钻杆失效原因分析
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[收稿日期]2010-02-10 [作者简介]黄成(1974-),男,1994年胜利石油学校毕业,工程师,现从事钻井管具的使用与维护工作。
焊接修复钻杆的失效分析及预防措施黄 成,何元君 (胜利石油管理局黄河钻井总公司,山东东营257000)唐洪发 (川庆钻探工程有限公司培训中心,四川成都610059)王晓晓 (中国石油大学石油工程学院,山东青岛266555)[摘要]概述了摩擦焊修复钻杆的基本情况,通过对胜利油田16起修复钻杆的失效事故进行了统计,分析发现修复钻杆管体失效事故70%发生在内加厚过渡区消失部位,失效原因是结构不合理造成应力集中,产生腐蚀疲劳。
钻杆管体中部失效事故占30%,失效原因是由于磨料磨损造成壁厚变薄及蚀坑造成的腐蚀共同作用的结果。
针对修复钻杆失效的原因,提出了详尽的预防措施和方法。
[关键词]摩擦焊修复钻杆;失效分析;预防;应力集中;腐蚀疲劳[中图分类号]T E28[文献标识码]A [文章编号]1000-9752(2010)03-0312-03钻杆摩擦对焊是利用钻杆管体与接头端面摩擦生热而融合粘结的一种热压焊接法[1]。
我国通过摩擦对焊修复Á127mm 钻杆已有十几年的历史。
修复了大量的钻杆,解决了钻井急需,大大缓解了钻杆供求矛盾,在油田广泛使用,创造了很好的经济效益。
对焊修复钻杆连续使用几年后相继出现了一些问题,如管体或内加厚过渡区部位刺穿、刺断等事故,造成了一定的损失。
鉴于此,笔者对修复钻杆失效原因进行了研究分析,找出了解决措施。
1 对焊修复钻杆失效情况统计钻杆作为钻柱的重要组成部分在井下的受力十分复杂[2]。
钻具涡动引起的钻柱与井壁间的摩擦和高频撞击,钻杆磨损现象十分严重,包括:管体均匀磨损、偏磨、内外表面腐蚀、硬伤等缺陷。
如果这样的钻杆再连续使用上万小时,累计进尺十多万米后,则很可能在薄弱位置发生刺穿、断裂事故。
笔者对胜利油田近年来对焊钻杆管体发生了失效的事故进行了统计。
浅析方钻杆旋塞阀失效原因分析及对策摘要:本文通过分析方钻杆旋塞阀失效的形式和原因,确定了方钻杆旋塞阀的薄弱环节,进一步分析出方钻杆旋塞阀的主要失效形式为旋钮无法转动、旋塞本体产生裂纹和旋钮孔处泥浆溢出以及密封失效。
并提出了相应的改进措施,对预防和减少方钻杆旋塞阀使用中存在的问题和优化旋塞阀结构设计有一定的参考价值。
主题词方钻杆旋塞阀失效分析对策方钻杆旋塞阀简称“旋塞”,是一种重要的钻具内防喷工具,安装在方钻杆上端的称方钻杆上旋塞,安装在方钻杆下端的称方钻杆下旋塞。
用专用的扳手转动阀芯,实现旋塞阀的打开和关闭,平时为常开,当发生溢流或井喷时,关闭方钻杆旋塞阀,截断钻具内通道,达到钻具内防喷的目的;当水龙带、高压管汇损坏时,关闭该装置,即可进行安全更换。
我们井控车间在检验旋塞时频繁发生阀芯与阀座之间密封失效,阀座刺坏;阀芯长期不活动,阀座密封面锈蚀严重,旋钮不能转动,无法实现旋塞的开关动作,开关耍圈等等多种失效形式。
为此,我们针对旋塞的失效进行分析统计通过研究提出解决方案,为新型旋塞的研制提供一定的理论参考。
1构造及工作原理方钻杆旋塞阀由以下几个部分组成:本体、孔卡、卡环、挡圈、上阀座、密封件、挡环、定位环、旋钮、拨块、球阀、下阀座、叠簧和密封件等组成(图1)。
旋塞内部结构实物图旋塞通过专用扳手扭动旋钮,带动拨块,使球阀发生转动,以实现开关状态的转变。
球阀是一个带通孔的阀,在其通孔与旋塞阀水眼一致时,其为开位。
当再旋转90°,其通孔与水眼垂直,堵塞水眼,封闭其水眼。
