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【摘要】钻具服役条件恶劣，是钻井设备工具的一个薄弱环节，特别是在深井、超深井及复杂地质环境下钻井，钻具失效事故时有发生。如果不加以预防及处理就可能造成钻井周期延长，钻井效率下降，从而造成经济上的巨大损失。本论文首先从理论的角度总结深井钻具失效的机理，提出预防深井钻具失效的措施，对于提高深井钻井速度，降低钻井成本有重要意义。
【关键词】 深井 钻具失效 疲劳寿命
深井钻具失效是钻井过程中的常发事故。如果不加以预防及处理就可能造成钻井周期延长，钻井效率下降，进而造成经济上的巨大损失。因此，提高钻具本身质量，加强钻具管理，及时发现和消除深井钻具的不安全因素，找出深井钻具失效事故发生的规律，有针对性地采取相应措施，进而有效的控制各类钻具失效事故的发生，具有重要意义。
1 选题背景
（1）随着现代工业的快速发展，当今社会对石油资源的需求越来越大。伴随着浅部油气层的长期开采，各大主力油田现大多进入了开发的后中期，浅层勘探很难发现大型的油气资源，因此，在今后的油气勘探中，深井和超深井将成为国内外各大油气田增产上储的主要手段。钻具失效在石油钻井界是普遍存在的。
（2）在深井、超深井钻井过程中，钻具的受力状况和井下环境异常恶劣，处在内、外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受压、弯、扭力等载荷，钻具在井下的运动是一个复杂的动力学系统。在钻井过程中，钻具主要的运动是旋转向下的运动，同时还总伴随着各种振动。在钻井过程中钻具在任何部位断裂都会造成严重的后果，甚至使井报废。2 失效机理
2.1 经过多年来井下钻具失效事故的资料累积以及实验研究
钻井工作者对钻具失效事故的原因已经有了统一的认识，公认绝大多数的钻具失效都是疲劳而引起的。疲劳极限与应力集中有明显的关系，凡产生应力集中的各种因素，均使疲劳极限降低。在钻具组件中连接螺纹是引起应力集中的最直接、最关键的因素，导致钻具的疲劳破坏的一个关键因素是由于钻具的连接螺纹部位的交变弯曲应力中。
2.2 钻具在井下要发生弯曲，在旋转时就会承受交变弯曲应力
由于钻具本身刚度大，而其螺纹连接部分比其管体刚度小，螺纹连接部位容易弯曲。弯曲的钻具在井下旋转时承受交变应力。试验表明，在同一循环特性下，交变应力的最大值越大，破坏前经历的循环次数越少；反之，降低交变应力中的最大应力，便可以使破坏前的循环次数增加。连接螺纹应力集中是由于螺纹部位复杂而特殊的截面形状引起的，交变应力则是钻具动力学因素造成的。钻具螺纹连接部位本身是薄弱环节，是应力集中区，在该部位产生微小裂纹，引起疲劳破坏。钻具连接螺纹失效主要是由于承受弯曲交变载荷，弯曲最剧烈的部位是螺纹的消失端的扣底部分，再加上严重的应力集中现象，连接螺纹成为最容易失效的部位。
钻具在井下的运动和受力是十分复杂的，其中横向弯曲振动是引起交变应力的直接原因。严重的钻具振动对钻具是相当有害的，其中钻具的横向振动在绝大多数情况下都会引起钻具的损坏。井眼偏心、下部钻具组合的初始曲率、钻具在使用其间的磨损、热加工处理等都可能造成钻具的质量不平衡，而下部钻具组合在使用扶正器后，受轴压钻铤质量偏心，两扶正器之间，扶正器与钻头之间，顶扶正器之上钻铤质量偏心等，都加剧了钻具质量的非平衡程度。这种质量不平衡是引起钻具横向振动的根源。
2.3 此外深井钻井相对于其它钻井，存在着自己的特殊性
（1）钻井工程的系统性和复杂性。对钻井技术、操作方法和钻井工具等提出了更高的要求；
（2）深部地质条件恶劣。地层岩性一般为上软下硬，并且可能有软硬交互的地层，容易出现蹩钻、跳钻现象，使得钻具发生疲劳失效的几率加大；
（3）钻井周期长。下部岩石的可钻级值高，钻时慢，钻进困难；
（4）地温梯度高。平均地温梯度4℃～5℃/ 100 m ，井深4000 m 左右，井底温度达160℃上 。
2.4 正因为深井钻进时存在的这些特点及复杂因素，深井钻具失效问题日益表现出来
严重影响了深井的钻井速度；处理这些事故耗费了大量的人力和物力，这说明需要进一步研究钻具失效的机理，进而达到提高钻井效率、降低钻井成本的效果。因此研究深井钻具失效势在必行！
3 预防措施
根据深井钻具失效的机理，从优化钻具出发，提出3 条预防措施。
