鉆井提速工具壽命的影響因素

楊宏哲，李相勇，紀 博，李 博，董昔今，鄭瑞強

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

提高或是保持油田油氣產量對于老油田而言是一個未來必須面對的長期課題，對深層油氣藏的勘探與開發的需求越來越強烈，隨著深井數量逐年增多，井深日益增加，深部地層鉆井難度逐漸加大，這類地層具有巖石硬度大、可鉆性極值高等特性，使得單只鉆頭機械鉆速低、進尺少、壽命短、起下鉆頻繁，嚴重影響了深層油氣藏勘探開發進度。

為了解決深部硬地層鉆速慢、效率低的難題，國內外各科研機構相繼研制出多種以鉆井液動力驅動的提速工具，其中包括扭力沖擊器、渦輪鉆具、旋沖螺桿鉆具和復合沖擊工具等，輔助鉆頭破巖的高效提速工具。在現場試驗過程中，此類鉆井提速工具前期均能夠顯著提高平均機械鉆速，但中后期鉆速都會因工具壽命下降，造成破巖效率降低，甚至發生如連接螺紋失效導致落井等嚴重井下事故。因此壽命問題制約著工具的發展，進而影響工具壽命，主要體現在如下幾方面。

1 提速工具使用壽命降低的表現

（1）螺紋斷裂：提速工具通過螺紋扣上部連接鉆柱，下部連接鉆頭，在部分提速工具現場應用過程中，發生了公扣螺紋斷裂，導致嚴重的落井事故。

（2）螺紋刺漏：螺紋因沖蝕、磕碰或是疲勞破壞產生漏點，出現密封不嚴，流體從漏點泄出，前期表現為泵壓逐漸下降，嚴重時會發生螺紋斷裂導致事故。

（3）提速效果下降：提速工具的本體外殼、內部零件以及密封圈受到各種因素作用下發生磨損、鉆井液沖蝕以及刺漏，也是造成提速工具后期提速效果不理想，鉆井液循環泵壓下降的主要原因之一。

2 導致提速工具失效的內在原因

提速工具在深井作業時失效主要體現在交變應力作用下因疲勞破壞所導致的螺紋失效或螺紋刺漏，機械結構受高頻沖擊載荷的作用下，因磨損或疲勞破壞導致結構失效，殼體或密封處受鉆井液腐蝕以及地層巖屑沖蝕作用下導致的刺漏等等?？梢詺w納為以下幾點：

2.1 高強度下的疲勞破壞

鉆井提速工具在鉆井液驅動下內部存在高頻往復運動，對本體及螺紋連接部位施加交變載荷，提速工具的螺紋，焊接處以及焊接缺陷，材質因鑄造工藝不合格產生的內部缺陷以及運輸或安裝過程中所造成的螺紋損傷和表面損傷，這些部位容易產生局部應力集中。另外在工具使用過程中，這些部位在高頻次交變應力的作用下會產生出疲勞裂紋，疲勞裂紋在交變載荷的作用下不斷擴展使得螺紋、焊接或是本體發生刺漏、甚至是斷裂。隨著難鉆地層鉆壓的加大，提速工具受到鉆柱所施加的靜載荷也越來越大。特別是起下鉆次數增多，上卸扣次數頻繁，不可避免地導致螺紋損傷和表面損傷。深井地層條件復雜化，也使得提速工具受力情況更復雜。另外，在大排量循環鉆井液使得沖擊提速工具獲得更高的沖擊頻率，這同樣是加速疲勞破壞的原因之一。

金屬材料在無限次交變載荷作用下會產生破壞的最大應力為其疲勞強度，金屬疲勞伴隨著錯位滑移以及塑性變形與破壞，在對金屬拉伸實驗報告中，其斷裂機理與金屬疲勞有一定相似性，而在行業經驗總結中，金屬疲勞強度與其抗拉強度呈正相關。因此，材料的疲勞強度跟抗拉強度一樣受材料組分以及相變熱處理工藝相同的影響，抗拉、疲勞強度優秀的鋼材，例如鉆具常用的42CrMo、42CrMnMo，其顯微組織主要為晶粒度較細的奧氏體與馬氏體。部分鋼材顯微組織主要為粗大的珠光體和鐵素體，強度韌性差，抗疲勞表現差。在鑄造過程中，混入了氧化物、硫化物、氮化物等非金屬夾雜物，固溶在金屬中的氫原子，是造成金屬應力集中，萌生疲勞裂紋的重要源頭。