2现场主要失效形式在油田生产中旋塞阀的主要失效形式如下:(1)旋钮开关力矩过大,旋钮内六方孔磨损,无法传递足够的开关力矩;(2)旋钮锈蚀或旋钮固死,导致旋钮开关力矩过大或旋钮无法转动(3)泥浆颗粒较大,旋塞阀开关不到位(4)使用时间较长,旋塞本体产生裂纹或旋钮左右两侧有裂纹(5) 阀芯加工工艺差,球芯刺坏(6)旋钮孔密封圈损坏,旋钮密封失效泥浆溢出(7) 阀体膨胀变形(8) 阀芯不能活动(9)阀座抗腐蚀度差阀座点蚀或阀座刺坏(10 )十字拨块材料强度低十字拨块变形(11)旋钮和拨块配合公差大旋钮与壳体配合紧(12)维护保养不及时,泥浆进入阀体间隙固化,从而卡死旋塞(13)叠簧弹性不够下阀座到位不及时(14)旋钮、扳手配合公差大导致内六方孔磨损(15)阀座密封圈损坏(16)旋塞处于半开或半闭状态,阀芯被井内高压流体刺坏。
- 57 -第11期螺杆钻具失效原因分析与技术对策探讨陈石(大庆钻探工程公司钻井一公司, 黑龙江 大庆 163411)[摘 要] 近年来螺杆钻具在定向井和水平井钻井施工中应用的数量逐渐增多,由于受到多种因素的影响,经常出现螺杆钻具失效的情况,严重影响了石油钻井的施工效率。
本文对近几年螺杆钻具的失效情况进行了统计,从中分析螺杆钻具失效的原因,并制定相应的技术对策,减少了螺杆钻具的失效频率,对提高石油钻井生产效率具有积极作用。
[关键词] 石油钻井;螺杆钻具;失效原因;技术对策作者简介:陈石(1983—),男,黑龙江双鸭山人,大学本科学历,工程师。
在大庆钻探工程公司钻井一公司从事钻井工作。
随着石油钻井中的定向井、水平井钻井技术的进步与发展,螺杆钻具的使用越来越广泛,已经不再局限于直井复合钻井提速,而在定向井、水平井的造斜段和稳斜段使用中均发挥着重要的作用。
但由于螺杆钻具发生失效致使部分定向井、水平井的施工效率低下,因此需要对定向井、水平井施工中螺杆钻具失效原因进行分析,并制定对策。
1 螺杆钻具失效调查分析螺杆钻具在定向井、水平井的使用中失效情况时有发生,笔者统计了某钻井公司2015年以来的所有螺杆钻具失效案例,并对这些螺杆钻具失效案例的失效原因进行分门别类的统计分析后发现,螺杆钻具在定向井、水平井钻井施工中失效形式主要分为以下几种:一是传动轴不能转动、卡死;二是马达定子发生脱胶;三是螺杆钻具最顶端的旁通阀刺漏;四是传动轴发生断裂;五是螺杆钻具本体发生倒扣。
这些不同种类的螺杆钻具失效案例的发生不仅影响了定向井、水平井的钻井施工效率,而且大大增加了钻井成本。
2 螺杆钻具使用中失效原因分析2.1 传动轴不能转动、卡死原因分析通过拆卸失效的螺杆钻具发现,传动轴不能正常转动,最终导致传动轴卡死的直接原因是在传动轴总成的最顶端部位堆积了大量的钻井时产生的岩屑,岩屑的由来一是使用的钻井液性能未能达到施工要求,含砂量高,在停泵接单根过程中由于钻井液的悬浮能力差,导致钻井液中大量的岩屑下沉到传动轴的顶部;另一原因是在下钻过程中片面追求下放速度,导致钻井液中的泥沙倒灌入螺杆钻具的马达中,开泵后大量泥沙集聚堆积到传动轴顶部致使传动轴卡死。
钻具失效与预防措施【摘要】钻具失效类别以钻杆、钻铤、转换接头为主,这主要是由钻具的结构组合和钻具本身的结构特点以及钻具在井内工作的受力特性所决定的。
钻具失效类型以螺纹断裂、刺漏和本体断裂、刺漏为主,这与钻具的工况和钻具先裂后刺再失效的失效机理相稳合。
钻具失效的形式多种多样,概括起来主要有过量变形、钻具断裂、钻具刺漏、表面损伤、钻具螺纹失效、钻具偏磨等等,并且这几种失效形式常常同时存在相互交织在一起。
【关键词】钻具;失效;预防措施1 影响钻具失效的主要因素引起钻具失效的原因往往不是单一的,而是几方面原因综合作用的结果,如钻具的使用工况和环境,钻具质量,使用者的操作以及钻具的机械损伤等。
1.1 产品自身质量失效分析表明,大部分失效事故与钻具质量有关。
比较突出的有以下几个问题:(1)钻杆内加厚过渡区结构不合理。
失效分析和试验研究已证实,内加厚过渡区结构不合理(太短,R太小)是钻杆在该部位失效的主要原因。
合理结构的条件为:≥100mm ,R≥300mm。
