鉆具失效分析

鉆具失效分析及鉆井設備簡介?內容??鉆具受力及要求?標準簡介?鉆具強度校核?API鉆具數(shù)字螺紋接頭全面推廣應用?鉆具失效分析及預防?套管失效分析及預防鉆柱受力及要求鉆柱組合鉆柱作用井身結構鉆柱受力鉆具性能要求下部鉆柱還包括穩(wěn)定器減震器震擊器等鉆柱作用提供從鉆機到鉆頭的鉆井液通道，輸送鉆井液。把地面動力（扭矩）傳遞給鉆頭并給鉆頭加壓。起下鉆頭。通過鉆柱了解和觀察鉆頭工作情況、井眼情況和地層情況。進行取心、處理井下事故，打撈落物，擠水泥等作業(yè)對地層流體及壓力情況進行測試和評價。加重鉆桿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。在小井眼中代替鉆鋌，操作方便。在定向井中代替大部分鉆鋌，以減少扭矩和粘卡鉆等。鉆鋌給鉆頭提供鉆壓。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。鉆鋌種類圓柱鉆鋌螺旋鉆鋌無磁鉆鋌螺旋鉆鋌減少粘附卡鉆的發(fā)生無磁鉆鋌磁導率很低的不銹鋼制成的圓柱鉆鋌。當磁場強度為1×105/4πA/m時，相對磁導率μr應小于1.010。沿內孔任意相距100mm的磁感強度梯度不應大于0.05Μt。材料不應存在晶間腐蝕開裂。保證測井儀器（利用磁性原理）的測量結果準確性，保證井眼軌跡符合要求。用于定向井、水平井、大位移井和要求很高的直井。井身結構起下鉆過程：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。泥漿密度越大，其浮力對上部鉆柱拉力影響越大。鉆柱受力起車或剎車過猛，會引起附加載荷。井眼不規(guī)則會引起阻卡現(xiàn)象，使鉆柱受力發(fā)生變化。鉆進過程中鉆柱受力中和點及附近受力鉆柱上不受拉力又不受壓力的位置稱為中和點。中和點將鉆柱分為下部鉆柱和上部鉆柱。鉆頭在井底工作不穩(wěn)定和不均勻送鉆操作，會使中和點移動。中和點受交變載荷。鉆壓不超過鉆鋌重量的80％，保證中和點在鉆鋌上。下部鉆柱受力下部鉆柱（鉆鋌）大部分重量施加給鉆頭破碎巖石扭矩彎曲磨損上部鉆柱受力扭矩中和點以上鉆柱重量井口鉆柱斷面上所受扭力和拉力最大。鉆柱震動縱向震動（跳鉆）引起交變應力。井底反扭矩引起扭轉震動（蹩鉆），產(chǎn)生交變應力?？ㄣ@活動鉆具上提，易發(fā)生過載。鉆井參數(shù)對鉆具使用壽命的影響鉆壓鉆壓過大，中和點易移到加重鉆桿或鉆桿。增加鉆鋌的彎曲載荷。轉速

轉速過快鉆柱在井眼擺動厲害，鉆柱受力情況惡化。

地層巖性對鉆具使用壽命的影響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、蹩鉆事故，使鉆具受力條件更加苛刻。蠕變地層容易導致卡鉆事故。井下有害氣體對鉆具使用壽命的影響H2S會導致鉆具應力腐蝕開裂CO2、泥漿里的溶解氧會加劇鉆具腐蝕。井身結構深井、定向井、水平井越來越多。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。允許的最大全角變化率確定鉆桿的應力不超過其疲勞極限，避免鉆桿疲勞破壞。鉆桿接頭對井壁的側向力不超過規(guī)定值，以防止鉆具過度磨損、鉆桿接頭熱裂等。全角變化率（狗腿度嚴重度）定義及計算在一定長度井段內（25m或100ft）包括井斜角和方位角的空間井斜變化量Gab＝25/ΔLab{(αa-αb)2+Δφ2absin2[(αa-αb)/2]}1/2式中：Gab－測量點a和b間井段的全角變化率，o/25mΔLab－測量點a和b間井段長度，mαa－測量點a處的井斜角，oαb－測量點b處的井斜角，oΦ2ab－測量點a和b間的方位變化量，o鉆井條件對鉆具性能要求尺寸精度高，特別是螺紋接頭加工精度高?？蛊谛阅芎谩Ｄ湍?，抗摩擦裂紋能力高?？拐晨坌阅芎谩?標準簡介?API鉆具標準

?APISPEC5D鉆桿規(guī)范（ISO11961-1996）?APISPEC7旋轉鉆井設備規(guī)范?APIRP7G鉆井設備設計和操作推薦作法?

