油井鉆具完整性管理與風險控制

張來斌, 樊建春， 祖 強

(1.中國石油大學(北京)，北京102249；2.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000)

油井鉆具完整性管理與風險控制

張來斌1, 樊建春1， 祖 強2

(1.中國石油大學(北京)，北京102249；2.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000)

探索建立科學合理的在役鉆具檢測、評價、維護和使用管理體系,對有效防止鉆具失效而引發(fā)井下故障具有重要意義?；陲L險檢測(RBI)的理念，提出了依據(jù)鉆具失效風險實施完整性管理的方法，闡述了該管理方法的流程及主要內(nèi)容，分析了鉆具失效定性與定量風險評價應(yīng)考慮的主要因素，探討了基于風險的鉆具檢測策略和建立鉆具技術(shù)狀態(tài)及適用性評價標準的主要依據(jù)，結(jié)合磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用實例,介紹了實現(xiàn)鉆具視情狀態(tài)維修與使用管理的途徑。實踐表明，基于風險檢測的鉆具完整性管理，對于準確掌握鉆具技術(shù)狀態(tài)、有效防止因異常狀態(tài)鉆具入井而引發(fā)的井下故障及保障鉆具資源的合理利用具有重要作用。

鉆具失效 風險檢測 磁記憶檢測 完整性管理

在深井、超深井、水平井和分支井等復雜油氣井鉆井過程中,井下鉆具受復雜的拉、壓、彎、扭復合動載作用及井眼介質(zhì)條件的影響，易發(fā)生斷裂、刺漏等鉆具失效，對鉆井安全造成嚴重影響。近年來，隨著國內(nèi)復雜油氣井鉆井數(shù)量的不斷增加，鉆具失效問題日益突出[1-4]。如何及時準確地掌握在役鉆具的技術(shù)狀態(tài)，實施更為科學的鉆具完整性管理，防止帶傷鉆具再次入井而引發(fā)井下故障,是復雜油氣井鉆井工程中亟待解決的重大問題。

目前，國內(nèi)油田普遍采用鉆具分級管理模式，即主要依靠綜合檢測手段對在役鉆具進行定期檢測，并依據(jù)檢測結(jié)果對鉆具進行分級，根據(jù)具體井況選用相應(yīng)等級的鉆具。該管理模式盡管在一定程度上保證了鉆具的合理利用和入井鉆具的可靠性，但也存在著一些問題：1)對復雜油氣井而言，不同區(qū)塊、不同井型、不同井深和不同使用條件下，鉆具的損傷規(guī)律存在明顯差異，按照經(jīng)驗確定的檢測周期進行鉆具檢測分級，無法準確反映復雜工況下鉆具的技術(shù)狀態(tài)，難以確保入井鉆具的可靠性；2)不區(qū)分鉆具的具體使用情況，將成批鉆具定期運回基地進行系統(tǒng)的檢測分級，需耗費巨大的轉(zhuǎn)運成本和檢測費用；3)由于現(xiàn)有常規(guī)無損檢測技術(shù)無法反映鉆具接頭螺紋的累積疲勞損傷狀態(tài)，目前對于經(jīng)歷過惡劣井況的鉆具只能統(tǒng)一采取切修扣措施，以改善或減輕接頭螺紋敏感部位的應(yīng)力集中程度，這在相當大的程度上縮短了一大批正常狀態(tài)鉆具的使用壽命，造成不必要的鉆具資源浪費。為此，筆者依據(jù)風險管理的理念,提出了基于風險檢測的鉆具完整性管理方法，建立起以失效風險評價為基礎(chǔ)的鉆具優(yōu)化檢測程序，并通過采用磁記憶檢測技術(shù)實現(xiàn)了鉆具視情狀態(tài)維修,在有效降低鉆具失效風險的同時，節(jié)約了維修成本。