(2)钻杆接头、钻铤、转换接头韧性差。
(3)螺纹加工质量差及加工精度差。
如螺纹根部圆角半径过小,不符合API 标准要求,导致严重的应力集中。
(4)强度指标不合格。
(5)喷焊热裂及钻杆摩擦对焊(修复)工艺不当。
(6)钻杆接头选型不当。
1.2 环境因素(1)钻井液。
钻井液种类、pH值、固相含量、流速、温度和扰动情况等都对钻具失效有不同程度的影响。
(2)腐蚀介质。
由于钻井液循环系统不是密封的,大气中氧气会通过泥浆池、泥浆泵等设备在钻井液的循环过程中混入钻井液成为游离氧,当泥浆中含有一定量的溶解氧时,就会对钻具表面造成腐蚀。
来源于地层或由于泥浆中一些含硫有机添加剂高温分解和泥浆中硫酸盐还原菌的新陈代谢产生的H2S还会导致钻杆的氢致应力腐蚀断裂。
(3)温度对钻具失效也存在着不可忽视的影响。
1)由于环境温度过低,材料的冲击力值严重下降,易引起冷脆断裂。
2)随着井下温度的升高,腐蚀速度将加快,另外某些钻井液处理剂在高温下会分解,产生H2S、CO2、O2等,加快了对钻具的腐蚀。
石油钻杆的应力失效分析摘要:石油钻杆在钻井中是传递动力的主要工具,在摩擦碰橦的下,易出现钻柱裂纹成核、扩展、刺漏以致穿孔和断裂。
文章根据工程常出现的问题,分析了石油钻杆的应力失效断裂分析。
关键词:石油钻杆;应力失效;断裂;分析0引言石油钻杆是钻井过程中主要起传递扭矩和输送泥浆的作用,承受着拉、压、扭、弯曲等交叉作用的复杂应力载荷,要想提高钻杆的工作寿命,加工材料必须具有良好的抗扭、抗冲击、抗弯曲等力学性能,必须采用良好的加工工艺和表面处理措施,提高表面质量,最大限度的消除表面应力集中。
钻杆的材料一般为抗硫材料、铝合金材料、钛合金材料、超高强度钢及新型碳纤维复合材料、凯夫拉材料等等。
国内常用的有95SS、105SS、S135、G105、26CrMoNbTiB、UD—165等等。
这些材料才抗腐蚀、刚磨损、抗疲劳等方面各有所不同,使用的油田也不相同,文章主要针对国内常用的S135材料应用中出现的应力失效断裂情况进行探讨分析。
1.钻杆失效分析的作用失效分析是判断钻杆失效形式、分析失效原因、研究失效处理方法,从而达到改善钻干设计原理和完善加工工艺,减少和预防钻杆因同一原因引起的重复失效断裂的不良现象,降低石油钻采的经济成本。
钻杆是石油钻井设备中必不可少的工具,一般都在恶劣的环境下应用,是,应用频率高,时间长,影响使用寿命的因素多,是石油钻采中最薄弱的环节。
分析钻杆的失效原因,有针对性的加以不断的改进,是防止钻杆断裂,保证在钻井中安全运行的重要措施。
2.钻杆断裂分析文章以某钻井队的两次断裂情况进行着手分析:一是钻杆尺寸为 5 1/2”X9.17mm,钢级是S135在某井下2864.3m时发生了5 1/2“的钻杆断裂事故,该井在2863.2m处遇到了4.5吨的阻力,划眼到2864m,悬重由152吨降到110吨,泵压由20MPa降到14.6MPa,起钻时发生断裂,断口离距离公接头0.62m,断口平齐,断口外径140mm,基本无扭曲塑性变形,断口有140mm长的水泥刺痕。
钻杆及其接头的早期失效分析与措施研究[摘要]钻杆失效表现在三个方面:本体断裂、刺漏、钻杆螺纹处失效。
本文将分析并探讨钻杆及其接头的早期失效类型、失效形式、失效原因,并且根据分析原因去寻找应对的方法以及预防的办法。
通过设计优化的钻杆结构,提升钻杆质量,使钻杆失效事故发生的概率下降。
[关键词]分析原因钻杆失效优化设计预防措施钻具0前言失效分析是分析判断材料的失效模式、性质、原因、研究失效事故处理方法和预防再失效的技术活动与管理活动,是一种科学的分析方法。
本文将对钻杆失效进行分析。
钻杆很容易受到磨损以及腐蚀等问题的影响从而引发失效事故。
而仅仅是在我们国家的油田之中发生的钻杆失效事故就多达数百起,钻杆失效不仅会造成极大的经济财产的损失,并且常常影响到工程的进度,后果十分严重。