3.1 要加强钻具的探伤和检验
钻具的检验和探伤可分为三个层次进行，第一是井队在起下钻时快速目测检测；第二是专门人员在现场管架上进行目测及使用仪器检验；第三是在管子站进行全面严格的分级检验。
3.2 是要选择合适的弯曲强度比和最佳紧扣扭矩
（1）应该选择适合本地区的弯曲强度比（2.0～3.2），以保证内、外螺纹接头弯曲疲劳强度相平衡 。在钻具外径容易磨损、井下有腐蚀介质的情况下，应选择较大的弯曲强度比。相邻钻具的刚度差别不能太大，这对井眼曲率大的井特别重要，以免刚度小的钻具发生疲劳。一般情况下应使用相邻钻具的刚度不大于3.5～5.5。
（2）根据现场操作参数，计算选用最佳紧扣扭矩，保证钻具正常工作而不会失效。3.3 要减小螺纹处的应力集中，改善应力分布
（1）使用根部圆角半径较大的数字型螺纹，并采用高疲劳寿命接头螺纹（LET扣），通过降低螺纹最后啮合处的螺纹牙高度，改善钻具螺纹的应力分布状况，以有效地降低钻具螺纹处的应力集中，减少钻具尤其是钻铤内外螺纹失效的发生。
（2）使用PDC钻头，井下动力钻具、液力加压器等工具改变钻具的工作状态，减轻钻具的弯曲和弯曲应力。
（3）配备液压大钳或扭矩仪上扣，保证合适的上扣扭矩，防止钻铤粘、刺。
（4）加减震器、悬浮器，并且在钻进时及时调整钻进参数，以控制钻柱的振动。
（5）使用内涂层钻杆，并提高钻井液的pH值，使pH值大于等于10，以控制钻井液的腐蚀，并防止钻杆管体刺穿失效的发生；使用内加厚过渡带改进型的新钻杆；使用18o斜台肩钻杆。
4 优化钻具使用
（1）对使用过的钻铤不进行常规修扣，由以前切掉部分旧扣改为全部切掉旧扣，重新进行车扣，彻底清除疲劳源。
（2）限定钻铤使用时间，每套切口钻铤限定使用400h 左右（每三趟钻更换一套切口钻铤） ，力争在钻铤未产生疲劳源之前，全部进行更换。
（3）缩短探伤周期，由原来使用200h探伤一次改为钻进一只钻头探伤一次（150 h左右），对有疲劳裂纹的钻铤及时发现和更换，减少钻具断裂几率。
（4）建立钻柱疲劳破坏寿命的档案，在每次使用前查阅其剩余寿命，决定是否可以下井和采取那些必要措施。
参考文献
[1] 林元华. 考虑钻柱运动状态的疲劳寿命预测研究[M]. 天然气工业，2004，24 （5）：57-60
[2] 刘希圣.钻井工艺原理[M].北京：石油工业出版社，1988：123-127
【关键词】 深井 钻具失效 疲劳寿命
深井钻具失效是钻井过程中的常发事故。如果不加以预防及处理就可能造成钻井周期延长，钻井效率下降，进而造成经济上的巨大损失。因此，提高钻具本身质量，加强钻具管理，及时发现和消除深井钻具的不安全因素，找出深井钻具失效事故发生的规律，有针对性地采取相应措施，进而有效的控制各类钻具失效事故的发生，具有重要意义。
1 选题背景
（1）随着现代工业的快速发展，当今社会对石油资源的需求越来越大。伴随着浅部油气层的长期开采，各大主力油田现大多进入了开发的后中期，浅层勘探很难发现大型的油气资源，因此，在今后的油气勘探中，深井和超深井将成为国内外各大油气田增产上储的主要手段。钻具失效在石油钻井界是普遍存在的。
（2）在深井、超深井钻井过程中，钻具的受力状况和井下环境异常恶劣，处在内、外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受压、弯、扭力等载荷，钻具在井下的运动是一个复杂的动力学系统。在钻井过程中，钻具主要的运动是旋转向下的运动，同时还总伴随着各种振动。在钻井过程中钻具在任何部位断裂都会造成严重的后果，甚至使井报废。2 失效机理
2.1 经过多年来井下钻具失效事故的资料累积以及实验研究
钻井工作者对钻具失效事故的原因已经有了统一的认识，公认绝大多数的钻具失效都是疲劳而引起的。疲劳极限与应力集中有明显的关系，凡产生应力集中的各种因素，均使疲劳极限降低。在钻具组件中连接螺纹是引起应力集中的最直接、最关键的因素，导致钻具的疲劳破坏的一个关键因素是由于钻具的连接螺纹部位的交变弯曲应力中。
2.2 钻具在井下要发生弯曲，在旋转时就会承受交变弯曲应力