1 基于風險檢測的鉆具完整性管理模式

1.1 基于風險檢測概況

基于風險檢測(risk-based inspection，RBI)是一種追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟性統(tǒng)一的理念與方法[5]。該方法依據(jù)安全系統(tǒng)工程和風險管理的理念，在對系統(tǒng)中固有的或潛在的危險發(fā)生的可能性與后果進行科學分析的基礎(chǔ)上，找出薄弱環(huán)節(jié)，確定風險排序，然后根據(jù)系統(tǒng)中各單元的風險水平優(yōu)化檢測策略，并進行系統(tǒng)檢測，以取得最佳的系統(tǒng)維護效果，將系統(tǒng)風險控制在最低水平，在確保系統(tǒng)安全的同時，顯著降低系統(tǒng)的運行費用。

RBI在本質(zhì)上是一種動態(tài)和系統(tǒng)的檢測方法[6]。實施RBI需要在充分考慮設(shè)備的前期檢測結(jié)果、檢測有效性、設(shè)備服役時間、損傷水平和風險等級的基礎(chǔ)上，確定合理的檢測周期；強調(diào)以科學完善的系統(tǒng)風險評價為基礎(chǔ)，依據(jù)系統(tǒng)單元的風險排序合理配置檢測資源，即對高風險水平的單元配備更多高效檢測資源，同時也不忽視對低風險設(shè)備的管理。RBI能夠通過檢測資源的合理利用提高設(shè)備運行的可靠性，并有效節(jié)約維護成本。RBI的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1)提高對設(shè)備故障的預測能力和精細化安全管理水平，降低設(shè)備風險；2)有助于建立完善的設(shè)備完整性管理體系，提高風險管理水平； 3)通過實施優(yōu)化的檢測與維護策略直接降低設(shè)備運行成本；4)避免低風險設(shè)備的過度維修，顯著降低維修成本。

RBI最早由挪威船級社應(yīng)用于海洋平臺，美國石油學會先后發(fā)布了API 581和API 580等2個標準[7-8]，推進了RBI在石油化工領(lǐng)域和管道行業(yè)的廣泛應(yīng)用。國內(nèi)自本世紀初開始逐步推行RBI，并已在石化、油氣管道和海洋平臺等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[9-11]，但在鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段。

1.2 鉆具完整性管理流程

圖1所示為基于風險檢測的鉆具完整性管理流程。與一般設(shè)施的完整性定義類似,鉆具完整性是指鉆具在物理上和功能上是完整的，鉆具的技術(shù)狀況處于受控狀態(tài),通過持續(xù)不斷的鉆具全壽命周期管理，防止鉆具失效的發(fā)生。與現(xiàn)有的鉆具分級管理模式不同，基于RBI的鉆具完整性管理以鉆井作業(yè)中的鉆具失效風險評價為基礎(chǔ),依據(jù)失效風險對鉆具實施主動檢測與維護；其關(guān)鍵技術(shù)包括實際工況條件下鉆具的失效風險評價、基于風險的鉆具檢測程序優(yōu)化與實施、鉆具失效風險控制等。

鉆具完整性管理的具體步驟為：1)風險分析，即鉆柱和鉆具失效風險的定性或定量評價；2)基于風險的鉆具檢測，即按照鉆柱和鉆具失效風險排序來優(yōu)化配置檢測資源，實施檢測程序；3)風險控制，即通過采取鉆具技術(shù)狀態(tài)評價、狀態(tài)維修、視情分級使用、優(yōu)化鉆具組合、工況控制和鉆具重新設(shè)計選型等一系列控制措施，使入井鉆具的失效風險處于可接受水平；4)完整性管理監(jiān)控，即通過不斷跟蹤監(jiān)控、信息反饋和技術(shù)規(guī)范的持續(xù)完善與落實，確保在役鉆具的完整性。

2 鉆具失效風險評價方法

2.1 鉆具失效風險識別

鉆具失效風險識別的目的是確定風險來源，即依據(jù)鉆具失效分析、失效歷史記錄和同類鉆具的相關(guān)資料等掌握鉆具的主要失效類型、特征和原因。油井鉆具失效類型一般包括斷裂、刺漏、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕、磨損和機械損傷等，由于不同井況及鉆井工藝條件下的鉆具工況存在較大差異，不同類型的鉆具失效呈現(xiàn)不同特點，鉆具風險識別必須體現(xiàn)出這種差異。通過風險識別得出的塔里木山前構(gòu)造帶深井超深井鉆井鉆具失效的主要類型及特征如表1所示。

