石油气井套管钻柱失效主要影响因素分析

２００７年第２８卷第３期　

石油气井套管钻柱失效主要影响因素分析　

管昌生，万　兆　（武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉４３００７０）　

摘　要：　文章从材料、环境和磨损３个方面对石油气井套管钻枉失效原因进行了分析。探讨了材料强度及螺纹强　度钻柱失效的影响、复杂地质条件下套管及钻柱的腐蚀疲劳寿命、以及磨损对套管钻柱失效的影响；同时研究了结构　与受力等因素对套管磨损的综合性影响。研究成果对减小钻柱失效、有效地预防套管钻柱损坏等方面起到积极作　用。　关键词：　套管钻柱；　失效；　影响因素；　分析　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｍａｉｎ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　Ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｃａｓｉｎｇ　Ｐｉｐｅ　ａｎｄ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｓｔｒｉｎｇ　Ｆａｉｌｕｒｅ　

ＧＵＡＮ　Ｃｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＷＡＮ　Ｚｈａｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ　ａｓｐｅｃｔｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｏｒｒｏ—　ｓｉｏｎ，Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｌａｃｋｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｓｃｒｅｗ　ｔｈｒｅａｄ　ａｒｅ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｐｕｔｔｉｎｇ　ｅｍｐｈａｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅ　ａｂｒａｓｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｉｓ　ａｎａｂ，ｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　ｃａｓｉｎｇ　ｐｉｐｅ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｉｎｇ，ｆａｉｌｕｒｅ，ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ，ａｎａｌｙｓｉｓ　

目前钻柱失效是油田经常发生的事故，一些油　田失效事故相当频繁。２００４年９月石油管材研究　所主持召开了第二届全国油井管工程会议，初步统　计油田钻柱失效数量每年有１　０００例左右…。由于　油井和地址条件的复杂性，加上目前套管设计大都　采用常规的设计方法，因而难以找到有效的预防套　管失效的方法，往往是在套管损坏后再进行研究、采　取措施（修套管或打井代替），这样不仅需要巨大的　投资，而且效果也并不好。钻柱失效案例统计表明　钻杆失效事故占钻柱总失效事故的５０％～６０％。　疲劳破坏也是钻柱失效的另一个主要形式。进行钻　柱疲劳寿命预测可以为钻柱的使用和管理提供依　据。石油钻柱构件的损坏严重影响了油田的正常生　产，已成为目前国内外石油开采的一个急需解决的　重要问题。开展油田钻柱失效分析与预防对提高钻　９８　井速度、降低钻井成本及井下安全钻进具有重要意　义。因此工程上迫切需要对套管钻柱失效的影响因　素进行研究，找出解决问题的对策势。　１套管钻柱失效研究的国内外现状　２０世纪８０年代以来，国内外学者已经对套管　破坏机理进行过一些研究，主要是定性地分析套管　破坏的原因，诸如地层错动、地层水腐蚀、粘土膨胀、　岩石塑性流动及蠕变、固井质量以及射孔压裂酸化　等。研究表明钻杆主要失效形式是管体刺穿，其次　是管体断裂、接头螺纹刺漏后的断裂。主要失效原　因是腐蚀疲劳。钻铤失效事故略低于钻杆失效事　故，钻铤螺纹处断裂是钻铤的主要失效类型，占钻铤　失效事故的７０％～８０％，且基本发生在外螺纹接头　１３扣处，

