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某页岩气井连续油管震击器断裂案例分析
摘要：某页岩气井连续油管钻磨桥塞过程中发生一起震击器芯轴断裂事故，通过对工具断裂情况进行宏观分析，初步判断为弯扭断裂。结合震击器使用工况和受载特点，利用泵压数据进行傅里叶变换并得到泵压变化频谱，分析并认定是由于使用偏心磨鞋造成了泵压振动频率明显增大，泵压的高频波动增加了震击器芯轴的应力疲劳程度，最终造成了芯轴的断裂，并提出了改进建议。
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随着国家非常规油气资源战略的实施，对页岩气的勘探开发力度不断加大，在川渝地区的开发取得了重大的成功。由于页岩气井普遍存在井较深、水平段长、分段多、施工压力高等，导致连续油管作业难度增大。特别是长水平段连续油管钻塞工艺，为了确保连续油管顺利下入到目的深度并完成桥塞的钻除，同时确保钻塞作业过程中不出现卡钻等难题，通常需要在钻磨工具串中使用震击器工具。
震击器作为长水平段页岩气井连续油管钻塞工具串中不可缺少的重要工具之一，在正常钻塞过程中要承受拉、压、弯、扭综合交变应力作用。当出现卡钻时，震击器通过花键芯轴端面对花键台肩产生的高速冲击使钻磨管柱向上或向下震击直至卡点解卡，有时震击次数高达上百次，所以震击器花键芯轴在解卡过程中受力复杂，不仅要承受拉、压、弯、扭综合交变应力作用，而且还要承受震击产生的较大振动和冲击。
某连续油管作业队在进行页岩气井钻磨桥塞过程中发生了一起震击器芯轴断裂事故，对整个作业过程造成了一定的影响，为了防止类似事故再次发生，对该震击器芯轴断裂原因进行了分析。
1、井况和案例概述
某页岩气井人工井底4326 m，A靶点2860 m，水平段长度1466 m，完井方式为Φ139.7 mm套管完井，套管内径为Φ115.02 mm。该井自压裂施工后，计划采用连续油管携带钻磨工具串将井内20支桥塞钻除。在钻磨至第11支桥塞过程中，发现悬重一直没有恢复，起出连续油管到井口，检查发现工具串中的震击器芯轴已断裂，螺杆马达及磨鞋落井(井下钻磨工具串组合为：铆钉式连续油管连接器Φ73 mm×0.20 m +马达头总成Φ73 mm×0.90 m +震击器Φ73 mm×2.04 m +螺杆马达Φ73 mm×3.96 m +偏心磨鞋Φ88 mm×0.4 m)，见图1、图2所示。
图1数据采集系统的数据回放曲线
图2断裂的震击器实物图
工具起出井口后，发现震击器芯轴断裂。端口呈螺旋状，断面平整。震击器下端及螺杆马达、磨鞋落井。事故发生以后，先后使用Φ98 mm打捞筒、Φ90 mm偏心磨鞋、Φ73 mm强磁、Φ93 mm铅印、Φ93 mm打捞筒进行鱼头处理、打捞。最终打捞成功，井下落鱼全部被打捞出井。打捞完成后，继续进行钻磨作业，并完成该井全部施工任务。
2、案例原因分析
事故发生以后，经过初步分析，认为震击器芯轴断裂原因可能有以下三个方面：(1)套管变形，选用的磨鞋外径过小；小尺寸的磨鞋在钻磨桥塞时产生的碎屑大而不均匀，导致钻磨过程中井下工具受力复杂；另外，小尺寸偏心磨鞋旋转扶正作用较弱，导致工具串共振点变化；(2)震击器重点部位探伤未做；(3)新使用偏心磨鞋，由于偏心磨鞋属测试阶段，对工具串的影响情况未知。
根据震击器断面形态(螺旋状，扭转断裂)、端面平整(剪切断裂)初步判断为弯扭断裂。为进一步分析震击器芯轴断裂原因，分别采用本次事故案例发生前30 min、后30 min，本平台另外一口同类型施工结束井(采用过偏心磨鞋，简称对比井1)、本区域同类型施工结束井(采用过平底磨鞋，简称对比井2)数采数据分别进行分析。
