钻井一公司