失效的机理主要是疲劳断裂。钻柱转换接　维普资讯 http://www.cqvip.com 头失效数量相对钻杆和钻铤来说较少，主要失效类　型为螺纹断裂和脱扣。　随着套管抗挤裂理论的日趋完善和电子计算机　的飞速发展，不少专家和学者对影响套管破坏的因　素，如岩石应变率、围压、套管受拉压、内外压、弯曲、　椭圆度、弯曲度、腐蚀、上覆岩石、孔隙压力、热采温　度、水泥强度、狗腿及套管钢级等建立起各自的模　型，再结合岩石力学、弹塑性力学建立起套管破坏的　数学模型，最终将所有的破坏因素模型通过一定方　式组合在一起，进行破坏的多因素分析研究　Ｊ。美　国、英国、俄罗斯等国家在套管的可靠性评估及失效　因素分析上做了相关的分析和研究工作。根据近几　十年对套管失效的大规模调查研究和系统分析，可　归纳出套管破坏的形式大致分为４种：变形、错断、　破坏和腐蚀穿孔。其中，破坏又可分为：挤裂、爆破　和拉伸３种　Ｊ。　国内在套管磨损预防预测和防磨减摩技术方面　的研究和应用较少。与之有关的有黄伟和通过对套　管磨损情况进行力学分析，认为井身质量、钻柱拉力　与侧向力、钻井时间、钻井液密度等是影响套管磨损　的主要因素，并计算了套管磨损量。姚春冬等人对　４２４４．５　ｍｍ套管磨损前后进行了有限元分析，结果　表明套管的抗挤毁强度与不均匀磨损量近似成线性　关系。清华大学的覃成锦［ｄ】采用有限元分析了有磨　损缺陷套管的抗挤强度；西安石油管材研究所的高　智海等研究了套管磨损对套管抗挤性能和抗内压性　能的影响，认为在最小剩余壁厚相同的条件下，均匀　磨损比局部磨损对套管抗挤强度的降低程度要严重　得多，即月牙形局部磨损不是最危险的磨损形式；西　南石油学院的刘清友等对套管失效进行了研究，将　套管磨损作为引起失效的基本事件之一进行了定性　分析，并对套管与钻柱间侧向力进行了分析计算。　总之，套管钻柱失效的因素是多种多样的。而　且在工程实际当中，钻柱失效往往是多种影响因素　共同作用的结果。因此有必要对套管钻柱失效的影　响因素进行综合性的分析研究，运用多因素分析的　方法，对工程实践起到指导作用。　２套管钻柱失效的材料强度因素　钻柱一般由方钻杆、钻杆、钻铤和各种接头等组　成。钻柱失效总是与材料因素、环境因素和力学因　素的一方或多方相互关联。失效分析表明，大部分　失效事故与钻柱质量有关。其中包括钻杆内加厚过　渡区结构不合理、韧性差、螺纹加工质量低及加工精　度差、钻杆接头选型不当、强度指标不合格、喷焊热　２００７年第２８卷第３期　裂及钻杆摩擦对焊（修复）工艺不当等诸多方面。比　较突出的有以下几个问题：　１）杆内加厚过渡区结构不合理。失效分析和试　验研究已证实，内加厚过渡区结构不合理是钻杆在　该部位失效的主要原因。　２）钻杆接头、钻铤、转换接头韧性差。　３）螺纹加工质量差。如螺纹根部圆角半径过　小，不符合ＡＰＩ标准要求，导致严重的应力集中。　４）强度指标不合格。　钻杆材料的化学成分、组织状态和强度级别不　同时，其寿命差别较大。钻柱材料要有高的韧性，　Ｇ１０５钢级以下的钻杆，通常要求材料的夏比冲击功　不低于５４Ｊ，Ｇ１０５以上钢级钻杆应有更高的韧性。　在钻杆具有足够的韧性时，疲劳裂纹可以扩展到穿　透壁厚而不断裂，钻井液便从钻杆疲劳裂缝中喷出，　导致钻压下降，使井台上人员及时发现情况。避免钻　柱断落在井中。由于材料强度对钻杆疲劳强度贡献　不大，而且高强度材料对环境介质更敏感，所以在满　足提升强度的前提下，尽可能选用低钢级钻杆。　螺纹是套管钻柱的主要联接形式，实践表明，套　管柱的可靠性直接受联接部位的可靠性控制。据统　计，约有８０％的套管失效都发生在螺纹联接部位。　因此，研究套管螺纹有关特性就显得非常重要。　ＡＰＩ标准规定的螺纹联接类型有４种，即：短圆螺纹　（ＳＴＣ）、长圆螺纹（ＬＴＣ）、偏梯形螺纹（ＢＴＣ）、直连　形螺纹（ＸＬ）。此外，一些厂家为了满足高压井、深　井、超深井、热采井、大斜度定向井、水平井、高腐蚀　井的特殊要求，还开发了一些特殊联接螺纹［５】。　３套管钻柱失效的腐蚀环境因素　钻柱失效事故中约有６０％以上都与其在钻井　液中的腐蚀行为有关　】。美国一家钻井公司曾作过　这样的统计，在该公司所有降级或报废的钻杆中，因　内壁全面腐蚀、点蚀、腐蚀疲劳等造成的占７５％以　上。石油管材研究所对１９９９年以来钻柱构件失效　分析的统计表明，７０％的失效是直接或间接由腐蚀　引起。可见，腐蚀是造成钻柱失效的主要原因，并且　腐蚀带来的附加检查、维修和事故处理等使得钻井　效率下降和费用增加。　因复杂工况引起石油套管失效的原因，归纳起　来主要有以下５大类：１）高压注水引起；２）盐岩层　“塑性流动”引起；３）地下水腐蚀浅层套管所引起；４）　疏松砂岩油层大量出砂引起；５）地层倾角较大、断层　较多引起套管错断以及注蒸汽热采井中存在着和局　部缩劲变形相对应的恶性局部应力等。　