由于钻具本身刚度大，而其螺纹连接部分比其管体刚度小，螺纹连接部位容易弯曲。弯曲的钻具在井下旋转时承受交变应力。试验表明，在同一循环特性下，交变应力的最大值越大，破坏前经历的循环次数越少；反之，降低交变应力中的最大应力，便可以使破坏前的循环次数增加。连接螺纹应力集中是由于螺纹部位复杂而特殊的截面形状引起的，交变应力则是钻具动力学因素造成的。钻具螺纹连接部位本身是薄弱环节，是应力集中区，在该部位产生微小裂纹，引起疲劳破坏。钻具连接螺纹失效主要是由于承受弯曲交变载荷，弯曲最剧烈的部位是螺纹的消失端的扣底部分，再加上严重的应力集中现象，连接螺纹成为最容易失效的部位。
钻具在井下的运动和受力是十分复杂的，其中横向弯曲振动是引起交变应力的直接原因。严重的钻具振动对钻具是相当有害的，其中钻具的横向振动在绝大多数情况下都会引起钻具的损坏。井眼偏心、下部钻具组合的初始曲率、钻具在使用其间的磨损、热加工处理等都可能造成钻具的质量不平衡，而下部钻具组合在使用扶正器后，受轴压钻铤质量偏心，两扶正器之间，扶正器与钻头之间，顶扶正器之上钻铤质量偏心等，都加剧了钻具质量的非平衡程度。这种质量不平衡是引起钻具横向振动的根源。
2.3 此外深井钻井相对于其它钻井，存在着自己的特殊性
（1）钻井工程的系统性和复杂性。对钻井技术、操作方法和钻井工具等提出了更高的要求；
（2）深部地质条件恶劣。地层岩性一般为上软下硬，并且可能有软硬交互的地层，容易出现蹩钻、跳钻现象，使得钻具发生疲劳失效的几率加大；
（3）钻井周期长。下部岩石的可钻级值高，钻时慢，钻进困难；
（4）地温梯度高。平均地温梯度4℃～5℃/ 100 m ，井深4000 m 左右，井底温度达160℃上 。
2.4 正因为深井钻进时存在的这些特点及复杂因素，深井钻具失效问题日益表现出来
严重影响了深井的钻井速度；处理这些事故耗费了大量的人力和物力，这说明需要进一步研究钻具失效的机理，进而达到提高钻井效率、降低钻井成本的效果。因此研究深井钻具失效势在必行！
3 预防措施
根据深井钻具失效的机理，从优化钻具出发，提出3 条预防措施。
3.1 要加强钻具的探伤和检验
钻具的检验和探伤可分为三个层次进行，第一是井队在起下钻时快速目测检测；第二是专门人员在现场管架上进行目测及使用仪器检验；第三是在管子站进行全面严格的分级检验。
3.2 是要选择合适的弯曲强度比和最佳紧扣扭矩
（1）应该选择适合本地区的弯曲强度比（2.0～3.2），以保证内、外螺纹接头弯曲疲劳强度相平衡 。在钻具外径容易磨损、井下有腐蚀介质的情况下，应选择较大的弯曲强度比。相邻钻具的刚度差别不能太大，这对井眼曲率大的井特别重要，以免刚度小的钻具发生疲劳。一般情况下应使用相邻钻具的刚度不大于3.5～5.5。
（2）根据现场操作参数，计算选用最佳紧扣扭矩，保证钻具正常工作而不会失效。3.3 要减小螺纹处的应力集中，改善应力分布
（1）使用根部圆角半径较大的数字型螺纹，并采用高疲劳寿命接头螺纹（LET扣），通过降低螺纹最后啮合处的螺纹牙高度，改善钻具螺纹的应力分布状况，以有效地降低钻具螺纹处的应力集中，减少钻具尤其是钻铤内外螺纹失效的发生。
（2）使用PDC钻头，井下动力钻具、液力加压器等工具改变钻具的工作状态，减轻钻具的弯曲和弯曲应力。
（3）配备液压大钳或扭矩仪上扣，保证合适的上扣扭矩，防止钻铤粘、刺。
（4）加减震器、悬浮器，并且在钻进时及时调整钻进参数，以控制钻柱的振动。
（5）使用内涂层钻杆，并提高钻井液的pH值，使pH值大于等于10，以控制钻井液的腐蚀，并防止钻杆管体刺穿失效的发生；使用内加厚过渡带改进型的新钻杆；使用18o斜台肩钻杆。
4 优化钻具使用
（1）对使用过的钻铤不进行常规修扣，由以前切掉部分旧扣改为全部切掉旧扣，重新进行车扣，彻底清除疲劳源。
（2）限定钻铤使用时间，每套切口钻铤限定使用400h 左右（每三趟钻更换一套切口钻铤） ，力争在钻铤未产生疲劳源之前，全部进行更换。
（3）缩短探伤周期，由原来使用200h探伤一次改为钻进一只钻头探伤一次（150 h左右），对有疲劳裂纹的钻铤及时发现和更换，减少钻具断裂几率。
（4）建立钻柱疲劳破坏寿命的档案，在每次使用前查阅其剩余寿命，决定是否可以下井和采取那些必要措施。
参考文献
[1] 林元华. 考虑钻柱运动状态的疲劳寿命预测研究[M]. 天然气工业，2004，24 （5）：57-60
[2] 刘希圣.钻井工艺原理[M].北京：石油工业出版社，1988：123-127