鉆具失效講課

1、 鉆具失效分析及鉆井設(shè)備簡介 內(nèi)容內(nèi)容 鉆具受力及要求 標(biāo)準(zhǔn)簡介 鉆具強(qiáng)度校核 API 鉆具數(shù)字螺紋接頭 全面推廣應(yīng)用 鉆具失效分析及預(yù)防 套管失效分析及預(yù)防l鉆柱組合l鉆柱作用l井身結(jié)構(gòu)l鉆柱受力l鉆具性能要求l下部鉆柱還包括l穩(wěn)定器l減震器l震擊器等l鉆柱作用鉆柱作用l提供從鉆機(jī)到鉆頭的鉆井提供從鉆機(jī)到鉆頭的鉆井液通道，輸送鉆井液。液通道，輸送鉆井液。l把地面動(dòng)力（扭矩）傳遞把地面動(dòng)力（扭矩）傳遞給鉆頭并給鉆頭加壓。給鉆頭并給鉆頭加壓。l起下鉆頭。起下鉆頭。l通過鉆柱了解和觀察鉆頭工作情況、井眼情況和地層情況。l進(jìn)行取心、處理井下事故，打撈落物，擠水泥等作業(yè)l對(duì)地層流體及壓力情況進(jìn)行測(cè)試和

2、評(píng)價(jià)。l加重鉆桿l用于鉆鋌與鉆桿過渡區(qū)，緩和兩者彎曲剛度的變化，以減少鉆桿損壞。l在小井眼中代替鉆鋌，操作方便。l在定向井中代替大部分鉆鋌，以減少扭矩和粘卡鉆等。l鉆鋌l給鉆頭提供鉆壓。l使下部鉆具組合具有較大剛度，使鉆頭工作穩(wěn)定，有利于克服井斜問題。l鉆鋌種類l圓柱鉆鋌l螺旋鉆鋌l無磁鉆鋌l螺旋鉆鋌l減少粘附卡鉆的發(fā)生l無磁鉆鋌l磁導(dǎo)率很低的不銹鋼制成的圓柱鉆鋌。l當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1105/4A/m時(shí)，相對(duì)磁導(dǎo)率r 應(yīng)小于1.010。l沿內(nèi)孔任意相距100mm的磁感強(qiáng)度梯度不應(yīng)大于0.05 t。l材料不應(yīng)存在晶間腐蝕開裂。保證測(cè)井儀器（利用磁性原理）的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，保證井眼軌跡符合要求。l用于

3、定向井、水平井、大位移井和要求很高的直井。l井身結(jié)構(gòu)l起下鉆過程：l井越深、鉆柱越長、鉆具尺寸越大、鉆柱重量越大，上部鉆柱所受拉力越大。l泥漿密度越大，其浮力對(duì)上部鉆柱拉力影響越大。l起車或剎車過猛，會(huì)引起附加載荷。l井眼不規(guī)則會(huì)引起阻卡現(xiàn)象，使鉆柱受力發(fā)生變化。l鉆進(jìn)過程中鉆柱受力l中和點(diǎn)及附近受力中和點(diǎn)及附近受力l鉆柱上不受拉力又不受壓力的位置稱為中和點(diǎn)。中和點(diǎn)將鉆柱分為下部鉆柱和上部鉆柱。l鉆頭在井底工作不穩(wěn)定和不均勻送鉆操作，會(huì)使中和點(diǎn)移動(dòng)。l中和點(diǎn)受交變載荷。l鉆壓不超過鉆鋌重量的80，保證中和點(diǎn)在鉆鋌上。l下部鉆柱受力下部鉆柱受力l下部鉆柱（鉆鋌）大部分重量施加給鉆頭破碎巖石l扭矩

4、l彎曲l磨損l上部鉆柱受力l扭矩l中和點(diǎn)以上鉆柱重量l井口鉆柱斷面上所受扭力和拉力最大。l鉆柱震動(dòng)l縱向震動(dòng)（跳鉆）引起交變應(yīng)力。l井底反扭矩引起扭轉(zhuǎn)震動(dòng)（蹩鉆），產(chǎn)生交變應(yīng)力。l卡鉆l活動(dòng)鉆具上提，易發(fā)生過載。l鉆井參數(shù)對(duì)鉆具使用壽命的影響l鉆壓 鉆壓過大，中和點(diǎn)易移到加重鉆桿或鉆桿。 增加鉆鋌的彎曲載荷。l轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速過快鉆柱在井眼擺動(dòng)厲害，鉆柱受力情況惡化。 l地層巖性對(duì)鉆具使用壽命的影響l硬地層使鉆具磨損加劇，易產(chǎn)生硬地層使鉆具磨損加劇，易產(chǎn)生摩擦裂紋。容易發(fā)生跳鉆、蹩鉆摩擦裂紋。容易發(fā)生跳鉆、蹩鉆事故，使鉆具受力條件更加苛刻。事故，使鉆具受力條件更加苛刻。l蠕變地層容易導(dǎo)致卡鉆事故。蠕