９９　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第２８卷第３期　石油钻柱在井下钻进过程中不仅与腐蚀性介质　直接接触，同时还承受拉伸、弯曲、挤压等复杂应力　的作用，其苛刻的工作环境直接影响井下钻柱寿命　的长短＂】。不利因素有轴向拉伸载荷、偏磨以及钻　井工况。比如井斜角、方位角变化的影响。钻井过　程中因地质、操作等复杂因素井身多有弯斜和方位　变化，形成所谓“狗腿”。“狗腿”越严重，意味着钻杆　承受弯曲交变载荷越大，从而降低钻杆的腐蚀疲劳　寿命。随着钻井向水平井、定向井方向的发展，其腐　蚀疲劳越来越严重。　通过改善钻柱与钻井液接触的工作环境可适当　提高钻柱使用寿命，包括向钻井液中添加缓蚀剂、推　广使用内涂层钻杆、适当提高钻井液ＰＨ值等方法。　向钻井液中添加膦酸脂和磷酸酯混合而成的除氧　剂，多孔铁、碱式碳酸锌除硫剂和形成保护膜的有机　缓蚀剂；内涂层钻杆管体有很高的腐蚀疲劳强度和　寿命，推广应用内涂层钻杆是防止钻杆内表面腐蚀　产生微裂纹逐渐扩展直至发生刺漏失效的有效方　法，内涂层钻杆至少提高钻杆疲劳寿命一倍。　４管套钻柱失效的磨损因素　套管磨损对套管的抗挤性能、抗内压强度等特　性都有很大的影响，这些特性又直接影响套管的使　用寿命和可靠性。因此，对套管磨损后的挤毁强度、　抗内压强度的研究就显得非常重要。近年来，国内　外在用套管的失效呈上升趋势，主要表现为套管被　挤毁、错断、严重变形和严重腐蚀等形式。套管挤毁　主要是地应力（地层出砂、流动、滑移、膨胀、蠕动　等）、固井质量差、套管强度不足或存在缺陷等而造　成的。套管断裂主要是地层应力高、固井质量差、套　管强度不足、套管柱设计不合理、螺纹质量差及下套　管操作不当等造成的。严重腐蚀则主要是由于套管　设计不当、防腐措施不力、腐蚀环境恶劣等而造成　的。　国外套管磨损研究进展国外从２０世纪６０年代　开始研究钻杆和套管磨损问题，至今已在套管磨损　预测和防磨减摩技术方面取得了大量的研究成果，　现场应用效果也很显著。其最初思路是利用实验室　小型试验机，模拟实际工况下的套管磨损　。试验　方法较简单，考虑因素较少，一般是考察了浸在钻井　液中的钢与钢的摩擦与磨损情况，而与实际钻井条　件下的磨损工况存在较大差异。２０世纪８０年代，　为了更真实地模拟钻井现场的实际情况，全面考察　套管磨损的各种影响的作用，Ｂｅｓｔ等人开发了卧式　全尺寸套管磨损试验机，使用套管与钻杆的实际尺　１００　寸、材料和实际钻进来模拟套管的磨损情况，详细考　察与套管接触部件的运动形式、套管结构、材料、受　力条件以及钻井液类型等因素对套管磨损的影响，，　利用有限元方法分析磨损对套管接头泄漏、抗挤毁　强度和抗爆强度的影响。　引起套管柱磨损的因素很多，主要有：钻杆柱　（包括钻杆接头、钻杆本体）、钢丝绳、电缆、井壁狗腿　严重度、钻井液成分、套管和钻杆材料等。这里介绍　对套管磨损影响较大的几种因素。在钻井和修井作　业期间，钻具在井中旋转以及起下钻，将不可避免地　对套管柱内壁造成磨损。对钻杆往复移动产生套管　磨损进行研究后得出与Ｂｒａｄｌｅｙ基本相似的结论，　即钻杆往复移动对套管造成的磨损作用要比钻杆旋　转小得多。套管的磨损速度主要取决于接触力的大　小，接触力越大，对套管的磨损程度影响越显著。　一般说来，实际井壁总是弯曲的，井壁弯曲程度　用狗腿严重度表示，套管在井壁弯曲处要随之弯曲，　狗腿度越大，套管弯曲得越严重．钻杆在通过这些弯　曲套管的地方，钻杆一侧与套管壁接触，并产生正压　力，当钻柱拉力一定时，钻杆与套管壁之间的正压力　随狗腿度增大而增大，从而加速了钻杆与套管之间　的磨损　。狗腿度对套管磨损有严重影响，不单是　由于狗腿度增大了钻杆与套管壁之间的正压力，而　且还表现在狗腿严重处钻杆、钢丝绳、电缆等始终与　套管的同一局部接触，这样它们对套管的磨损始终　在同一局部，形成局部磨损，这大大地加速了套管的　磨损，从而使套管的使用性能，特别是抗挤毁和抗内　压爆破性能迅速降低。因此，狗腿度对套管的磨损　不容忽视，必须严格控制钻井质量，减小狗腿度，这　在深井、超深井中具有重要意义。钻井液成分对套　管的磨损有重要影响。几种不同类型的钻井液成分　在实验室中进行的８　ｈ测试结果表明，清水产生套　管磨损最大，壁厚减少达４６％。水基钻井液与清水　相比磨损要小，壁厚减少只有２８％，这是由于水基　钻井液中的重晶石粉具有润滑作用。在水基钻井液　中加入约３１％的重晶石，套管磨损显著降低，这是　由于重晶石使钻柱与套管表面分离而没有直接接触　的缘故。非加重油基钻井液与非加重水基钻井液相　比，套管磨损得到很大的改善，能显著降低套管的磨　损。另外在套管材料方面，不同钢级的套管其磨损　速率也不同。　５　结　语　从材料、环境和磨损３个方面对钻柱失效的影