表1 塔里木山前構(gòu)造帶深井超深井鉆具失效的主要特征

Table 1 The drilling tool failure features in deep wells in the Tarim Oilfield

2.2 鉆具失效風險定性評價

鉆具失效風險定性評價是指針對不同區(qū)塊特定類型的鉆井作業(yè)，分析鉆具失效的可能性和失效后果，建立風險矩陣，確定鉆柱或單根鉆具不同部位的風險等級和風險排序。其中，失效的可能性需要依據(jù)具體作業(yè)區(qū)塊或類似區(qū)塊鉆具失效的歷史數(shù)據(jù)、具體的鉆井工況、現(xiàn)有檢測技術(shù)的有效性、使用鉆具的質(zhì)量水平、鉆具管理水平等情況進行分析，通常采取專家評分方法確定評價標準。失效后果主要依據(jù)已有的鉆具失效損失統(tǒng)計數(shù)據(jù)、鉆具失效可能引起的井下故障及處理的難易程度、費用及損失時間、失效時所處的鉆井階段、有無造成人員傷亡可能性等情況進行失效損失估計,由于鉆具失效導致的事故后效往往存在較大不確定性，可考慮將最嚴重情況下的損失水平作為評價依據(jù)。井下鉆具斷裂失效通常具有突發(fā)性，導致的后果也最為嚴重，但在鉆井不同階段和井下不同位置發(fā)生的鉆具斷裂，造成的后果及影響的范圍同樣也存在較大差別。失效后果評級標準則依據(jù)發(fā)生各類失效可能造成的生產(chǎn)損失水平的相對高低和是否會造成安全或環(huán)境災(zāi)難來制定。

鉆具失效可能性評級考慮的主要因素包括鉆井作業(yè)區(qū)塊、鉆井工況條件、鉆具失效/損傷類型或機制、損傷檢測方法的適合程度、使用鉆具的類型及質(zhì)量水平、該區(qū)塊或同類區(qū)塊同類井鉆具失效情況、井深與井身結(jié)構(gòu)、鉆井設(shè)計水平和鉆井質(zhì)量、鉆井作業(yè)管理水平以及鉆具管理水平。

鉆具失效定性評價所采用的風險矩陣如圖2所示，需要解決的核心問題是如何通過細化失效可能性與失效后果分析所考慮的主要因素來細化評級標準。

2.3 鉆具失效風險定量評價

鉆具失效風險的定量評價主要依據(jù)作業(yè)地區(qū)統(tǒng)計的鉆具失效概率和失效后果值計算風險值，其前提是已充分掌握了該地區(qū)或同類地區(qū)鉆具失效的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及失效損失情況，如萬米進尺鉆具斷裂次數(shù)和鉆具斷裂引發(fā)的井下故障的損失情況等。鉆具失效風險的計算公式為：

Ri=K1K2F0Ci

(1)

式中：Ri為鉆具失效風險；K1為區(qū)塊修正因子；K2為管理評價因子；F0為一般失效概率，例如鉆桿、鉆鋌的失效概率分別為2.6×10-6和2.4×10-6；Ci為失效后果值。

在選取區(qū)塊修正因子K1時，需要考慮技術(shù)模量因子(損傷速率、檢測有效性等)、井況因素(井深、井身結(jié)構(gòu)、介質(zhì)條件、地層條件等)、機械因素(鉆柱復雜性、鉆具標準、壽命周期、安全系數(shù)等)和工藝因素(鉆井方式、鉆井負荷等)。在選取管理評價因子K2時，需要考慮的因素包括監(jiān)督管理水平、井隊管理水平、鉆具管理水平及規(guī)范完善程度等。選取失效后果值Ci時，需將各種可能導致的損失統(tǒng)一折算為費用進行估算，以斷裂失效為例，包括鉆具損失、引發(fā)的井下故障處理費用、鉆井時間損失等。

