鉆井過程中鉆具失效的預防

1、中國石油大學（華東）現代遠程教育畢業(yè)設計（論文） 題 目： 鉆井過程中鉆具失效的預防學習中心： 華北學習中心 年級專業(yè)： 函授13級 石油工程 學生姓名：路慶輝 學 號： 指導教師： 職 稱： 導師單位： 中國石油大學（華東）遠程與繼續(xù)教育學院論文完成時間： 2015 年 06 月 10 日15中國石油大學（華東）現代遠程教育畢業(yè)設計（論文）任務書發(fā)給學員 1設計(論文)題目： 鉆井過程中鉆具失效的預防 2學生完成設計(論文)期限： 2014 年 9 月 1 日至 2015 年 3 月 1 日 3設計(論文)課題要求：摘要應簡要說明畢業(yè)設計（論文所研究的內容、目的、論文的基本思路和邏輯結構、實

2、驗方法、主要成果和結論，應能反映整個內容的精華。一般為300字左右。關鍵詞是為用戶查找文獻，從文中選取出來用以提示全文主題內容的一組詞語或術語，應盡量采用詞表中的規(guī)范詞參照相應的技術術語標準。標題層次要清晰，目錄中標題與下文中標題要一致。畢業(yè)設計（論文）主體內容在5000到8000字為宜，一般應包括前言、正文、結論等部分。結論集中反映作者的研究成果，表達作者對所研究課題的見解，是全文的思想精髓，是文章價值的體現。結論要寫得概括、簡短。參考文獻反映畢業(yè)設計（論文）的取材來源、材料的廣博程度和可靠程度。參考文獻不宜過多，只列作者直接閱讀過，在正文中被引用過的中外文獻資料。 4實驗（上機、調研）部分

3、要求內容：通過進行社會調查研究， 培養(yǎng)綜合分析能力。 5文獻查閱要求：認真檢索與閱讀中、外文獻資料，希望能查閱到與所選研究課題有關的文獻，學會文獻資料收集和整理、使用，提出論點、綜合論證、總結寫作等基本技能。 6發(fā) 出 日 期： 2014 年 9 月 1 日 7學員完成日期： 2015 年 2 月 10 日指導教師簽名： 學 生 簽 名： 摘 要石油鉆桿在鉆井服役中受拉力和壓力作用，并承受彎曲扭轉載荷，鉆頭對巖石的沖擊還引起鉆桿的強烈振動。經服役的鉆桿，常有疲勞和腐蝕裂紋等缺陷產生，造成重大經濟損失。 鉆桿的失效有裂紋、刺穿和斷裂三種表現形式。刺穿是高壓鉆井液作用下通過穿透裂紋的縫隙，先決條件

4、是存在穿透裂紋。疲勞一般發(fā)生在兩個區(qū)域，一是管體外表面，該處界面抗彎模量最小，應力幅值高，二是內加厚過渡區(qū)與管體交界處，這里因幾何形狀不連續(xù)造成應力集中。其裂紋誘發(fā)的原因是在鉆井過程中鉆桿的旋轉彎曲疲勞破壞、外表面的刻槽、幾何尺寸的變化、腐蝕坑等。鉆桿綜合檢測和鉆桿參數評價技術的研究應用，可預測出即將產生的缺陷部位，評價鉆桿的疲勞、腐蝕，磨損程度和使用可靠性，對保證鉆井作業(yè)的安全具有重要。 關鍵詞：鉆具,失效原因,預防措施目 錄第一章 前言1第二章 鉆具失效分析的程序和步驟22.1鉆具失效分析程序圖。22.2整個失效分析過程的幾個環(huán)節(jié)。32.2.1斷口分析32.2.2鉆具的工作狀態(tài)3第三章 鉆