选择的施工数采均为使用震击器且均去除井口压力影响。使用泵压数据进行傅里叶变换并得到泵压变化频谱，见图3。
图3断裂前泵压频谱
本井震击器断裂前30 min数采数据变换后，泵压频谱显示最大泵压振动频率1745～3675 Hz，泵的排量400 L/min，见图4；
图4震击器断裂后泵压频谱
本井震击器断裂后30 min数采数据变换后，泵压频谱显示泵压振动频率分别为3.33 Hz、4.75 Hz、4.75 Hz、3.33 Hz，泵的排量400 L/min，见图5；
图5偏心磨鞋泵压频谱
对比井1：使用偏心磨鞋后泵压频谱显示泵压振动频率分别为34.33 Hz、45.68 Hz、45.68 Hz、34.33 Hz，泵的排量390 L/min，见图6；
图6平底磨鞋泵压频谱
对比井2：使用平底磨鞋后泵压频谱显示泵压振动频率分别为0.62 Hz、0.43 Hz、0.43 Hz、0.62 Hz，泵的排量420 L/min，见图7；
图7平底磨鞋泵压频谱
对比井2：使用平底磨鞋后泵压频谱显示泵压振动频率分别为1.48 Hz、1.10 Hz、1.10 Hz、1.48 Hz，泵的排量290 L/min。
表1频谱分析结果
根据表1频谱分析结果可以看出，使用偏心磨鞋与平底磨鞋相比，在泵压相近时频率相差50～100倍；使用平底磨鞋低钻速时，偏心磨鞋频率是平底磨鞋频率的30倍。由此可见使用偏心磨鞋使泵压振动频率明显增大。泵压的高频波动增加了震击器芯轴的应力疲劳程度。
根据断裂前30 min数采分析，断裂前泵压频率明显增大，是平时的50～700倍，可见此时井下工具状态已发生改变，也是震击器芯轴断裂的前兆。
3、总结认识
(1)在现场作业中，使用新型工具之前，应进行充分的调研和测试，防止因为新型工具原因致使发生井下事故。
(2)井下事故的发生与井下工具的产品性能、使用程度有一定关系，新工具入库检验、合格证明及关键部位探伤检测等必不可少。
(3)若继续使用偏心磨鞋，应通过模拟或试验变更井下工具组合或转移共振点，以确保钻磨工具串的整体稳定性。
4、结论
(1)由于页岩气井施工难度大，使用新工具前应进行充分的调研和预测分析，将使用风险降至最低。
(2)页岩气套变井钻磨时所选用的小尺寸磨鞋，可能会导致钻磨碎屑颗粒不均匀，应充分利用类似事故案例总结出小尺寸磨鞋钻磨经验，优化钻磨工艺参数。
(3)加强对下井工具的维保检测管理，确保入井工具状态良好。
参考文献:
[1]潘志勇,刘永刚,王新虎,等.两起震击器花键芯轴断裂原因分析及改进措施[J].石油矿场机械,2019,38(7):67-70.
[2]李瑞峰,林俊文,岳宝,霖.等.渤海油田某井震击器断裂落井事故分析[J].石化技术,2020(1):72-74.
[3]王东东,邱小华,王太,等.渤海油田完修井中加强型震击器的研究应用[J].中国石油和化工标准与质量,2021(7):110-111.
[4]杨国圣,张玉清.涪陵页岩气工程技术实践与认识[M].中国石化出版社,2015,12.
文章来源:柳秀涛,吴永兴.某页岩气井连续油管震击器断裂案例分析[J].石化技术,2024,31(08):200-202.
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2024-08-31
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