5、變地層容易導(dǎo)致卡鉆事故。l井下有害氣體對(duì)鉆具使用壽命的井下有害氣體對(duì)鉆具使用壽命的影響影響lH H2 2S S會(huì)導(dǎo)致鉆具應(yīng)力腐蝕開裂會(huì)導(dǎo)致鉆具應(yīng)力腐蝕開裂lCOCO2 2、泥漿里的溶解氧會(huì)加劇鉆、泥漿里的溶解氧會(huì)加劇鉆具腐蝕。具腐蝕。l井身結(jié)構(gòu)l深井、定向井、水平井越來越多。l在造斜段全角變化率（狗腿度大），鉆具受到很大的彎曲載荷，很易發(fā)生疲勞斷裂和摩擦熱裂紋。l允許的最大全角變化率確定l鉆桿的應(yīng)力不超過其疲勞極限，避免鉆桿疲勞破壞。l鉆桿接頭對(duì)井壁的側(cè)向力不超過規(guī)定值，以防止鉆具過度磨損、鉆桿接頭熱裂等。l全角變化率（狗腿度嚴(yán)重度）定義及計(jì)算l在一定長度井段內(nèi)（25m或100ft）包括井斜角

6、和方位角的空間井斜變化量lGab25/Lab(a- b)2 + 2absin2 (a- b)/21/2l式中：lGab測(cè)量點(diǎn)a和b間井段的全角變化率，/25ml Lab測(cè)量點(diǎn)a和b間井段長度，ml a 測(cè)量點(diǎn)a處的井斜角， l b測(cè)量點(diǎn)b處的井斜角， l2ab測(cè)量點(diǎn)a和b間的方位變化量， l鉆井條件對(duì)鉆具性能要求l尺寸精度高，特別是螺紋接頭加工精度高。l抗疲勞性能好。l耐磨，抗摩擦裂紋能力高。l抗粘扣性能好。 API 鉆具標(biāo)準(zhǔn)鉆具標(biāo)準(zhǔn) API SPEC 5D 鉆桿規(guī)范（鉆桿規(guī)范（ISO 11961-1996） API SPEC 7 旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備規(guī)范范 API RP 7G 鉆井設(shè)備

7、鉆井設(shè)備設(shè)計(jì)和操作推薦作法設(shè)計(jì)和操作推薦作法 API SPEC 5D 鉆桿規(guī)范鉆桿規(guī)范 該規(guī)范內(nèi)容包括所有鋼級(jí)的無縫鉆桿管體及其制造方法、化學(xué)成分和機(jī)械性能要求、試驗(yàn)方法和尺寸要求。 API SPEC 7 旋轉(zhuǎn)鉆井旋轉(zhuǎn)鉆井 設(shè)備規(guī)范設(shè)備規(guī)范 規(guī)定了從水龍頭轉(zhuǎn)換接頭到鉆頭的所有旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備的尺寸規(guī)格（除鉆桿管體外）、螺紋接頭類型及測(cè)量方法、標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)及及測(cè)量方法、標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)及測(cè)量方法、接頭和鉆鋌的測(cè)量方法、接頭和鉆鋌的機(jī)械性能。還包括小直徑機(jī)械性能。還包括小直徑工作管柱、轉(zhuǎn)盤、軸系、工作管柱、轉(zhuǎn)盤、軸系、鉆井泵零部件、水龍帶和鉆井泵零部件、水龍帶和剎車塊的尺寸要求。在附剎車塊的尺寸要求。在附錄里還包