對單根鉆具而言，風險值的計算需要細化到鉆具各部位，從而得出整個單根鉆具上的失效風險值的分布情況，以便在制定風險檢測計劃時針對不同部位確定不同的檢測策略；而對鉆柱而言，則需要計算構(gòu)成鉆柱的單根鉆具風險值，從而得出整個鉆柱上不同部位鉆具的失效風險分布，以利于確定各鉆具的風險檢測策略。單根鉆具的失效風險為各單元風險之和，整個鉆柱的失效風險為各單根鉆具的風險之和。

2.4 鉆具失效風險分布

通過系統(tǒng)的鉆具失效風險評價最終需要確定：1)不同作業(yè)區(qū)塊的總體鉆具失效風險排序；2)同一作業(yè)區(qū)塊內(nèi)單井鉆具的總體失效風險水平；3)井下鉆柱的失效風險分布；4)單根鉆具的失效風險分布。其中，后兩項是測算單井和區(qū)塊總體失效風險的基礎(chǔ)。工程實踐表明：對陸上直井而言，絕大多數(shù)鉆具失效發(fā)生在鉆桿的加厚過渡帶和鉆具連接螺紋部位，與這些部位突出的應(yīng)力集中程度有密切關(guān)系。在鉆具失效類型中，突發(fā)疲勞斷裂造成的后果往往最為嚴重；對深井超深井鉆柱，處于井口受拉段的鉆具通常承受最大拉應(yīng)力，而處于中性點附近及以下承受較大彎曲應(yīng)力作用的鉆具受強烈的橫向振動和交變載荷的影響，易發(fā)生疲勞斷裂，通常處于這些位置的鉆具失效風險較高。

3 基于風險的鉆具檢測方法

3.1 鉆具風險檢測程序

基于風險的鉆具檢測將風險分析與完整性分析相結(jié)合，根據(jù)鉆井作業(yè)區(qū)塊的鉆具失效風險等級，從經(jīng)濟性和安全性的角度制定明確的檢測策略(檢測頻率、檢測范圍和檢測方法)，強調(diào)將主要檢測資源集中于高風險鉆具或部位，而將少量檢測資源應(yīng)用于低風險部位，并找出在當前可接受風險水平下無需檢測或可采取其他風險降低措施的鉆具。因此，RBI能夠在降低風險和改進鉆井安全水平的同時，更為合理地利用檢測資源和鉆具資源，降低成本。鉆具風險監(jiān)測的主要步驟為：