5、具的受力分析53.1軸向力。53.2彎曲扭矩。53.3離心力。53.4扭轉力矩。53.5動載。6第四章 鉆具失效原因74.1低應力脆裂。74.2應力腐蝕斷裂。74.3氫脆。74.4疲勞腐蝕8第五章 鉆具失效的預防9第六章 結論11參考文獻12致 謝13第一章 前言據統(tǒng)計，我國每年發(fā)生鉆具事故數百起，經濟損失數億元。在鉆具失效停用數量中，按多少順序排列，依次為：腐蝕坑-均勻磨損-卡瓦損傷-偏磨-裂紋-其他。鉆具失效形式主要有鉆具斷裂、鉆具刺漏、鉆具內螺紋接頭漲扣、鉆具內螺紋接頭開裂、鉆具偏磨等等。尤其是在深井、超深井以及水平井、大位移井等復雜井的作業(yè)過程中，鉆具斷裂的危害尤其嚴重，輕者增加鉆井成

6、本，延長鉆井周期，重者導致填井側鉆甚至于整井報廢。在深井、超深井等復雜井的鉆探作業(yè)中，用雙扭矩臺肩的鉆具可以有效的提高鉆具承載能力，降低鉆具的斷裂失效事故，提高鉆具的安全可靠性。第二章 鉆具失效分析的程序和步驟當發(fā)生鉆具事故,要很快的找出事故原因,就要掌握鉆具失效的分析方法.鉆具失效分析方法簡要介紹如下:2.1鉆具失效分析程序圖。截取試樣金相分析微觀斷口分析化學成分分析常規(guī)力學分析確定失效的性質綜合分析確定失效的原因下步改進的措施現場調查及殘骸分析調查加工和服役歷史初步觀察分析無損檢測分析失效（故障）發(fā)生宏觀斷口分析圖2-1 鉆具時效分析程序圖2.2整個失效分析過程的幾個環(huán)節(jié)。收集失效件的背景

7、數據。主要包括加工制造歷史、服役條件和服役歷史。失效件的外觀檢查。包括：失效件的變形情況，有無鐓粗、下陷、內孔擴大、彎曲、縮徑、斷面解理形狀等；失效件表面的加工缺陷，如：焊疤、折疊、瘢痕、刮傷、刀痕、裂紋等。斷裂部位所在的位置，是否在鍵槽、尖角、凹坑等應力集中處。觀察表面有無氧化、腐蝕、撕咬、磨損、龜裂、麻坑等。2.2.1斷口分析斷口記錄了斷裂材料主裂縫所留下的痕跡。通過對斷口形貌的分析，不僅可以得到有關部件使用條件和失效特點的資料，還可以了解斷口附近材料的性質和狀況，進而判明斷裂源、裂紋擴展方向和斷裂順序，確定斷裂的性質，從而找到斷裂的主要原因。鉆具的服役條件及主要失效類型2.2.2鉆具的工

8、作狀態(tài) 在鉆井過程中，鉆具是在起下鉆和正常鉆進兩種工序中交替工作的。起下鉆時，鉆具處于受拉狀態(tài)；鉆進過程中，其狀態(tài)比較復雜，處于由拉、壓、扭等狀態(tài)。在轉盤鉆進時，鉆具好似一根細長的旋轉軸。在部分自重產生的軸向壓力作用下，下部鉆具不穩(wěn)定呈彎曲狀態(tài)，由于受到井眼的限制，可產生多次彎曲；上部鉆具由于旋轉產生的離心力作用不能保持直線狀態(tài)，再加上扭矩的作用，整個鉆具成一個近似螺旋形曲線的形式進行復雜的旋轉運動。成螺旋形的鉆具在井中有公轉、自傳、自轉和反公轉三種運動方式。自轉-指整個鉆具在井中繞自身軸線旋轉。這樣的轉動使鉆具均勻磨損，并經受交變彎曲應力而使鉆具產生疲勞。公轉-鉆具在壓力、拉力、離心力和扭矩

