钻井过程中钻具失效的预防

1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文） 题 目： 钻井过程中钻具失效的预防学习中心： 华北学习中心 年级专业： 函授13级 石油工程 学生姓名：路庆辉 学 号： 指导教师： 职 称： 导师单位： 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2015 年 06 月 10 日15中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 1设计(论文)题目： 钻井过程中钻具失效的预防 2学生完成设计(论文)期限： 2014 年 9 月 1 日至 2015 年 3 月 1 日 3设计(论文)课题要求：摘要应简要说明毕业设计（论文所研究的内容、目的、论文的基本思路和逻辑结构、实

2、验方法、主要成果和结论，应能反映整个内容的精华。一般为300字左右。关键词是为用户查找文献，从文中选取出来用以提示全文主题内容的一组词语或术语，应尽量采用词表中的规范词参照相应的技术术语标准。标题层次要清晰，目录中标题与下文中标题要一致。毕业设计（论文）主体内容在5000到8000字为宜，一般应包括前言、正文、结论等部分。结论集中反映作者的研究成果，表达作者对所研究课题的见解，是全文的思想精髓，是文章价值的体现。结论要写得概括、简短。参考文献反映毕业设计（论文）的取材来源、材料的广博程度和可靠程度。参考文献不宜过多，只列作者直接阅读过，在正文中被引用过的中外文献资料。 4实验（上机、调研）部分

3、要求内容：通过进行社会调查研究， 培养综合分析能力。 5文献查阅要求：认真检索与阅读中、外文献资料，希望能查阅到与所选研究课题有关的文献，学会文献资料收集和整理、使用，提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。 6发 出 日 期： 2014 年 9 月 1 日 7学员完成日期： 2015 年 2 月 10 日指导教师签名： 学 生 签 名： 摘 要石油钻杆在钻井服役中受拉力和压力作用，并承受弯曲扭转载荷，钻头对岩石的冲击还引起钻杆的强烈振动。经服役的钻杆，常有疲劳和腐蚀裂纹等缺陷产生，造成重大经济损失。 钻杆的失效有裂纹、刺穿和断裂三种表现形式。刺穿是高压钻井液作用下通过穿透裂纹的缝隙，先决条件

4、是存在穿透裂纹。疲劳一般发生在两个区域，一是管体外表面，该处界面抗弯模量最小，应力幅值高，二是内加厚过渡区与管体交界处，这里因几何形状不连续造成应力集中。其裂纹诱发的原因是在钻井过程中钻杆的旋转弯曲疲劳破坏、外表面的刻槽、几何尺寸的变化、腐蚀坑等。钻杆综合检测和钻杆参数评价技术的研究应用，可预测出即将产生的缺陷部位，评价钻杆的疲劳、腐蚀，磨损程度和使用可靠性，对保证钻井作业的安全具有重要。 关键词：钻具,失效原因,预防措施目 录第一章 前言1第二章 钻具失效分析的程序和步骤22.1钻具失效分析程序图。22.2整个失效分析过程的几个环节。32.2.1断口分析32.2.2钻具的工作状态3第三章 钻

5、具的受力分析53.1轴向力。53.2弯曲扭矩。53.3离心力。53.4扭转力矩。53.5动载。6第四章 钻具失效原因74.1低应力脆裂。74.2应力腐蚀断裂。74.3氢脆。74.4疲劳腐蚀8第五章 钻具失效的预防9第六章 结论11参考文献12致 谢13第一章 前言据统计，我国每年发生钻具事故数百起，经济损失数亿元。在钻具失效停用数量中，按多少顺序排列，依次为：腐蚀坑-均匀磨损-卡瓦损伤-偏磨-裂纹-其他。钻具失效形式主要有钻具断裂、钻具刺漏、钻具内螺纹接头涨扣、钻具内螺纹接头开裂、钻具偏磨等等。尤其是在深井、超深井以及水平井、大位移井等复杂井的作业过程中，钻具断裂的危害尤其严重，轻者增加钻井成