8、括錄里還包括:（1）地區(qū)量規(guī)、校對(duì)量規(guī)和工作量規(guī)的保管與使用；（2）鉆井泵的維修；（3）水龍帶；（4）旋轉(zhuǎn)接頭的潤滑等推薦作法。 API RP 7G 鉆井設(shè)備鉆井設(shè)備設(shè)計(jì)和操作推薦作法設(shè)計(jì)和操作推薦作法 規(guī)定了鉆具的扭轉(zhuǎn)性能、拉伸性能、上扣扭矩、鉆桿接頭扭轉(zhuǎn)性能計(jì)算、鉆桿分級(jí)和鉆鋌彎曲強(qiáng)度比計(jì)算等。lSY/T 5144 鉆鋌lSY/T 5290 鉆桿接頭lGB 9253.1 石油鉆桿接頭螺紋lSY/T 5200 轉(zhuǎn)換接頭lSY/T5146 整體加重鉆桿 API BULLETIN 5C3套管、油管、鉆桿和管線套管、油管、鉆桿和管線管性能計(jì)算公式公報(bào)管性能計(jì)算公式公報(bào) 提供了不同管子性能的計(jì)算公式

9、及有關(guān)其它發(fā)展和應(yīng)用的資料。 API RP 7A1 旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩接旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩接頭螺紋脂試驗(yàn)推薦作法頭螺紋脂試驗(yàn)推薦作法 規(guī)定了鉆具螺紋脂的材料和試驗(yàn)方法。l包含了絕大多數(shù)管材、工具的尺寸包含了絕大多數(shù)管材、工具的尺寸規(guī)格、鋼級(jí)，解決了互換性問題。規(guī)格、鋼級(jí)，解決了互換性問題。lAPI 標(biāo)準(zhǔn)早，在全世界范圍引用。標(biāo)準(zhǔn)早，在全世界范圍引用。lAPI 標(biāo)準(zhǔn)不是最高標(biāo)準(zhǔn)，油田應(yīng)根標(biāo)準(zhǔn)不是最高標(biāo)準(zhǔn)，油田應(yīng)根據(jù)井況制訂訂貨補(bǔ)充技術(shù)條件。據(jù)井況制訂訂貨補(bǔ)充技術(shù)條件。lAPI 標(biāo)準(zhǔn)沒有包括所用的標(biāo)準(zhǔn)，有標(biāo)準(zhǔn)沒有包括所用的標(biāo)準(zhǔn)，有待我們完善補(bǔ)充。待我們完善補(bǔ)充。 鉆桿扭曲強(qiáng)度校核 鉆鋌彎曲強(qiáng)度校核 鉆桿扭曲強(qiáng)度校核

10、接頭扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度Ty=YmA(p/2+Rtf/cos-RS)Ty=屈服扭矩, ft-lbs;Ym=最小材料屈服強(qiáng)度, PSI;p=螺距, in;f=摩擦系數(shù), 選用API 鉆具螺 紋脂時(shí)摩擦系數(shù) 為0.08;= 螺紋牙形半角;Rt=C+(C-(LPC-0.625tpr1/12)/4LPC=外螺紋長度, in;RS= (OD+Qc)/4, in;A=距密封臺(tái)肩3/4in處外螺紋橫 截面積(AP), 或者距密封臺(tái)肩 3/8in處內(nèi)螺紋橫截面積(Ab);AP=(C-B)2-ID2/4C=螺紋中徑（距密封臺(tái)肩 5/8 ）, in;ID=外螺紋接頭內(nèi)徑，in;B=2(H/2-Srs)+tpr1/8 1/12

11、H=不截頂螺紋高度，in;Srs=螺紋截頂高度, in;tpr=錐度，in/ft。 管體扭曲強(qiáng)度管體扭曲強(qiáng)度 Q=0.096167(D4-d4) Ym /32 (ft-lb)Q=管體扭曲強(qiáng)度；管體扭曲強(qiáng)度；D=管體外徑，管體外徑，in;d=管體內(nèi)徑，管體內(nèi)徑，in。API 規(guī)定規(guī)定Ty/Q 0.8 5in 9.19mm G105 NC50鉆桿扭曲強(qiáng)度校核鉆桿扭曲強(qiáng)度校核 d=3.25in(82.6mm) Ty/Q=0.89 d=3.75in(95mm) Ty/Q=0.66 鉆鋌彎曲強(qiáng)度校核 BSR=(D4-b4)/D)/(R4-d4)/R)式中：BSR 彎曲強(qiáng)度比； D 鉆鋌外徑； b 外螺紋

