摘 要：通常定向井深度在3000～5000m的设计造斜点为200～500m，而国内不同地区已发生多起因浅造斜点施工作业一定时间后出现频繁刺漏、断钻具等失效问题。为此，通过对几起案例的共性分析，以及进一步从材料力学和钻具疲劳的角度开展理论研究，得出了浅造斜点与钻具累积疲劳极限的关系及结论，主要包括：①发生严重的钻具频繁刺漏、钻具断裂的主要原因是钻具疲劳损伤累积；②造斜点越浅，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅越小，较小的狗腿度即可达到损伤累积极限，井越深越危险；③钻杆镦粗加厚带及其附近位置为现代钻具生产的薄弱区，是最主要的应力集中点，成为最易发生刺漏、断裂的位置。最后，提出了设计、现场施工作业的预防措施：①若非特殊设计目的施工需要，钻井设计应尽可能避免设计浅造斜点的中深定向井；②针对浅造斜点井设计时，应根据钻具疲劳损伤累积法计算出最大许可狗腿度，从源头上避免钻具进入损伤累积极限区；③施工中应对钻具疲劳寿命做出有效预测，进行更严格的管理，对钻具做出及时检验和分级。
关键词：浅造斜点 钻具刺断 疲劳损伤累积 狗腿严重度 失效分析 轨道设计 预防措施
Relationship between the designed shallow kick-off points and the fatigue accumulative failure of drilling tools and its enlightment
Abstract：Usually，the designed kick off points(KOPs)range from 200 to 500m for a directional well with a depth of 3000-5000m．However，washout or broken failures of drilling tools frequently occur at many wells with shallow KOPs when those wells are drilled after some time．Therefore，through an analysis on the common characters of several cases，and based on the theoretical research of material mechanics and the fatigue of drilling tools，the relationship between the shallow KOPs and the fatigue accumulative limit of drilling tools was concluded as follows．(1)The cumulative fatigue and damage of drilling tools is the main reason．(2)The shallower the KOP，the less the minimum bending stress required by the fatigue of drilling tools；relatively small dogleg severity(an overall angle change rate)may reach the damage accumulation limit，so the deeper the well is，the more dangerous it will be．(3)The drill pipe upset thickening belt and the places around it are weak areas in the modern production of drilling tools and they are also the stress concentration points which will easily cause leakage and breakage．Finally，measures for design and site construction operation were proposed in this study．(1)Unless required by a special design purpose，the well drilling design should avoid such medium-deep directional wells with shallow KOPs．(2)When designing a shallow KOP well，the maximum allowable dogleg severity should be calculated according to the drilling tool fatigue damage accumulative method to prevent the drilling tools from entering into the damage accumulation limit area．(3)Not only should the fatigue life of drilling tools be predicted effectively，but stricter management should be conducted，and the drilling tools should be inspected and classified in time．