失败乃是成功之母,通过研究钻杆失效,推进提高钻杆质量以及加强研究钻杆的使用和管理,尽量避免失效事故。
1失效类型分析在钻进过程中的受力繁杂,不仅仅是拉力,还有各种应力,因此失效的种类十分复杂,环境也很苛刻,井下的介质之中还包含有一些具有腐蚀性质的液体,而钻具运转起来后会促使钻杆与井壁之间产生高频率的撞击以及摩擦。
钻杆失效的类型种类繁多,主要可以概括为三大类型:断裂失效或者是刺穿失效;表面受损以及过量变形。
断裂或者是刺穿失效在失效事故比较常见,疲劳以及腐蚀等因素是罪魁祸首。
而腐蚀也极易造成表面受损,机器磨损也是表面受损。
当所受到的应力超过钻杆能承受的极限的是,则会引起过量变形[1]。
1.1断裂失效①过载断裂:如“鳖钻时的钻柱体断裂”,“钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂”。
②氢脆断裂:金属中的氢含量过多时,材料在拉力和应力的作用下很容易产生氢脆。
很多人不知道,由硫化氢和盐酸引起的钻柱应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。
③应力腐蚀断裂:如“钻杆接触某些腐蚀介质时的应力腐蚀开裂”,“钻柱在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂”。
④低应力脆断:此类失效在钻杆失效中占了很大的比例,是最危险的断裂方式之一。
钻杆的失效分析石油钻杆是用于传递动力、输送泥浆的主要工具。
钻杆常处于交变应力并且在与井壁摩擦碰撞的恶劣条件下工作,往往成为整个钻井设备与工具中最薄弱的环节,由裂纹发展致穿孔或完全断裂时有发生。
钻柱裂纹成核、扩展、刺漏等事故及断裂的控制是确保钻杆在钻井中运行安全的重要措施。
为此,本文在前人研究的基础上,结合有限元分析,以实验数据为依据,对钻杆材质进行了宏观和微观分析,具体内容如下: (1)在典型钻杆断口分析方面:研究了钻杆断裂断口的形貌,根据其形貌特征得出了钻杆断裂机制,并为下一步的力学分析和微观分析做前期工作。
(2)在钻杆疲劳和断裂分析方面:主要对钻杆上带有的缺陷进行有限元模拟,得到带裂纹的钻杆的应力集中系数,算出了钻杆的疲劳寿命,对钻杆各部分的裂纹敏感性进行比较,得出了钻杆裂纹出现的危险区域,并根据断裂力学理论和有限元分析获得了微裂纹处的应力强度因子。
(3)在钻杆微观分析方面:首先对钻杆进行金相分析比较,找出钻杆性能差异的根本原因,然后用扫描电镜对钻杆进行微观分析,对裂纹和刺孔进行研究,并进行局部化学成分测量,接着研究了钻杆加厚过渡区内表面喷丸处理工艺对钻杆性能的影响,同时对钻杆进行了显微硬度的测量。
本文的创新点: (1)提出了钻杆失效的过程和概念模型,即内表面缺陷-解理断裂-裂纹疲劳扩展-过载断裂,为解决钻杆失效分析中存在的困惑(各项基本检测参数基本合格,刺穿和断裂仍有发生)提出了分析方法和手段。
提出了加厚过渡带断裂和刺穿的原因之一是墩粗加工时,终止变形温度过低,这一认识为工厂墩粗过程的质量控制提供了依据。
(2)将断裂力学的方法与常规的σ-N疲劳试验相结合,为钻杆疲劳分析提供了方法,即以断裂理论为基础计算出裂纹尖端应力分布,并由此算出相应的应力集中系数。
用应力集中系数法与σ-N曲线相结合,计算带裂纹钻杆的疲劳寿命。
(3)探索了钻杆失效的微观分析方法,用大量的实测找出钻杆的内部微观缺陷。
这对钻杆使用方和制造方都有重要价值。
冀东油田钻杆失效原因探讨与预防措施作者:胡豫磊王颖颖李永刚来源:《中外企业家·下半月》 2014年第7期胡豫磊1 王颖颖2 李永刚1(1.中原石油工程公司管具公司,河南濮阳457001;2.石油化工工程质量监督总站中原石油分站,河南濮阳457001)摘要:通过对冀东油田钻具失效事故原因分析,提出了对钻杆制造材料、使用条件及维护管理的合理措施,使钻具使用的安全性显著增强,井下事故率大幅度降低,提高钻井速度、降低钻井成本。