12、端部對(duì) 應(yīng)內(nèi)螺紋牙底直徑; b 外螺紋端部對(duì)應(yīng)的 內(nèi)螺紋牙底直徑； R 距臺(tái)肩19.05mm處 外螺紋牙底直徑; d 鉆鋌內(nèi)徑。 177.8mm鉆鋌鉆鋌NC50接頭接頭 內(nèi)徑57.2mm BSR=2.54:1 內(nèi)徑71.4mm BSR=2.73:1 內(nèi)徑=100mm BSR=4.16:1數(shù)字螺紋接頭命名 數(shù)字螺紋接頭優(yōu)點(diǎn) 推廣數(shù)字螺紋接頭存 在問題 數(shù)字螺紋接頭命名 螺紋中徑尺寸 NC50 C=5.0417in NC38 C=3.808in 數(shù)字螺紋接頭優(yōu)點(diǎn) 螺紋牙底圓弧半徑大 NC V-0.038R IF 平底，0.015r REG 4 1/2in,0.020R 4 1/2in,0.025R

13、FH 0.020R(3 1/2FH, 4 1/2FH), 0.025R(6 5/8FH) 0.015r(4FH 平底) 全面推廣數(shù)字螺紋接頭 存在問題 部分?jǐn)?shù)字螺紋接頭 未用(4 3/4in NC35, 8in NC56,9in NC61) 修扣質(zhì)量不能保證 失效定義失效定義 失效分析失效分析 幾種常見的鉆具失幾種常見的鉆具失 效形式效形式 鉆具螺紋的載荷分布鉆具螺紋的載荷分布 鉆具失效分析及預(yù)防鉆具失效分析及預(yù)防失效的定義失效的定義美國美國金屬手冊(cè)金屬手冊(cè)認(rèn)為，機(jī)械產(chǎn)品認(rèn)為，機(jī)械產(chǎn)品的零件或部件處于下列的零件或部件處于下列3 3種狀態(tài)之種狀態(tài)之一時(shí)定義為失效：（一時(shí)定義為失效：（1 1）當(dāng)它

14、不能）當(dāng)它不能完全工作時(shí)；（完全工作時(shí)；（2)2)仍然可以工作，仍然可以工作，但已不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功但已不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能時(shí)；（能時(shí)；（3)3)受到嚴(yán)重?fù)p傷不能可靠受到嚴(yán)重?fù)p傷不能可靠而安全地繼續(xù)使用，必須立即從產(chǎn)而安全地繼續(xù)使用，必須立即從產(chǎn)品或裝備上拆下來進(jìn)行修理或更換品或裝備上拆下來進(jìn)行修理或更換時(shí)。時(shí)。 失效分析失效分析 通過對(duì)構(gòu)件或零件的失效殘樣形貌、成分、性能和受力情況等進(jìn)行綜合分析，有時(shí)需要做再現(xiàn)性試驗(yàn)，最終推斷出失效原因。l尋找失效原因，不斷降低產(chǎn)品或裝備的失效率，提高可靠性，防止重大失效事故發(fā)生137155020406080100120140160180接頭

15、鉆桿鉆鋌鉆具名稱失效次數(shù)l會(huì)戰(zhàn)初期震擊器、鉆具穩(wěn)定器、轉(zhuǎn)換接頭、鋼絲繩、取心工具失效事故多。l目前鉆桿失效、工具等失效事故多。l吊卡事故發(fā)生多起。 幾種常見的鉆具失效形式幾種常見的鉆具失效形式 斷裂斷裂 過載斷裂過載斷裂 脆性斷裂脆性斷裂 疲勞斷裂疲勞斷裂 H2S H2S應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂 內(nèi)螺紋接頭脹大內(nèi)螺紋接頭脹大 摩擦裂紋摩擦裂紋 粘扣粘扣 結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致失效結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致失效l過載斷裂過載斷裂l所加的載荷過大，超過了所加的載荷過大，超過了構(gòu)件或零件的承載能力。構(gòu)件或零件的承載能力。l脆性斷裂l材料韌性差l有結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中l(wèi)突然斷裂l疲勞斷裂l交變載荷l較長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)l從薄弱環(huán)節(jié)斷裂l