Keywords：shallow KOP，breakage of drilling tools，fatigue and damage accumulative method，dogleg severity，failure analysis，trajectory design
笔者从中国石油川庆钻探工程公司(以下简称川庆钻探)的2013年度钻具疲劳失效分析会议注意到：苟西003-H1井[1]一共发生14次在钻杆过渡带消失区的刺穿失效，其中9次为连续发生的，更换不同厂家钻具无效。而邻近2口井采用同厂家的钻具则没有发生任何失效，不同的是该井造斜点仅为300m，但井斜不大且发生失效段狗腿度也不大。这种明显的周期性钻具累积疲劳破坏近年时有发生，主要与井身轨迹复杂有关[2]，应重点考虑浅井段造斜作业的影响。以此作为一种失效类型进行统计，力求分析得出结论，既可以为施工作业进一步预防和避免此类失效提供思路，也可以为设计部门借鉴。
1 问题提出和失效情况总结
苟西003-H1井于2012年3月28日开钻，从400m开始定向绕障，定向段400～624m，井斜由4°上升至12°，造斜段数据见表1。
在Æ311.2mm井眼钻至2128m开始，先后发生了3次Æ127.0mm钻杆加厚过渡消失区刺穿失效，其后又在Æ215.9mm井眼内发生2次Æl27.0mm加重钻杆中接头刺穿失效，前后更换2套Æl27.0mm钻杆无效，第3次更换Æl27.0mm Sl35×9.19mm大水眼钻杆，约1个月后钻具刺漏现象再次出现，并在14d内连续发生9次几乎相同的钻具失效。纵观钻具失效特征有3个共性：①失效部位都发生在距母接头螺纹台肩400～800mm范围内，镦粗带过渡消失区；②9次失效中有7次都发生在距井口400～600m的侧钻狗腿附近；③9次失效都发生在Æ215.9mm井眼用PDC钻进工艺过程中，最高转速达90r／min(图1)。表2是收集到的几起类似钻具失效井的相关数据。
中国石油大庆钻探工程公司(以下简称大庆钻探)在冀东油田同时施工作业了4口井，分别使用同一厂家同批新钻具，南3-15井[3]从201 3年7月1日起连续发生3起钻具刺漏事件，刺漏位置均为母扣接头以下0.4～0.6m的位置(图2)。而其他3口井则没有发生钻具刺漏事件。其后技术交流过程中，厂商的解释为井斜狗腿度偏大，而现场钻井工程师却列举了一系列深井狗腿更大、使用同样规格钻具的其他厂家钻具却没有发生失效，双方对失效原因的认识无法达到基本一致。表3为该井的造斜段数据。
中海油田服务公司(简称中海油服)在海上钻井进行绕障作业井居多，设计浅造斜点的井很多，同平台绕障作业的WZ6-9-A5和WZ6-9-A8[4]。两口井钻具刺漏、断的失效钻具情况，与苟西003-H1的情况非常相似(图3)。WZ6-9-A8井初始2次钻具刺漏情况为：
第1次刺漏：钻进至1849m，泵压下降0.7MPa，循环观察，泵压缓慢下降1 MPa。刺漏点距离母扣端68cm，大小约2.5cm×1.5cm。刺漏时钻井参数：钻压20～70kN，转盘转速130r／min，排量60L／s，扭矩6.5～15.61kN·m，泵压11～12MPa。
第2次刺漏：钻进至2560m，泵压下降0.3MPa，循环观察，泵压缓慢下降1MPa。刺漏点距母接头端面67cm，大小约2cm×1cm。刺漏时钻井参数：钻压50～90kN，转盘转速130r／min，排量60L／s，扭矩12.2～21.5kN·m，泵压17MPa。
综合以上几起钻具失效情况，归纳出5个共同点：①造斜点较浅的中深定向井；②使用一段时间后才发生，具有疲劳损伤的累积性；③一旦刺、断失效发生，某段时间内频繁发生；④失效情况几乎相同，均为母扣接头以下镦粗带过渡区；⑤更换不同厂家钻具失效依然存在。
2 理论探讨及失效分析
材料力学指出：金属构件的疲劳极限，不但与材料有关，而且还受到构件的几何形状、尺寸大小、表面质量的影响，其所承受弯曲交变应力与否更是影响其疲劳极限的关键因素[5]。
1930年，英国人古德曼(J．Goodman)简化了疲劳极限的曲线图[6]，根据他的疲劳理论可以得出，钻杆的疲劳强度不仅与钻杆自身的性能有关，而且与其承受的平均应力即拉伸应力有关，拉伸应力越大，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅越小，所以井越深、钻杆越靠近井口，钻杆就容易发生疲劳，其受力情况见示意图4。
为对疲劳极限进行进一步量化，为工程实际提供帮助。19世纪中期，力学家们根据疲劳极限研究成果又提出了疲劳寿命预测的概念[7]，将其分为疲劳强度准则、疲劳损伤累积法、局部应变法和损伤容积法等。
笔者涉及的疲劳破坏就属于疲劳损伤累积，损伤累积法的理论基础是Miner法则[8]。Miner法则认为：根据s-N曲线的定义，在恒定应力幅(s)的作用下，构件运转循环次数为N时，将产生完全损伤即失效。那么构件在应力s作用下运转一个比N次数小的n时，将产生部分损伤，同时假定在这一过程中每一次损伤相同，则在s的作用下，损伤概率为n／N，如果一个构件在包含不同应力(sj)，将产生一个不同的损伤率nj／Nj，当这些损伤概率总和达到1时，就可以预测出现失效，也就是说：