6、本，延长钻井周期，重者导致填井侧钻甚至于整井报废。在深井、超深井等复杂井的钻探作业中，用双扭矩台肩的钻具可以有效的提高钻具承载能力，降低钻具的断裂失效事故，提高钻具的安全可靠性。第二章 钻具失效分析的程序和步骤当发生钻具事故,要很快的找出事故原因,就要掌握钻具失效的分析方法.钻具失效分析方法简要介绍如下:2.1钻具失效分析程序图。截取试样金相分析微观断口分析化学成分分析常规力学分析确定失效的性质综合分析确定失效的原因下步改进的措施现场调查及残骸分析调查加工和服役历史初步观察分析无损检测分析失效（故障）发生宏观断口分析图2-1 钻具时效分析程序图2.2整个失效分析过程的几个环节。收集失效件的背景

7、数据。主要包括加工制造历史、服役条件和服役历史。失效件的外观检查。包括：失效件的变形情况，有无镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、缩径、断面解理形状等；失效件表面的加工缺陷，如：焊疤、折叠、瘢痕、刮伤、刀痕、裂纹等。断裂部位所在的位置，是否在键槽、尖角、凹坑等应力集中处。观察表面有无氧化、腐蚀、撕咬、磨损、龟裂、麻坑等。2.2.1断口分析断口记录了断裂材料主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌的分析，不仅可以得到有关部件使用条件和失效特点的资料，还可以了解断口附近材料的性质和状况，进而判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序，确定断裂的性质，从而找到断裂的主要原因。钻具的服役条件及主要失效类型2.2.2钻具的工

8、作状态 在钻井过程中，钻具是在起下钻和正常钻进两种工序中交替工作的。起下钻时，钻具处于受拉状态；钻进过程中，其状态比较复杂，处于由拉、压、扭等状态。在转盘钻进时，钻具好似一根细长的旋转轴。在部分自重产生的轴向压力作用下，下部钻具不稳定呈弯曲状态，由于受到井眼的限制，可产生多次弯曲；上部钻具由于旋转产生的离心力作用不能保持直线状态，再加上扭矩的作用，整个钻具成一个近似螺旋形曲线的形式进行复杂的旋转运动。成螺旋形的钻具在井中有公转、自传、自转和反公转三种运动方式。自转-指整个钻具在井中绕自身轴线旋转。这样的转动使钻具均匀磨损，并经受交变弯曲应力而使钻具产生疲劳。公转-钻具在压力、拉力、离心力和扭矩

9、的联合作用下，其轴线弯曲成变波平面正弦曲线形状，整个轴线按转盘的旋向绕井眼轴线旋转。这样的旋转式钻具与井壁摩擦产生偏磨。反公转-钻具在自转和公转过程中，受到钻井液摩擦阻力、井壁阻力和井底地层对钻头抵抗力的影响，会产生反公转，从而使钻头横向摆动，影响钻头的使用和钻具的使用寿命。第三章 钻具的受力分析钻具的受力状态与所选用的钻井方式有关，在不同的工作状态和不同的位置作用着不同的载荷。概括起来，钻具在井内主要受有以下几方面力的作用：3.1轴向力。有钻具自重、钻井液对钻具的浮力、井壁和钻井液对钻具的摩擦阻力、钻压等。一般情况下，井口的拉力最大，"中和点”下部钻具因钻压的作用，承受压力，井底压

10、力最大。在钻井液中钻具受到浮力的作用，轴向拉力会减小；在起钻过程中，钻具与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻具上的拉伸载荷。下钻时则与起钻承载相反。径向挤压力起下钻作业时，卡瓦对钻具产生的挤压力。管外液柱产生的挤压力。地层形变产生的挤压力。3.2弯曲扭矩。弯曲力矩是因钻具上有弯曲变形存在而产生。正常钻进时，当下部钻具受压弯曲时，以及转盘钻进中由于离心力的作用和井眼偏斜、弯曲等都能使钻具发生弯曲，于是产生弯矩。弯曲的钻具在绕自身轴线旋转时，就会承受交变的弯曲应力。最大的弯曲应力产生在挠度最大处。3.3离心力。弯曲的钻具绕井眼轴心旋转时产生的离心力，可使钻具更加弯曲，使弯曲应力增加。3.4