关键词:本体刺穿;钻杆材质;探伤;失效中图分类号:TE921.2 文献标志码:A 文章编号:1000-8772(2014)21-0266-01冀东油田位于渤海湾海滩地区,地表多为虾池、鱼塘及稻田,水网纵横交错,平台建设费用高;结构位置位于渤海湾盆地黄骅凹陷北部,渤海为典型的复杂断块油气田,断层多、断块破碎且目的层埋藏深,油气井多为水平井、小井眼侧钻水平井、大位移井、分支井,钻井工艺难度大。
因钻具失效而导致的钻井事故在钻井过程中频繁发生,严重影响钻进速度,耗费大量的人力,物力和财力,造成巨大的经济损失。
因此,进行钻具失效研究、分析钻具失效机理,以采取相应的措施来提高钻具寿命,解决和预防井下事故的故障,提高钻井速度、降低钻井成本,具有十分重要的意义。
一、钻杆失效情况统计对2013年中原钻井在冀东油田服务的11支队伍完钻的62口井进行钻杆失效分析统计,14口井出现钻具失效事故,统计见表1。
由表1可以看出,钻具失效的形式主要包括管体刺穿、粘扣、公母扣刺漏以及本体断裂等情况。
钻杆本体刺穿(钻杆断裂是钻杆刺穿的进一步扩展)占73.8%,其中一级钻杆为78根,全新钻杆为1根;粘扣占24.3%,均为全新钻杆;公母扣刺漏占1.9%,全部为一级钻杆。
由此可见钻杆本体刺穿是钻杆失效的主要形式。
钻杆刺穿不仅使钻杆报废,而且严重影响了井队的正常生产,给油田造成了很大的经济损失。
因此,找出钻杆本次刺穿的原因及找出解决办法是目前的首要任务。
钻杆管体横向开裂失效原因分析与预防摘要:经济和科技不断的发展,使得钻井技术水平不断提升,本文就对发生横向开裂的失效钻杆进行断口形貌的宏观及微观观察、金相分析、物相分析,以及对钻杆尺寸、化学成分及力学性能的综合分析,并结合钻杆的受力状态,指出钻杆的失效原因是钻井液中的氧气对钻杆的内外表面产生严重腐蚀。
并提出了预防措施及建议。
关键词:钻杆;腐蚀;交变载荷;横向开裂;失效分析引言钻杆作为钻柱系统的重要组成部分,是影响钻井安全和钻进效率的关键部件,由于钻杆在使用过程中承受拉压弯扭等复杂交变载荷的作用,同时还受环境介质的影响,钻杆的主要失效有管体刺穿和断裂、接头螺纹黏扣、刺漏和断裂等形式。
一旦发生钻杆失效,尤其是断裂,极易引发严重的钻井事故,造成重大经济损失。
所以针对钻杆失效形式进行原因分析并采取措施避免,具有重要意义。
1实例某钻井公司在吉林省白山市进行地热井施工。
该区域为中朝准台地北缘东段,处于浑江凹陷、褶皱断层带上,为单斜构造。
地层总体走向北东45°,倾向东南,倾角在30~40°。
地热井主要钻遇地层为:0~10m,新生界第四系,岩性为砂层、砾石层黏土层;10~695.5m,中生界侏罗-白垩系,岩性为黄绿色、粉色砂岩,夹泥岩;695.50~1930m,元古界震旦系桥头组、万隆组和八道江组,岩性为灰岩、板状粉砂岩、石英砂岩。
地热井设计井深2500m,施工目的层为1200~2500m的含水层段。
施工使用钻机为石油30。
事故发生时井深1320m,距井底135~140m的一支Φ127mm×9.19mm,G105钢级钻杆,提钻时发现管体有横向裂纹,尚未造成刺漏和折断,钻杆管体材质为26CrMo4s/2钢,钻杆开裂部位距内螺纹接头端面2.5m处。
钻具配置为Φ215.9mm镶齿牙轮钻头+Φ178mm钻铤4支+Φ165mm钻铤8支+Φ127mm钻杆,钻进过程中泵压4.5MPa,钻压2~3t,钻井液pH=7。
*杨自林,1960年生,工程师;1981年毕业于重庆石油校矿机专业,一直从事石油钻具、工具技术管理工作,曾发表论文多篇。
地址:(401237)重庆市长寿县云台镇。
电话:(023)40826115。