如果：
预计会出现失效。
即：
称为Miner系数。
其应力坐标图谱见图5。
据此，A．Lubinski提出了钻具疲劳寿命预测理论[7]，他认为钻具经过“狗腿”段时受循环弯曲应力作用，当弯曲应力足够高时，钻具在每一个旋转周次里都会发生疲劳损伤。早在1961年，A．Lubinski就给出了计算最大允许“狗腿”严重度的计算公式，从而确定钻具是否会发生疲劳损伤。
其后Hansford和Lubinski提出过一种简易的方法来估算钻杆通过狗腿段后的累积疲劳损伤，定制了腐蚀介质和非腐蚀介质中E级钻杆在不同狗腿严重度和拉力下消耗的寿命[9](图6，参见GB／T 24956—2010《石油天然气工业钻柱设计和操作限度的推荐作法》第68页)。在不同转速和钻速情况下，可用下面公式进行校正。
消耗寿命％＝由图查得寿命消耗％´实际转速/100´3.045/实际机械钻速
式中实际转速单位为r／min；实际机械钻速单位为m／h。
由上可见，通过理论上的不断延伸和分析，影响钻具的井下累积疲劳寿命的关键因素主要为：狗腿下的浮重(所受的拉应力)、井眼狗腿严重度、所受循环应力次数和井下腐蚀环境等。
狗腿下的浮重这一因素恰恰明晰了此类井发生这种刺漏、断失效的根本原因所在，即便狗腿度不大，如果造斜点太浅，狗腿下的浮重产生的拉应力若达到钻具疲劳累积极限，钻具就将发生失效。
至于这种失效为什么往往发生在母扣接头以下0.4～0.6m处，且刚好处于钻具的加厚带区域。追溯钻杆生产工艺[10]便知：管体材质、接头和焊缝均已不是现代钻杆生产的瓶颈，加厚带及其附近位置已变为钻具最主要的应力集中点，因而也是最易发生疲劳损坏的位置，API及IADC数据库[11]显示大多数钻具的失效都发生在接头两端加厚带的位置(图7、8)。
3 推荐做法和预防措施
2010年的GB／T 24956～2010《石油天然气工业钻柱设计和操作限度的推荐作法》标准[9]中就曾给出井眼狗腿严重度和狗腿下的浮重对产生疲劳极限的线图，其中S135钢级几种尺寸钻具参考图9。
图9尽管对造斜点深浅与钻具失效的关系没有清晰表明，但狗腿度下的浮重则从更广的角度说明，斜井段受拉伸的钻具长度对起始斜井段的钻具疲劳极限起到至关重要的影响。也就是说，钻具所受拉伸应力越大，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅越小。井口附近狗腿最危险(即浅造斜点)，井越深越危险。
根据上面曲线图，以Æl27.0mm Sl35钻具为例，假定造斜点为300m，斜井段长度为3000m，则狗腿严重度临界值为3.44°／30m，在浅井造斜的情况下此造斜率非常容易超过。换而言之，这样的井使用的钻具在造斜段附近均处于疲劳损伤累积极限区域。
针对以上分析，根据常用的Æ127.0mm和Æ139.7mm钻具曲线图，反算出常用的钻杆容许的最大井眼曲率如表4，可在现场使用参考。以此表格对比发生失效的4口井的情况(表2)，可知其造斜点处的狗腿度均超过了容许限度，苟西003-Hl更是达到了6.24°／30m。
就设计部门而言，不唯深井超深井需关注井眼狗腿严重度问题，浅层造斜点的中深井设计也应能避免则避免，尤其是施工周期较长，钻具疲劳累计容易达到极限而造成频繁钻具刺漏、断钻具的井。
从现场检验角度而言，如果浅造斜点井已成事实，应对钻具疲劳寿命做出有效预测预警，估算累计疲劳破坏，对钻具做出及时检验。并可用此来识别疲劳钻杆并对疲劳钻杆进行分级，对经计算使用寿命已达100％以上的钻杆进行检查。若不降级使用或报废，则应尽可能地严密监测，镦粗带过渡区尤其需要严格检测[13]。对现场而言，应对钻具进行更严格的管理，及时倒换钻具，避免部分钻具始终处于弯曲疲劳极限区，造成损伤累积以致频繁批量的刺漏、断钻具。
4 结论
1)浅造斜点定向井施工一定周期后，发生严重的频繁刺漏、断钻具的主要原因是钻具疲劳损伤累积。
2)造斜点越浅，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅越小；较小的狗腿度即可达到损伤累积极限，井越深越危险。
3)钻杆镦粗加厚带及其附近位置为现代钻具生产的薄弱区，是最主要的应力集中点，因而也是最易发生疲劳损坏最终表现为刺漏、断的位置。
4)若非特殊设计目井的施工需要，钻井设计部门应尽可能避免设计浅造斜点的中深定向井；针对浅造斜点井设计，应根据钻具疲劳损伤累积法计算出最大许可狗腿度，从源头上避免使钻具进入损伤累积极限区的设计。
5)针对浅造斜点井，应对钻具疲劳寿命做出有效预测，进行更严格的管理，对钻具做出及时检验和分级，避免造成损伤累积以致频繁批量的刺漏、断钻具。
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本文作者：朱全塔 岳砚华 王德康 邹宗明 马林虎
作者单位：国民油井格兰特钻具有限公司
中国石油川庆钻探工程公司
中国石油川庆钻探工程公司川西钻探公司
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