9、的聯合作用下，其軸線彎曲成變波平面正弦曲線形狀，整個軸線按轉盤的旋向繞井眼軸線旋轉。這樣的旋轉式鉆具與井壁摩擦產生偏磨。反公轉-鉆具在自轉和公轉過程中，受到鉆井液摩擦阻力、井壁阻力和井底地層對鉆頭抵抗力的影響，會產生反公轉，從而使鉆頭橫向擺動，影響鉆頭的使用和鉆具的使用壽命。第三章 鉆具的受力分析鉆具的受力狀態(tài)與所選用的鉆井方式有關，在不同的工作狀態(tài)和不同的位置作用著不同的載荷。概括起來，鉆具在井內主要受有以下幾方面力的作用：3.1軸向力。有鉆具自重、鉆井液對鉆具的浮力、井壁和鉆井液對鉆具的摩擦阻力、鉆壓等。一般情況下，井口的拉力最大，"中和點”下部鉆具因鉆壓的作用，承受壓力，井底壓

10、力最大。在鉆井液中鉆具受到浮力的作用，軸向拉力會減??；在起鉆過程中，鉆具與井壁之間的摩擦力以及遇阻、遇卡，均會增大鉆具上的拉伸載荷。下鉆時則與起鉆承載相反。徑向擠壓力起下鉆作業(yè)時，卡瓦對鉆具產生的擠壓力。管外液柱產生的擠壓力。地層形變產生的擠壓力。3.2彎曲扭矩。彎曲力矩是因鉆具上有彎曲變形存在而產生。正常鉆進時，當下部鉆具受壓彎曲時，以及轉盤鉆進中由于離心力的作用和井眼偏斜、彎曲等都能使鉆具發(fā)生彎曲，于是產生彎矩。彎曲的鉆具在繞自身軸線旋轉時，就會承受交變的彎曲應力。最大的彎曲應力產生在撓度最大處。3.3離心力。彎曲的鉆具繞井眼軸心旋轉時產生的離心力，可使鉆具更加彎曲，使彎曲應力增加。3.4

11、扭轉力矩。轉盤通過鉆具帶動鉆頭旋轉，破碎巖石，并克服鉆具與井壁和鉆井液的摩擦阻力，使鉆具承受扭轉力矩。由于受到井壁和鉆井液摩擦阻力的影響，井口的扭矩比井底大。當在井底使用動力鉆具（渦輪鉆具、螺桿鉆具等）時，作用在鉆具上的反扭矩，井底大于井口。鉆具的振動 鉆進時，由于地層的軟硬不均、井底不平，特別是用牙輪鉆頭時，牙輪的滾動，引起鉆具縱向振動，使“中和點”上下移動，產生交變的擠壓應力。當外界周期的干擾力與鉆具的固有頻率相同時，引起共振，出現劇烈的“跳鉆”。跳鉆會引起鉆具的疲勞破壞。 鉆具的旋轉還會使鉆具產生兩種振動。第一種是由于鉆頭結構、地層、鉆壓等因素的變化引起的扭轉振動。當轉速達到某一臨界值時

12、，鉆具出現扭轉共振，即“蹩跳”。第二種是橫向振動。這是在轉速達到某一臨界轉速下，鉆具出現的自激晃振擺動，它會引起鉆具的嚴重偏磨和彎曲疲勞破壞。3.5動載。起下鉆過程中，由于鉆具運動速度的變化，會引起鉆具的縱向動載，在鉆具中產生縱向瞬時交變應力。動載的大小與操作有關。 由以上分析得知，井口和井底附近的鉆具所承受的拉力、扭矩、彎曲和沖擊力等均較大。但上述幾種載荷有些是同時出現，使鉆具的受力呈現復雜狀態(tài)。鉆具的主要失效類型 根據上面對鉆具服役條件的分析，鉆具的受力狀態(tài)十分復雜，失效的形式也多種多樣。既有靜載，又有沖擊載荷，而且拉、壓、彎、扭無一不有，且大都是交變載荷。工作時又要受到腐蝕、磨損、溫度及