1) 根據(jù)鉆具使用記錄和井況，分析鉆柱失效風險，確定在役鉆具的失效風險值；

2) 依據(jù)鉆具的可能失效類型及風險分布，制定個性化的鉆具檢測計劃；

3) 依據(jù)檢測計劃對鉆具進行檢測，評判每一鉆具的技術(shù)狀態(tài)并進行分級；

4) 按鉆具分級結(jié)果分別保存鉆具，或進行修復，修復后的鉆具需要重新檢驗并進行分級；

5) 依據(jù)井況分析鉆具使用的安全性，結(jié)合具體井的鉆柱失效風險和鉆具等級，優(yōu)化鉆具組合，實現(xiàn)鉆具的視情合理使用。

3.2 鉆具檢測重點

鉆具風險檢測的重點監(jiān)控對象是作業(yè)周期長、存在高研磨性巖層、可鉆性差等復雜油氣井中的鉆具，對用于直井鉆井的鉆具，需要重點檢測的是其螺紋連接部位和加厚過渡帶。對用于深井超深井鉆井的鉆具，絕大多數(shù)鉆具失效出現(xiàn)在應(yīng)力集中突出的鉆具連接螺紋部位和加厚過渡帶,其中突發(fā)的疲勞斷裂后果最為嚴重。鉆具的疲勞損傷與應(yīng)力集中現(xiàn)象關(guān)系十分密切,鉆具應(yīng)力集中部位在反復的交變應(yīng)力作用下,其應(yīng)力集中程度會進一步加劇并逐步誘發(fā)疲勞微裂紋,裂紋進一步擴展最終導致鉆具斷裂。因此，采用對應(yīng)力集中和早期疲勞裂紋敏感的檢測方法，盡早發(fā)現(xiàn)鉆具應(yīng)力集中突出部位的異常變化，防止發(fā)生疲勞破壞，是降低鉆具失效風險的關(guān)鍵。圖3為采用磁記憶檢測方法對在役鉆具內(nèi)外螺紋的檢測結(jié)果與其應(yīng)力分布的對比圖。由圖3可知，磁記憶檢測所反映的應(yīng)力集中突出部位與理論分析結(jié)果有良好的對應(yīng)關(guān)系，而該部位也正是鉆具螺紋發(fā)生疲勞斷裂最頻繁的位置?？梢姡庞洃洐z測方法能準確反映螺紋部位的應(yīng)力集中分布狀況,解決常規(guī)檢測手段無法早期發(fā)現(xiàn)疲勞損傷的難題。

3.3 鉆具技術(shù)狀態(tài)及適用性的評判

依據(jù)檢測結(jié)果評價在役鉆具的技術(shù)狀態(tài)及其適用性是鉆具完整性管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體評判時考慮的主要因素包括：

1) 檢測單根鉆具的主要損傷缺陷類型、損傷程度及損傷位置；

2) 鉆具的使用與維護歷史；

3) 作業(yè)區(qū)塊的總體井況或具體油氣井的工況條件；

4) 結(jié)合具體工況對有缺陷的被測鉆具進行剩余工作能力的評價；

5) 可接受的安全裕度，即考慮實際井下工況存在的不確定性、鉆具材質(zhì)不均、實際檢測結(jié)果存在的誤差及檢測方法自身局限性等因素應(yīng)選取的安全系數(shù)。

值得指出的是，現(xiàn)行鉆具管理中主要依據(jù)鉆具的壁厚減薄量或缺陷深度、尺寸變化和變形情況評判鉆具技術(shù)狀態(tài)的做法顯然存在較大的局限性，如同樣深度的腐蝕坑點與裂紋的應(yīng)力集中程度存在明顯差異，各自代表的危險程度事實上是不同的；即便檢測并沒有發(fā)現(xiàn)顯著宏觀缺陷的鉆具，但其敏感部位應(yīng)力集中程度相比其原始狀態(tài)、新鉆具或其附近區(qū)域若呈現(xiàn)顯著增高的狀況，也不能直接入井使用。因此，開發(fā)以應(yīng)力集中狀況為主要依據(jù)的技術(shù)狀態(tài)評判體系，是鉆具完整性管理的重要發(fā)展方向。

4 鉆具的視情狀態(tài)維修與使用管理

現(xiàn)行生產(chǎn)中，對高風險油氣井使用過的鉆具統(tǒng)一采取切修扣的處理方式，存在著過度維修問題。為此，筆者引入磁記憶檢測方法實現(xiàn)鉆具視情狀態(tài)維修(維修流程如圖4所示)：采用磁記憶檢測工具掃描分析在役鉆具螺紋部位的應(yīng)力集中狀況，評定其技術(shù)狀態(tài)；評定結(jié)果為正常狀態(tài)的鉆具，無需修扣可直接回用；評定結(jié)果為異常狀態(tài)的鉆具，則依據(jù)發(fā)生應(yīng)力集中異常的具體位置確定切修扣長度，修扣后再采用磁記憶方法進行復檢，以確定修扣后應(yīng)力集中狀況的改善效果；改善效果好的鉆具則投入回用，效果不理想的鉆具則需限制其使用范圍或進行再次修扣。