11、扭转力矩。转盘通过钻具带动钻头旋转，破碎岩石，并克服钻具与井壁和钻井液的摩擦阻力，使钻具承受扭转力矩。由于受到井壁和钻井液摩擦阻力的影响，井口的扭矩比井底大。当在井底使用动力钻具（涡轮钻具、螺杆钻具等）时，作用在钻具上的反扭矩，井底大于井口。钻具的振动 钻进时，由于地层的软硬不均、井底不平，特别是用牙轮钻头时，牙轮的滚动，引起钻具纵向振动，使“中和点”上下移动，产生交变的挤压应力。当外界周期的干扰力与钻具的固有频率相同时，引起共振，出现剧烈的“跳钻”。跳钻会引起钻具的疲劳破坏。 钻具的旋转还会使钻具产生两种振动。第一种是由于钻头结构、地层、钻压等因素的变化引起的扭转振动。当转速达到某一临界值时

12、，钻具出现扭转共振，即“蹩跳”。第二种是横向振动。这是在转速达到某一临界转速下，钻具出现的自激晃振摆动，它会引起钻具的严重偏磨和弯曲疲劳破坏。3.5动载。起下钻过程中，由于钻具运动速度的变化，会引起钻具的纵向动载，在钻具中产生纵向瞬时交变应力。动载的大小与操作有关。 由以上分析得知，井口和井底附近的钻具所承受的拉力、扭矩、弯曲和冲击力等均较大。但上述几种载荷有些是同时出现，使钻具的受力呈现复杂状态。钻具的主要失效类型 根据上面对钻具服役条件的分析，钻具的受力状态十分复杂，失效的形式也多种多样。既有静载，又有冲击载荷，而且拉、压、弯、扭无一不有，且大都是交变载荷。工作时又要受到腐蚀、磨损、温度及

13、压力的影响。归纳起来，主要有过量变形、断裂和表面损伤三类。过量变形 它是由于工作应力超过材料的屈服极限引起的。钻具的过量变形主要有螺纹部分的拉长，钻杆本体的弯曲和扭曲（即螺旋形弯曲）。其中钻杆本体的弯曲和扭曲比较常见。断裂第四章 钻具失效原因钻具的断裂时有发生，在钻具失效中的比例较大，它的危害也严重。断裂主要形式有过载断裂、低应力脆裂、应力腐蚀、氢脆断裂、疲劳断裂和腐蚀疲劳破裂等。过载断裂：它是由于工作应力超过材料的抗拉强度引起。如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂及蹩钻时的钻杆管体折裂。4.1低应力脆裂。低应力脆裂与表面或内部存在缺陷及不良的显微组织有关，也与受力部位交变频繁受力有关。如焊缝的

14、脆性断裂、钻铤接头螺纹部位脆性断裂。低应力脆性断裂的主要特点是，脆断时的使用应力一般低于其屈服强度；易从应力集中严重处断裂，尤其受到冲击载荷时更为显著；宏观断口齐平，无明显塑性变形。4.2应力腐蚀断裂。它是钻具失效的常见形式。如钻具在含硫油气井中硫化物应力腐蚀破裂，钻具接触某些腐蚀介质（如盐酸、盐类）时的应力腐蚀开裂。有经验表明，应力集中处对腐蚀介质的敏感度有增强作用，这对钻具的失效具有不良的促进作用。硬的和脆性钢比韧性钢更容易发生应力腐蚀破坏。4.3氢脆。当金属晶格中吸附有过多的氢原子时，在拉应力的作用下可使材料产生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的应力腐蚀其本质是由于氢的作用造成的，所以叫