13、壓力的影響。歸納起來，主要有過量變形、斷裂和表面損傷三類。過量變形 它是由于工作應力超過材料的屈服極限引起的。鉆具的過量變形主要有螺紋部分的拉長，鉆桿本體的彎曲和扭曲（即螺旋形彎曲）。其中鉆桿本體的彎曲和扭曲比較常見。斷裂第四章 鉆具失效原因鉆具的斷裂時有發(fā)生，在鉆具失效中的比例較大，它的危害也嚴重。斷裂主要形式有過載斷裂、低應力脆裂、應力腐蝕、氫脆斷裂、疲勞斷裂和腐蝕疲勞破裂等。過載斷裂：它是由于工作應力超過材料的抗拉強度引起。如鉆桿遇卡提升時焊縫熱影響區(qū)的斷裂及蹩鉆時的鉆桿管體折裂。4.1低應力脆裂。低應力脆裂與表面或內部存在缺陷及不良的顯微組織有關，也與受力部位交變頻繁受力有關。如焊縫的

14、脆性斷裂、鉆鋌接頭螺紋部位脆性斷裂。低應力脆性斷裂的主要特點是，脆斷時的使用應力一般低于其屈服強度；易從應力集中嚴重處斷裂，尤其受到沖擊載荷時更為顯著；宏觀斷口齊平，無明顯塑性變形。4.2應力腐蝕斷裂。它是鉆具失效的常見形式。如鉆具在含硫油氣井中硫化物應力腐蝕破裂，鉆具接觸某些腐蝕介質（如鹽酸、鹽類）時的應力腐蝕開裂。有經驗表明，應力集中處對腐蝕介質的敏感度有增強作用，這對鉆具的失效具有不良的促進作用。硬的和脆性鋼比韌性鋼更容易發(fā)生應力腐蝕破壞。4.3氫脆。當金屬晶格中吸附有過多的氫原子時，在拉應力的作用下可使材料產生氫脆。實際上，由硫化氫和鹽酸引起的應力腐蝕其本質是由于氫的作用造成的，所以叫

15、氫脆。尤其對高強度鋼更是敏感。在川東地區(qū)因地層含硫禁止使用高鋼級鉆桿，推薦使用抗硫鉆桿。疲勞：一般發(fā)生于鉆桿內加厚過渡區(qū)、鉆桿、鉆鋌和轉換接頭螺紋部位等截面變化區(qū)域或因表面損傷而造成的應力集中區(qū)。如接頭螺紋根部的疲勞斷裂（為此曾在螺紋根部端設計應用應力減輕槽），鉆桿過渡帶疲勞腐蝕刺穿和方鉆桿標尺焊疤處材料組織的改變引起的應力集中造成的疲勞腐蝕刺穿。4.4疲勞腐蝕是交変載荷和鉆井液等腐蝕介質聯合作用的結果，在鉆具失效中約占40%，且以鉆桿為主。在鉆桿失效中，約80%為腐蝕疲勞。與普通疲勞一樣，裂紋產生于應力集中嚴重部位或一表面腐蝕坑等為萌生裂紋源并擴展。最典型的是鉆鋌螺紋根部的疲勞裂紋和鉆桿過渡

16、帶疲勞裂紋刺穿。表面損傷 包括腐蝕、磨損和機械損傷三方面。表面損傷比較容易發(fā)現和判斷。腐蝕：均勻腐蝕，它是由于化學或電化學反應造成的金屬暴露的全部表面或大部分表面上發(fā)生的腐蝕。如鉆具銹蝕。點蝕（小孔腐蝕），如鉆桿存放或使用過程中內外表面的不均腐蝕，點蝕常常會誘導腐蝕疲勞和應力腐蝕或脆性斷裂。縫隙腐蝕，如鉆桿內加厚過渡區(qū)表面褶皺處的鉆井液腐蝕。磨損：粘著磨損：如鉆具螺紋部位的磨損。磨料磨損：如井壁對鉆具的磨損。沖蝕磨損：如鉆具內外表面及螺紋連接部分受到鉆井液的沖蝕損壞。機械損傷：如表面碰傷、焊疤、大鉗卡瓦及其他工具咬傷第五章 鉆具失效的預防根據深井鉆具失效的類型、主要特點和影響因素,從優(yōu)化鉆具內