塔里木山前構(gòu)造帶鉆井使用的一批典型規(guī)格鉆具修扣前后平均應(yīng)力集中程度的總體變化情況如圖5所示，采用磁記憶信號的梯度峰峰值表征應(yīng)力集中狀況。圖6對比分析了某根鉆具內(nèi)螺紋修扣前后的磁記憶信號檢測參數(shù)的變化。由圖5、圖6可以看出，切修扣處理可顯著降低鉆具的應(yīng)力集中程度，可將原來因經(jīng)受高應(yīng)力作用而出現(xiàn)的應(yīng)力集中突出部位趕到載荷工況較輕的位置上。通過磁記憶檢測，人們能夠準確掌握鉆具螺紋的實際應(yīng)力集中狀況，一方面可以避免對一大批狀態(tài)正常的鉆具進行不必要的切修扣處理，延長鉆具的使用壽命，節(jié)約維修成本；另一方面，掌握修扣后鉆具螺紋的應(yīng)力集中狀態(tài)，可為現(xiàn)場鉆具的合理應(yīng)用提供依據(jù)。

5 結(jié) 論

1) 基于風險檢測的鉆具完整性管理的核心是，借助風險評價方法確定生產(chǎn)中鉆具的失效風險排序、依據(jù)失效風險對鉆具實施主動檢測、維護和視情使用，確保入井鉆具的失效風險處于可接受水平。

2) 鉆具失效定性評價需解決的核心問題是，如何通過細化失效可能性與失效后果分析所考慮的主要因素來細化評級標準，鉆具失效風險的定量評價可以得到鉆具的失效風險分布，從而確定各鉆具的風險檢測策略。

3) 開發(fā)以應(yīng)力集中狀況為主要依據(jù)的技術(shù)狀態(tài)評判體系，是鉆具完整性管理的重要發(fā)展方向。

4) 磁記憶檢測技術(shù)對于準確掌握鉆具的技術(shù)狀態(tài)(含應(yīng)力集中狀況)，實現(xiàn)鉆具的主動視情狀態(tài)維修、管理和使用，有效防止“帶傷”鉆具入井引發(fā)井下故障，降低維修成本和保障鉆具資源的合理利用具有十分重要的意義。

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[編輯 陳會年]

The Drilling Tool Integrity Management on the Basis of Risk-Based Inspection

Zhang Laibin1， Fan Jianchun1， Zu Qiang2

(1.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing，102249,China；2.PetroChinaTarimOilfieldBranch,Korla，Xinjiang，841000,China)

The establishment of a scientific and reasonable management system for the in-service drilling tool detection，assessment，maintenance and utilizations is very important to prevent downhole troubles caused by drilling tool failure. A drilling tool integrity management method on the basis of risk-based inspection (RBI) is proposed, and the management process and its content are described. The main factors which should be taken into account in the risk assessment of drilling tool failure are analyzed qualitatively and quantitatively. The strategy of risk-based inspection and primary basis for evaluating the technical condition of drilling tools as well as its applicability have been investigated. The ways to achieve drilling tool maintenance and management based on its condition were illustrated through the application examples of magnetic memory inspection. Practice shows that the drilling tools integrity management through RBI method can play an important role in monitoring the technical condition of drilling tools, preventing damaged tools from running in hole and resulting in downhole troubles, keeping the reasonable utilization of tool resources.

drilling tool failure；risk-based inspection；magnetic memory inspection；integrity management

2015-05-19。

張來斌(1961—)，男，安徽銅陵人，1982年畢業(yè)于華東石油學院機械系，1991年獲石油大學(北京)機械工程專業(yè)博士學位，教授，博士生導師，主要研究方向為油氣井完整性、安全檢測與智能診斷。系本刊編委會副主任。

國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局科技攻關(guān)項目“高含硫氣田勘探開發(fā)安全關(guān)鍵技術(shù)研究”及塔里木油田科研項目“鉆柱疲勞損傷一體化監(jiān)控技術(shù)推廣應(yīng)用”(編號：201013100220)聯(lián)合資助。

?專家視點?

10.11911/syztjs.201503001

TE92

A

1001-0890(2015)03-0001-06

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