2.2 鉆井液的化學元素對金屬的腐蝕作用

鉆井液中常含有氯離子，氯離子在酸性條件下與金屬表面容易發生電化學腐蝕，pH 值越低，腐蝕越劇烈。鉆井液在敞開環境進行循環，這使得鉆井液含有溶解氧，溶解氧在井下高溫環境下對金屬產生強氧化作用生成氧化物。在含硫井中，從地層滲透出來的硫化氫氣體溶解于鉆井液生成硫離子，同樣在酸性條件下會對金屬發生電化學腐蝕。同時，地層中的硫化氫與二氧化碳溶解于鉆井液會產生大量的氫離子，降低鉆井液的pH值，加速腐蝕速度。

提速工具在此種腐蝕工況下，表面形成腐蝕坑與氧化物。這些部位導致應力集中，形成疲勞裂紋萌生的源頭。在交變應力作用下，疲勞裂紋逐步擴展、長大，使得腐蝕性的鉆井液進入裂紋，腐蝕界面擴大，加速了金屬疲勞。

同時，溶解在鉆井液的硫化氫與金屬表面接觸，使得氫原子滲透進金屬內部，導致金屬強度塑性進一步下降，產生氫損傷，在應力作用下容易產生裂紋。

2.3 固相大顆粒在大排量下的沖蝕作用

環空中的鉆井液在循環過程中需要攜帶大量巖屑等固相顆粒帶到地表，開大排量循環有利于將這些固相顆粒運移至地面。但是它們會對工具表面產生沖擊作用，尤其是在鉆桿加厚過渡區以及螺紋連接處易產生流場突變，被固相顆粒沖蝕的地方會產生密集的沖蝕坑，導致密封端面損傷。

部分井隊所使用的鉆井液凈化設備處理過的鉆井液仍然含有少量固體顆粒，它們隨著泥漿泵入裝置泵入到鉆柱中，這些固體顆粒會沖擊工具內部的渦輪、軸承等零部件，致使工具因磨損過渡而失效，或是因為管道被堵或固體顆?？ㄗ∧承┗顒恿慵率固崴俟ぞ卟还ぷ?。

2.4 井下高溫環境的影響

深井鉆井一般都是在高溫工況之下進行，而提速工具內部起到密封作用的橡膠圈在超過橡膠圈工作溫度下，容易發生橡膠材料的老化分解，并且更容易造成磨損和疲勞致使橡膠圈更快地產生龜裂甚至永久變形致使密封失效，導致提速工具在后期提速效果不理想。

另外，對滑動軸承等起到潤滑作用的潤滑脂，當作業溫度高于潤滑脂滴點時，潤滑脂變的易流失，潤滑失效使摩擦部位的磨損速度加快。

3 提高提速工具壽命的技術對策

導致提速工具壽命短有鉆井液、井底溫度和地層環境這些客觀因素影響，但是這些客觀因素難以改變甚至避免。為了提高鉆井提速工具的使用壽命，我們只能從工具本身進行改進：

（1）優選鋼材，選用高強度、抗拉性能優秀的高性能合金鋼以應對金屬疲勞。嚴格把控鋼材鑄造與熱處理生產工藝，減少非金屬夾雜物與溶解氫原子在鋼材中的含量。進料時要求廠家提供探傷合格報告，加工前要進行嚴格的毛坯料探傷檢驗，加工后根據工件特點，要再次進行探傷檢驗，有些關鍵部件需要特殊處理，如鋪焊或噴涂，提高耐磨性能。

（2）采用四級固控設備，并在鉆具內安裝過濾裝置，盡可能減輕固相大顆粒對鉆具內零件的沖蝕。

（3）適當降低提速工具的沖擊頻率，比如在動力總成使用中空軸減小通過動力節的排量來調節沖擊頻率，可以減小鉆井液對工具內部的沖蝕速度，同時交變應力頻率的降低也有助于延長金屬疲勞的時間。

（4）選用耐高溫的氟橡膠作為密封圈材質，選用耐高溫的鋰基潤滑脂或是符合現場需求的潤滑脂對摩擦部位進行潤滑。

4 結論

（1）提速工具壽命下降的主要表現形式為螺紋刺漏、螺紋斷裂，結構失效導致后期提速效果不理想，循環泵壓下降甚至井下事故。

（2）導致提速工具壽命下降的內在原因有鉆具往復工作時產生的疲勞破壞，鉆井液對鉆具本身的腐蝕，鉆井液固相顆粒對鉆具內外結構的沖蝕，以及深井高溫工況的影響。

（3）優選鋼材，加裝固相過濾裝置，優化沖擊頻率，選用耐高溫密封和潤滑材料為提高提速工具使用壽命的可行辦法。