15、氢脆。尤其对高强度钢更是敏感。在川东地区因地层含硫禁止使用高钢级钻杆，推荐使用抗硫钻杆。疲劳：一般发生于钻杆内加厚过渡区、钻杆、钻铤和转换接头螺纹部位等截面变化区域或因表面损伤而造成的应力集中区。如接头螺纹根部的疲劳断裂（为此曾在螺纹根部端设计应用应力减轻槽），钻杆过渡带疲劳腐蚀刺穿和方钻杆标尺焊疤处材料组织的改变引起的应力集中造成的疲劳腐蚀刺穿。4.4疲劳腐蚀是交変载荷和钻井液等腐蚀介质联合作用的结果，在钻具失效中约占40%，且以钻杆为主。在钻杆失效中，约80%为腐蚀疲劳。与普通疲劳一样，裂纹产生于应力集中严重部位或一表面腐蚀坑等为萌生裂纹源并扩展。最典型的是钻铤螺纹根部的疲劳裂纹和钻杆过渡

16、带疲劳裂纹刺穿。表面损伤 包括腐蚀、磨损和机械损伤三方面。表面损伤比较容易发现和判断。腐蚀：均匀腐蚀，它是由于化学或电化学反应造成的金属暴露的全部表面或大部分表面上发生的腐蚀。如钻具锈蚀。点蚀（小孔腐蚀），如钻杆存放或使用过程中内外表面的不均腐蚀，点蚀常常会诱导腐蚀疲劳和应力腐蚀或脆性断裂。缝隙腐蚀，如钻杆内加厚过渡区表面褶皱处的钻井液腐蚀。磨损：粘着磨损：如钻具螺纹部位的磨损。磨料磨损：如井壁对钻具的磨损。冲蚀磨损：如钻具内外表面及螺纹连接部分受到钻井液的冲蚀损坏。机械损伤：如表面碰伤、焊疤、大钳卡瓦及其他工具咬伤第五章 钻具失效的预防根据深井钻具失效的类型、主要特点和影响因素,从优化钻具内

17、部组织性能和外部使用方法出发 , 提出5 条预防钻具失效的措施。1 .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。2. 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(此时内螺纹接头疲劳次数多) , 应选择较大的弯曲强度比。反之, 在外螺纹接头疲劳频繁发生的地区,应选择较小的弯曲强度比。相邻钻具的刚度即抗弯截面模量,

18、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抗弯截面模量比不大于 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。对于外螺纹接头频繁失效 ,检查预紧扭矩否合适由为重要。3 . 减小螺纹处的应力集中 ,改善应力分布(1 ) 在设计和选用钻铤螺纹时 ,应尽量采用螺纹根部圆角半径较大的数字型螺纹。(2) 注意螺纹加工质量,尤其是螺纹根部圆角半径和表面粗糙度。 (3) 加工应力分散槽及适当减小螺纹附近的本体刚度是提高钻铤螺纹疲劳寿命的有效措施。(4) 螺纹滚压强化可使表面产生残余压应力 ,从而提

19、高疲劳寿命。 (5) 螺纹镀铜不但可使表面产生残余压应力 ,还可改善螺纹啮合后局部产生的高应力及应力集中。 (6) 根据钻铤螺纹的受力特点 ,可适当减小螺纹最后啮合处的螺纹牙高度 ,增大此处的圆角半径,减小锥度 ,这样可减小应力集中 ,并使应力分布得到改善,从而提高疲劳寿命 。 (7) 采用变螺距螺纹或双台肩螺纹接头可进一步减小应力集中 ,改善应力分布 ,防止螺纹部位发生疲劳或腐蚀疲劳失效。 4. 建立钻具弯曲点的计算模型 , 计算施工参数条件下其确切的弯曲点位置 (1 ) 每趟起钻抽上加下倒换钻具 , 钻铤倒换 3柱,钻杆倒换 5柱, 改变受力状态 , 可以延长弯曲位置附近钻具的疲劳寿命 。

20、 (2) 直接替换弯曲点位置的钻具 ,避免弯曲部位失效。 5 . 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 400 h 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 200 h 探伤一次改为钻进一只钻头探伤一次( 1 50 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) 建立钻具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第六章 结论1) 在深井和超深井的施工中必须使用高质量钻具，尽量采用大尺寸的钻杆，改善钻杆受力的同时可有效增加处理钻具事故的能力。2) 钻具组合时要充分考虑钻具整体的刚度平滑过渡，避免刚度突变点，如不同尺寸的钻具同时使用时，要注意平缓