17、部組織性能和外部使用方法出發(fā) , 提出5 條預防鉆具失效的措施。1 .加強鉆具的探傷和檢驗鉆具的檢驗和探傷可分為三個層次進行, 第一是井隊在起下鉆時快速目測檢測 ; 第二是專門人員在現場管架上進行目測及使用儀器檢驗; 第三是在管子站進行全面嚴格的分級檢驗。2. 選擇合適的彎曲強度比和最佳緊扣扭矩(1)應該選擇適合本地區(qū)的彎曲強度比( 2. 0 3 . 2) , 以保證內、外螺紋接頭彎曲疲勞強度相平衡 。在鉆具外徑容易磨損、井下有腐蝕介質的情況下(此時內螺紋接頭疲勞次數多) , 應選擇較大的彎曲強度比。反之, 在外螺紋接頭疲勞頻繁發(fā)生的地區(qū),應選擇較小的彎曲強度比。相鄰鉆具的剛度即抗彎截面模量,

18、差別不能太大,這對井眼曲率大的井特別重要,以免剛度小的鉆具發(fā)生疲勞。一般情況下應使用相鄰鉆具的抗彎截面模量比不大于 3 . 5 5 . 5 。(2) 根據現場操作參數 , 計算選用最佳緊扣扭矩,保證鉆具正常工作而不會失效。對于外螺紋接頭頻繁失效 ,檢查預緊扭矩否合適由為重要。3 . 減小螺紋處的應力集中 ,改善應力分布(1 ) 在設計和選用鉆鋌螺紋時 ,應盡量采用螺紋根部圓角半徑較大的數字型螺紋。(2) 注意螺紋加工質量,尤其是螺紋根部圓角半徑和表面粗糙度。 (3) 加工應力分散槽及適當減小螺紋附近的本體剛度是提高鉆鋌螺紋疲勞壽命的有效措施。(4) 螺紋滾壓強化可使表面產生殘余壓應力 ,從而提

19、高疲勞壽命。 (5) 螺紋鍍銅不但可使表面產生殘余壓應力 ,還可改善螺紋嚙合后局部產生的高應力及應力集中。 (6) 根據鉆鋌螺紋的受力特點 ,可適當減小螺紋最后嚙合處的螺紋牙高度 ,增大此處的圓角半徑,減小錐度 ,這樣可減小應力集中 ,并使應力分布得到改善,從而提高疲勞壽命 。 (7) 采用變螺距螺紋或雙臺肩螺紋接頭可進一步減小應力集中 ,改善應力分布 ,防止螺紋部位發(fā)生疲勞或腐蝕疲勞失效。 4. 建立鉆具彎曲點的計算模型 , 計算施工參數條件下其確切的彎曲點位置 (1 ) 每趟起鉆抽上加下倒換鉆具 , 鉆鋌倒換 3柱,鉆桿倒換 5柱, 改變受力狀態(tài) , 可以延長彎曲位置附近鉆具的疲勞壽命 。

20、 (2) 直接替換彎曲點位置的鉆具 ,避免彎曲部位失效。 5 . 優(yōu)化鉆具使用 (1 ) 對使用過的鉆鋌不進行常規(guī)修扣 ,由以前切 掉部分舊扣改為全部切掉舊扣 ,重新進行車扣 ,徹底 清除疲勞源。 (2) 限定鉆鋌使用時間 ,每套切口鉆鋌限定使用 400 h 左右( 每三趟鉆更換一套切口鉆鋌) , 力爭在鉆鋌未產生疲勞源之前 ,全部進行更換。 (3) 縮短探傷周期 ,由原來使用 200 h 探傷一次改為鉆進一只鉆頭探傷一次( 1 50 h 左右) , 對有疲勞裂紋的鉆鋌及時發(fā)現和更換 ,減少鉆具斷裂幾率。 (4) 建立鉆具疲勞破壞壽命的檔案 ,在每次使用前查閱其剩余壽命決定是否可以下井和采取那些必要措施第六章 結論1) 在深井和超深井的施工中必須使用高質量鉆具，盡量采用大尺寸的鉆桿，改善鉆桿受力的同時可有效增加處理鉆具事故的能力。2) 鉆具組合時要充分考慮鉆具整體的剛度平滑過渡，避免剛度突變點，如不同尺寸的鉆具同時使用時，要注意平緩