16、H2S應(yīng)力腐蝕開裂l拉應(yīng)力lH2Sl內(nèi)螺紋接頭脹大內(nèi)螺紋接頭脹大l鉆鋌彎曲強(qiáng)度比過小。鉆鋌彎曲強(qiáng)度比過小。 鉆鋌扣形選錯(cuò)（鉆鋌扣形選錯(cuò)（127mm NC38)127mm NC38) 鉆鋌外徑磨小鉆鋌外徑磨小 。 l鉆桿接頭密封臺(tái)肩寬度不足鉆桿接頭密封臺(tái)肩寬度不足 (127mm(127mm鉆桿接頭鉆桿接頭D DF F=150.4mm)=150.4mm) 井下扭矩過大。井下扭矩過大。l摩擦裂紋l鉆具與井壁或套管摩擦。l瞬時(shí)產(chǎn)生大量摩擦熱。l局部溫度超過材料相變溫度，金相組織變化。l組織應(yīng)力和熱應(yīng)力超過材料破斷強(qiáng)度。l產(chǎn)生摩擦裂紋。l粘扣l內(nèi)外螺紋旋合摩擦干涉，表面溫度急劇上升，使內(nèi)外螺紋表面發(fā)生粘

17、結(jié)。由于上卸扣內(nèi)外螺紋有相對(duì)位移，粘扣常伴有金屬遷移。一般粘扣屬于粘著磨損。如果有沙粒或鐵屑等硬質(zhì)顆粒，粘扣為磨粒磨損和粘著磨損。l粘扣原因l內(nèi)外螺紋不匹配l表面處理質(zhì)量差l螺紋脂質(zhì)量差或有硬質(zhì)異物l偏斜對(duì)扣l開始上扣時(shí)速度過快l厚度（套管螺紋）l國外0.015mml國內(nèi)00.005mml厚度l國外0.015mm 0.025mml國內(nèi)一次上卸扣磨掉 鉆具失效分析及預(yù)防舉例鉆具失效分析及預(yù)防舉例 過載斷裂、脆性斷裂 鉆鋌內(nèi)外螺紋接頭斷裂（BSR， 疲勞） 鉆鋌兩端內(nèi)孔不同心在內(nèi)壁形成 臺(tái)肩造成淬火裂紋 鉆桿接頭吊卡臺(tái)肩位置斷裂 鉆桿外螺紋接頭斷裂（疲勞、 大水眼） 鉆桿內(nèi)加厚過度帶消失位置刺穿過

18、載斷裂鉆具穩(wěn)定器偏心脆斷鉆桿直角臺(tái)肩疲勞斷裂鉆鋌外螺紋疲勞斷裂鉆桿內(nèi)加厚過度帶刺穿鉆桿內(nèi)加厚過度帶熱蝕后對(duì)比不同鉆桿腐蝕速率對(duì)比（1.72.3倍）H2S導(dǎo)致鉆桿應(yīng)力腐蝕斷裂鉆桿內(nèi)螺紋接頭脹大鉆內(nèi)螺紋接頭摩擦螺紋鉆桿接頭磨損油管粘扣震擊器內(nèi)螺紋龜裂轉(zhuǎn)換接頭結(jié)構(gòu)不合理震擊器外螺紋變螺距震擊器外螺紋變螺距外螺紋內(nèi)螺紋變螺距外螺紋接頭與內(nèi)螺紋接頭配合狀況大端小端震擊器內(nèi)螺紋接頭龜裂內(nèi)螺紋外螺紋轉(zhuǎn)換接頭淬火螺紋轉(zhuǎn)換接頭夾雜及縮孔鉆具穩(wěn)定器外螺紋損傷鉆具穩(wěn)定器內(nèi)螺紋損傷結(jié)構(gòu)不合理的鉆具穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)不合理的鉆具穩(wěn)定器穩(wěn)定器硬質(zhì)合金塊脫落穩(wěn)定器硬質(zhì)合金塊脫落穩(wěn)定器硬質(zhì)合金塊脫落 鉆具螺紋的載荷分布鉆具螺紋的載荷分布應(yīng)力 最后旋合螺紋 開始旋合螺紋 預(yù)防措施 及時(shí)對(duì)失效樣品進(jìn) 行分析，找出原因 全面推廣數(shù)字接頭 鉆具結(jié)構(gòu)突變位置 應(yīng)選用B型接頭 制訂訂貨補(bǔ)充技術(shù)條 件 實(shí)施駐廠質(zhì)量監(jiān)督 嚴(yán)格操作規(guī)程 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn) 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn) 提高鉆具質(zhì)量 （1）對(duì)鉆具接頭螺紋進(jìn)行滾壓強(qiáng) 化 （2）加工應(yīng)力分散槽 （3）采用新型鉆具螺紋 （4）提高螺紋表面處理質(zhì)量 （5）優(yōu)化鉆桿內(nèi)螺紋接頭水眼尺寸 （6）提高鉆具材料韌性(鋼級(jí)越高 需要匹配的韌性越高）API SPEC 5D-1999 21C 54JlI