钻柱稳定器结构分析

钻柱稳定器结构分析

稳定器的研究现状在国内外钻井钻的组合中，传统直径不变的钻柱沉积器仍然是检测井斜钻头组合中不可或缺的组件。尽管常规稳定器的重要性毋庸置疑,但是,当作者在查阅稳定器资料过程中,发现国内相关资料贫乏,结构过于单一,提高其寿命的研究显得单薄。我们认为从整体上看,在我国稳定器的设计研究和生产还没有得到足够的重视。文献收录了约达20个厂家的产品介绍,资料丰富,结构创新,有很高的借鉴价值。在资料综合与分析的基础上,作者已在文献中,分析和评价了美国稳定器的结构特点,本文就美国稳定器材料性能和尺寸参数进行介绍,以期国内同仁对此有一个较全面的了解,推进我国稳定器技术进展。1稳定器材料和性能指标1.1定器及非磁性钢稳定器按照使用材料可将稳定器分为合金钢稳定器及非磁性合金钢稳定器,前者使用广泛,后者主要用于高纬度、高偏斜、高磁场以及腐蚀较为严重的钻井条件。1.1.1个体成分配h合金钢稳定器用Cr-Mo材料,通常为AlSl4140及4145H,成份见表1。其中4145H钢因其含碳量较高、淬透性好,用得最为广泛。所有钢均由电炉冶炼,真空除氧,保证非金属含量少,严格控制热处理,使之达到最佳机械性能(高强度和韧性)。1.1.2非磁性不锈钢材料在定向钻井中专门设计制造了非磁性稳定器。这种稳定器通常装在两段非磁性钻铤之间,为钻铤提供一个无磁性的隔离段。从理论上看,它适用于高纬度地区、高偏斜和南北向大偏移井眼;在任何井斜角度下,地质测量仪不会受到钻柱磁场的影响。它也可以用在一般的定向钻井装置中,使罗盘读值不会受到有害的影响。非磁性合金钢通常为铬锰奥氏体不锈钢。不仅具有与4145H合金钢相近的机械性能,而且还具有低的导磁率和高的耐腐蚀性。可以通过自动装置进行冷作硬化处理(喷丸),在获得良好机械性能的同时,增加抗应力腐蚀裂纹的能力。因为表面硬化处理有助于减少裂纹萌生,从而改变表面性能,提高耐疲劳性。为了保持无磁性环境,这种稳定器的扶正段应采用非磁性强化处理。例如SMFI公司的SMFI66专利材料,具有高机械性能、低磁通量、良好的耐腐蚀性、极优的加工性和无粘扣现象。SMFI66钢能消除晶界上的碳偏析,从而产生一个钝化的微观结构,并将压缩应力附加在稳定器孔中。实验室和现场使用证明这种材料在氯化物腐蚀环境中表现出极为突出的抗应力腐蚀开裂的能力。又如克里斯坦森(CHRJSTESEN)公司的非磁性钢稳定器采用Chrialloy500材料,是一种改性的AlSl316L铬镍合金不锈钢,他们认为这种材料的性能优于铬锰不锈钢。1.2生产力指标1.2.1钢性能指标Cutting&Wear公司的合金钢性能指标见表2。表2中的强度值略高于我国稳定器部颁标准,部颁标准实际上是采用APISPEC7的钻铤性能指标。1.2.2非磁性铬合金性能指标非磁性合金钢性能指标见表3。与表2对比,非磁性合金钢的性能略低于合金钢,但冲击韧性更好。2封装式稳定器套装式稳定器的结构多姿多彩。我们介绍三种套装式稳定器,列出它们的尺寸参数,以供参考。通常,套装式稳定器扶正段较短,更适用于井斜较大的井眼。由于它更换方便、重量轻,能减少边远地区钻井时后勤供应的麻烦,因而使用成本低。2.1东南角钢芯杆、热处理装置图1为Darron二件式套装稳定器,它由芯杆和扶正套组成。芯杆采用AlSl4145H钢制造,热处理硬度为HB285～341,最小冲击韧性5.5302kg·m。芯杆和扶正套相关尺寸见表4。2.2daron三个安装稳定器图2为Darron三件式套装稳定器,它由芯杆、扶正套和保护接头组成。芯杆的材料及性能指标与二件式相同,相关尺寸见表5。2.3下嘴唇固定器图3为SMFI卡箍固定式套装稳定器(Clamp-onStabilizer-CLS),它为五件合金钢结构。图3所示稳定器能牢固地锁紧在钻铤、蜗轮钻具、震击器、随钻测井装置或其它要求对中或转向的旋转钻装置上。由于这种稳定器重量轻、安装简单,能增强井眼的井斜控制,改善钻井效率,同时还消除稳定器在水平位置被拧松的危险。锁紧装置有双重锁紧作用,以利牢固安装。下锁紧环上装有几处硬质合金块,具有强制性卡紧作用。所有零件均由4145H钢经淬火、回火,或者使用非磁性铬锰钢连在非磁性钻铤上。相关尺寸见表6。3稳定器螺钉连接特性3.1daron稳定检测器的螺钉连接特性采用内加厚内螺纹;外螺纹增加应力减轻槽;冷滚压螺纹根部;磷酸盐涂敷螺纹;装重型螺纹橡胶护套。3.2抗粘扣加工出应力减轻结构由于疲劳失效总是发生在接头处,为防止这一现象发生,所有SMFI非磁性钻铤(包括稳定器)均加工出应力减轻结构。在公扣上为SMFI锥孔,所有螺纹接头均进行冷滚压,并施以抗