APISPEC5D鉆桿規(guī)范

該規(guī)范內容包括所有鋼級的無縫鉆桿管體及其制造方法、化學成分和機械性能要求、試驗方法和尺寸要求。?APISPEC7旋轉鉆井設備規(guī)范

規(guī)定了從水龍頭轉換接頭到鉆頭的所有旋轉鉆井設備的尺寸規(guī)格（除鉆桿管體外）、螺紋接頭類型及測量方法、標準量規(guī)及測量方法、接頭和鉆鋌的機械性能。還包括小直徑工作管柱、轉盤、軸系、鉆井泵零部件、水龍帶和剎車塊的尺寸要求。在附錄里還包括:（1）地區(qū)量規(guī)、校對量規(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）旋轉接頭的潤滑等推薦作法。

?APIRP7G鉆井設備設計和操作推薦作法

規(guī)定了鉆具的扭轉性能、拉伸性能、上扣扭矩、鉆桿接頭扭轉性能計算、鉆桿分級和鉆鋌彎曲強度比計算等。SY/T5144鉆鋌SY/T5290鉆桿接頭GB9253.1石油鉆桿接頭螺紋SY/T5200轉換接頭SY/T5146整體加重鉆桿?APIBULLETIN5C3套管、油管、鉆桿和管線管性能計算公式公報提供了不同管子性能的計算公式及有關其它發(fā)展和應用的資料。?APIRP7A1旋轉臺肩接頭螺紋脂試驗推薦作法

規(guī)定了鉆具螺紋脂的材料和試驗方法。API標準級別包含了絕大多數(shù)管材、工具的尺寸規(guī)格、鋼級，解決了互換性問題。API標準早，在全世界范圍引用。API標準不是最高標準，油田應根據(jù)井況制訂訂貨補充技術條件。API標準沒有包括所用的標準，有待我們完善補充。4鉆具強度校核?鉆桿扭曲強度校核?鉆鋌彎曲強度校核?鉆桿扭曲強度校核

?接頭扭轉強度Ty=YmA(p/2+Rtf/cosθ-RS)Ty=屈服扭矩,ft-lbs;Ym=最小材料屈服強度,PSI;p=螺距,in;f=摩擦系數(shù),選用API鉆具螺紋脂時摩擦系數(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=距密封臺肩3/4in處外螺紋橫截面積(AP),或者距密封臺肩3/8in處內螺紋橫截面積(Ab);AP=(C-B)2-ID2/4C=螺紋中徑（距密封臺肩5/8）,in;ID=外螺紋接頭內徑，in;B=2(H/2-Srs)+tpr1/81/12H=不截頂螺紋高度，in;Srs=螺紋截頂高度,in;tpr=錐度，in/ft。

?管體扭曲強度

Q=0.096167(D4-d4)Ym/32(ft-lb)Q=管體扭曲強度；D=管體外徑，in;d=管體內徑，in。?API規(guī)定Ty/Q0.8?5in9.19mmG105NC50鉆桿扭曲強度校核

?d=3.25in(82.6mm)Ty/Q=0.89?d=3.75in(95mm)

Ty/Q=0.66

?鉆鋌彎曲強度校核

BSR=[(D4-b4)/D)]/[(R4-d4)/R)]式中：BSR—彎曲強度比；D—鉆鋌外徑；b—外螺紋端部對應內螺紋牙底直徑;b—外螺紋端部對應的內螺紋牙底直徑；R—距臺肩19.05mm處外螺紋牙底直徑;d—鉆鋌內徑。?177.8mm鉆鋌NC50接頭

?內徑57.2mmBSR=2.54:1?內徑71.4mmBSR=2.73:1?內徑=100mmBSR=4.16:15API鉆具數(shù)字螺紋接頭

推廣應用?數(shù)字螺紋接頭命名?數(shù)字螺紋接頭優(yōu)點?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NC50C=5.0417inNC38C=3.808in?數(shù)字螺紋接頭優(yōu)點

螺紋牙底圓弧半徑大?NCV-0.038R?IF平底，0.015r?REG41/2in,0.020R

41/2in,0.025R?FH0.020R(31/2FH,41/2FH),0.025R(65/8FH)0.015r(4FH平底)?全面推廣數(shù)字螺紋接頭存在問題?部分數(shù)字螺紋接頭未用(43/4inNC35,8inNC56,9inNC61)?修扣質量不能保證6鉆具失效分析及預防?失效定義?失效分析?幾種常見的鉆具失效形式?鉆具螺紋的載荷分布?鉆具失效分析及預防?失效的定義美國《金屬手冊》認為，機械產(chǎn)品的零件或部件處于下列3種狀態(tài)之一時定義為失效：（1）當它不能完全工作時；（2)仍然可以工作，但已不能令人滿意地實現(xiàn)預期的功能時；（3)受到嚴重損傷不能可靠而安全地繼續(xù)使用，必須立即從產(chǎn)品或裝備上拆下來進行修理或更換時。?失效分析