钻具失效事故的原因分析及对策杨自林* 游华江 蹇宗承(四川石油管理局川东钻探公司)杨自林等.钻具失效事故的原因分析及对策.天然气工业,2000;20(3):57~59摘 要 石油钻柱主要由方钻杆、钻杆、钻铤三大部分组成,因服役条件十分恶劣,使其成为钻井设备工具中的一个薄弱环节。
特别是在深井、超深井及复杂地质环境条件下钻井,钻具失效事故时有发生,四川川东地区仅1996年~1997年间就发生了303次钻具井下断裂事故,造成了很大的经济损失。
防止和减少钻具失效,关键在预防,为此,根据钻柱各部分在井内的受力特点不同将其划分为钻柱井口处、零应力点上部、零应力点附近、零应力点下部四个钻具失效段进行研究,查出其失效的实质及根本原因,提出科学可行的防范措施,有利于全面系统地预防预测钻具失效。
文章从分析钻具在使用过程中的受力情况出发,根据钻柱各部位在井内的受力情况,剖析了四种经常发生的、带共性的钻柱失效的主要特征及根本原因,重点提出了比较可行的、科学的预防这几种常发性钻具失效事故的有效措施和看法。
主题词 钻井 钻井工具 钻具事故 钻柱损坏 分析由于钻柱工作条件十分恶劣和钻柱结构的内在原因,形成了一个薄弱环节,其应力敏感区、敏感点是其频繁发生失效事故的根本所在,特别是在川东地区高硬度、多断层、高含硫、高压力、大倾角的高陡地质环境中打井,每年要发生几十次乃至上百次的钻具失效事故,约占中国石油天然气总公司的1/5~1/6,损失相当惊人。
这些钻具失效事故按其失效特征和原因,以及在钻柱上的不同部位,可归纳为几种常发性和带有共性的钻具失效。
钻具失效一般由钻具本身质量问题或钻具使用管理不当造成。
作为钻具本身质量问题,国内外有关研究机构(如我国石油管材研究所)已开展了大量富有成效的研究工作。
常规修井作业中螺杆钻具失效原因探析摘要:常规修井施工常用螺杆钻具受规格尺寸限制,在旁通阀、液马达、万向轴、传动轴、连接螺纹等方面存在一定的薄弱环节。
本文从螺杆钻具的设计、选型和使用的角度出发,结合应用实例对失效原因方面进行了探讨和分析,为优选井下作业螺杆钻具,提高其使用寿命做出了积极的建议。
关键词:常规修井;螺杆钻具;失效常规修井作业中,螺杆钻具的应用日益广泛,尤其在钻塞等施工中,更是提速提效的重要工具。
常规修井作业和钻井相比,螺杆钻具在规格选择和参数设计方面有着不小的差异。
分析螺杆钻具失效的原因,采取针对性措施提高其使用寿命,以降低修井作业成本十分必要。
螺杆钻具是指钻井液(修井液)流过螺杆定子和转子,使钻井液(修井液)的水力能转换为驱动钻头旋转的机械能的动力钻具。
螺杆钻具自上而下,由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成等组成,其结构见下图所示:常规修井作业所用螺杆钻具,一般是指Φ101.6mm的螺杆钻具,主要包括Φ95mm、Φ73mm、Φ45mm等,更小规格的应用量极少,此次不予讨论。
1.螺杆钻具失效因素分析螺杆钻具的设计使用寿命与其规格的大小成正相关关系,规格越小,使用寿命越短。
导致其失效(不能正常工作)的因素主要如下:1.旁通阀总成失效原因分析旁通阀总成受规格所限,其旁通孔径和弹性体直径较小,存在因堵塞或者卡滞导致旁通阀无法打开,继而导致液马达无法工作螺杆失效的情况。
根据统计来看,在螺杆钻具失效占比中约3%。
1.液马达总成失效原因分析常规修井作业,修井液一般采用清水、活性水或者中水(处理过的地层污水),其颗粒固相的清除依靠自然沉降者居多,且和钻井液相比润滑能力低,对定子和转子的损伤不易管控。
定子和转子的相对容积空间出现破坏后,液力能向机械能转换的效率明显降低,表现为循环压降降低,扭矩传递衰减明显。
此外,修井作业导致修井液中含油量的增加,对定子和转子胶体的耐油性提出了挑战。
根据统计来看,在螺杆钻具失效占比中约为83%。
三、避免钻杆非正常失效的措施钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狭长井眼里工作,通常承受压、弯、扭、液力等载荷。