通過對構件或零件的失效殘樣形貌、成分、性能和受力情況等進行綜合分析，有時需要做再現(xiàn)性試驗，最終推斷出失效原因。失效分析的任務尋找失效原因，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)生油田失效統(tǒng)計（2002）

塔指鉆具失效會戰(zhàn)初期震擊器、鉆具穩(wěn)定器、轉換接頭、鋼絲繩、取心工具失效事故多。目前鉆桿失效、工具等失效事故多。吊卡事故發(fā)生多起。?幾種常見的鉆具失效形式

?斷裂?過載斷裂?脆性斷裂?疲勞斷裂?H2S應力腐蝕開裂?內螺紋接頭脹大?摩擦裂紋?粘扣?結構不合理導致失效過載斷裂所加的載荷過大，超過了構件或零件的承載能力。脆性斷裂材料韌性差有結構應力集中突然斷裂疲勞斷裂交變載荷較長時間運轉從薄弱環(huán)節(jié)斷裂H2S應力腐蝕開裂拉應力H2S內螺紋接頭脹大鉆鋌彎曲強度比過小。鉆鋌扣形選錯（127mmNC38)鉆鋌外徑磨小。鉆桿接頭密封臺肩寬度不足(127mm鉆桿接頭DF=150.4mm)井下扭矩過大。摩擦裂紋鉆具與井壁或套管摩擦。瞬時產(chǎn)生大量摩擦熱。局部溫度超過材料相變溫度，金相組織變化。組織應力和熱應力超過材料破斷強度。產(chǎn)生摩擦裂紋。粘扣內外螺紋旋合摩擦干涉，表面溫度急劇上升，使內外螺紋表面發(fā)生粘結。由于上卸扣內外螺紋有相對位移，粘扣常伴有金屬遷移。一般粘扣屬于粘著磨損。如果有沙?；蜩F屑等硬質顆粒，粘扣為磨粒磨損和粘著磨損。粘扣原因內外螺紋不匹配表面處理質量差螺紋脂質量差或有硬質異物偏斜對扣開始上扣時速度過快厚度（套管螺紋）國外0.015mm國內0～0.005mm磷化質量鍍鋅層質量（套管）厚度國外0.015mm~0.025mm國內一次上卸扣磨掉?鉆具失效分析及預防舉例

?過載斷裂、脆性斷裂?鉆鋌內外螺紋接頭斷裂（BSR，疲勞）?鉆鋌兩端內孔不同心在內壁形成臺肩造成淬火裂紋?鉆桿接頭吊卡臺肩位置斷裂?鉆桿外螺紋接頭斷裂（疲勞、大水眼）?鉆桿內加厚過度帶消失位置刺穿過載斷裂鉆具穩(wěn)定器偏心脆斷鉆桿直角臺肩疲勞斷裂鉆鋌外螺紋疲勞斷裂鉆桿內加厚過度帶刺穿鉆桿內加厚過度帶熱蝕后對比不同鉆桿腐蝕速率對比（1.7～2.3倍）H2S導致鉆桿應力腐蝕斷裂鉆鋌本體斷裂鉆桿內螺紋接頭脹大鉆內螺紋接頭摩擦螺紋鉆桿接頭磨損油管粘扣震擊器內螺紋龜裂轉換接頭結構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螺紋變螺距外螺紋接頭與內螺紋接頭配合狀況大端小端震擊器內螺紋接頭龜裂內螺紋外螺紋轉換接頭淬火螺紋轉換接頭夾雜及縮孔鉆具穩(wěn)定器外螺紋損傷鉆具穩(wěn)定器內螺紋損傷結構不合理的鉆具穩(wěn)定器結構不合理的鉆具穩(wěn)定器穩(wěn)定器硬質合金塊脫落穩(wěn)定器硬質合金塊脫落穩(wěn)定器硬質合金塊脫落?鉆具螺紋的載荷分布應力最后旋合螺紋開始旋合螺紋

?預防措施?及時對失效樣品進行分析，找出原因?全面推廣數(shù)字接頭?鉆具結構突變位置應選用B型接頭?制訂訂貨補充技術條件?實施駐廠質量監(jiān)督