如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时,钻杆虽经过无数次的弯曲,也不会产生疲劳裂纹。
钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大,特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大,钻杆在100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹;微裂纹产生后便不断扩大延伸,此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中,就会加速裂纹扩展,最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。
刺穿发展的结果,使钻杆有效断面不断缩小,刺孔加裂纹的总长度超过其临界裂纹尺寸时,即发生断裂。
除旋转向下的运动,同时还有钻杆的各种振动和涡动。
根据钻杆的失效原因分析,钻杆除正常磨损而失效外,钻杆的非正常失效原因可分为为两个方面:工人操作原因和钻杆自身质量原因。
因此,我们可以从提高钻杆质量和规范操作两方面来避免钻杆非正常失效。
1.提高钻杆质量(1)钻杆材料选择:为适应钻杆的受力分析,钻杆杆体应有较高的抗拉强度、较好抗弯性能和较好的冲击韧性。
杆体材料应选择中碳合金结构无缝钢管,合金元素中应含有较多的Cr、Mo等元素以提高材料的抗拉强度和冲击韧性,含有Mn、Si等元素以提高材料的弹性(即抗弯性能)。
有时还含有微量的B、V等元素以提高材料的淬透性。
常用的杆体材料有:36Mn2V、35CrMo、42MnMo7、35CrMnSi、45MnMoB等。
用于杆体的无缝钢管的壁厚均匀度和轧制缺陷也是影响钻杆质量的重要因素。
如轧制的钢管壁厚均匀情况严重,当钻杆较大的扭力作用时,容易在壁厚较薄处纵向裂开。
有的钢管有重皮、气孔等缺陷,钻杆易从此处产生应力集中断裂或刺漏。
钻杆接头受力最为复杂,接头材料须有很高综合机械性能。
钻杆接头多采用35CrMo或42CrMo.30CrMnSiA棒料制造,但经过锻造的接头材料能大大提高其综合机械性能。
(2)加工工艺选择:目前国内钻杆从加工工艺分主要有整体锻造钻杆(简称整体钻杆)、镦粗+摩擦焊钻杆(简称镦焊钻杆)和单纯摩擦焊钻杆(简称摩擦焊钻杆)。
在钻井过程中,钻杆在任何部位失效都会造成严重的后果,甚至使井报废。
我国各油田每年发生钻杆事故约五六百起,经济损失巨大,每年进口各种规格的钻杆就要耗用数亿元人民币的外汇。
随着浅层资源的不断枯竭,今后越来越多的钻深井、超深井,钻杆的安全可靠性就成为一个十分突出的问题。
钻杆失效一般表现为本体断裂和刺漏,钻杆螺纹处失效等。
原因大致是由以下一些因素引起的:钻进时钻杆的基本力学工况,钻具的组合及钻井工艺,井径规则性,偏磨,螺纹密封脂,钻井液,钻杆结构和材料,地层因素,井内腐蚀介质等,以上因素交互作用的结果导致钻杆失效。
钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狭长井眼里工作,通常承受压、弯、扭、液力等载荷。
如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时,钻杆虽经过无数次的弯曲,也不会产生疲劳裂纹。
钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大,特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大,钻杆在远远小于100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹;微裂纹产生后便不断扩大延伸,此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中,就会加速裂纹扩展,最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。
刺穿发展的结果,使钻杆有效断面不断缩小,刺孔加裂纹的总长度超过其临界裂纹尺寸时,即发生断裂。
除旋转向下的运动,同时还有钻杆的各种振动和涡动。
钻具组合及钻井工艺钻杆作为一个旋转的细长弹性杆件,有其固有振动频率,钻具的组合决定了此固有频率。
钻杆旋转时还会产生纵向、横向和扭转3种形式的振动,当它们的频率与固有频率相吻合时则产生共振。
共振的结果会在原来钻杆疲劳应力的基础上附加一个额外的疲劳应力,加速钻杆的失效。
采用长效螺杆钻杆替代转盘钻定向井、水平井的钻井工艺可以减少钻杆的旋转弯曲疲劳程度。
如牙轮钻头轴产生的纵向振动频率与钻头-钻柱系统的固有自振频率相同时会出现共振,使钻头的振幅增大,产生极大的冲击载荷,加剧钻杆疲劳。
再如用于不同直径或不同扣型钻杆过渡的配合接头使用不当,配合接头本身螺纹(主要是公扣)和与之相连的钻杆螺纹就可能断裂。
井径不规则影响井径不规则或扩径严重的井段,钻杆的弯曲程度随之相应增大,钻杆旋转时连接螺纹部位受交变弯曲应力加速钻杆疲劳失效,同时螺纹连接受力复杂化,加剧了螺纹疲劳损坏。
偏磨井下钻杆旋转时存在着自转、公转、自转和公转共存3种形式。
自转引起钻杆的均匀磨损,公转引起钻杆的偏磨,磨损后使钻杆强度下降。
螺纹密封脂使用或涂抹方法不当,如用柴油清洗钻杆丝扣、螺纹密封脂不加盖混入钻井液、杂质或加机油稀释使螺纹密封脂附着困难、螺纹密封脂涂抹量少或涂抹不到位等,造成钻杆螺纹连接时不能进行有效的密封和润滑而发生丝扣黏结。
钻井液油田当前使用的钻井液体系中的化学物质,如盐水钻井液、酸性钻井液、铁矿粉加重材料系等会造成钻杆的腐蚀。
地层因素地层构成不同,对钻杆尤其是对钻杆接箍的研磨程度也不同。
地层可钻性差(5-7级),地层不均质性强,在钻进过程中易发生憋、跳现象,加剧了钻杆纵向振动,使钻杆发生疲劳失效的概率增加。
钻杆结构和材料钻杆接头内加厚附近的钻杆本体为承受弯曲应力集中区。
当钻杆接头与不能形成泥饼的井壁接触时,接触摩擦系数大,摩擦力足以激发反进动。
在反进动状态下弯曲应力交变频率成倍增加,因此疲劳裂纹很容易在这个区域形成。
螺纹是整个钻柱上最薄弱的环节,其寿命一般难于同钻杆本体相抗衡,在承受复杂交变应力(疲劳)频繁作用时,螺纹处公扣、母扣刺漏是常见的现象。
钻杆材料中的缺陷是钻杆中薄弱的环节,在钻杆受力复杂的服役环境中,也易引发钻杆断裂事故。
腐蚀介质由于钻井液循环系统不是密封的,大气中氧气会通过泥浆池、泥浆泵等设备在钻井液的循环过程中混人钻井液成为游离氧,当泥浆中含有一定量的溶解氧时,就会对钻杆表面造成腐蚀.来源于地层或由于泥浆中一些含硫有机添加剂高温分解和泥浆中硫酸盐还原菌的新陈代谢产生的H2S还会导致钻杆的氢致应力腐蚀断裂。
由H2S腐蚀产生的硫化铁与钢铁形成腐蚀电偶,导致钻杆表面产生很深的溃疡状蚀坑使钻杆在短时间使用发生刺穿及孔洞腐蚀。
浸入钻井液中的CO2使其具有弱酸性,也会对钻杆造成腐蚀。
另外,钻杆遇卡后注入类似HCl强酸解卡时,也会对钻杆造成严重的腐蚀。
而钻井液中的其它离子如Cl-等,和H2S、CO2共同作用加速钻杆表面的腐蚀。
综上所述,钻杆失效的因素繁多,钻杆的失效是各因素综合作用的结果。
就具体每口井来讲,应根据钻杆失效分析,提炼出主要影响因素并采取相应的措施。
目前安东奥尔工程有限技术责任公司涂层分公司根据各油田钻杆失效原因,正在有步骤地推出各种功能的带涂层钻杆以解决因腐蚀和应力交互作用造成的钻杆刺漏断裂失效问题。