钻杆失效分析
钻杆失效分析及超声检测技术分析
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钻杆失效分析及超声检测技术分析本文从钻杆端区3种失效类型出发,分析其失效原因,并采用超声波探伤检测的方式,对钻杆端区检测波形进行分析,主要对钻杆裂纹、腐蚀坑进行定性定量分析,为对钻杆进行综合评价提供科学依据。
前言:在钻井过程中,钻杆是最常使用的钻具,它在井下会受到拉力、压力、弯曲应力、干扰力等各种力的组合,并且在钻进中还要在其内部通过具有一定腐蚀性的泥浆所有这些因素都会钻杆造成较大的损坏,而在这些因素造成的损坏当中,以钻杆端区出现的事故最多,钻杆刺漏、断裂多发生在钻杆端区位置,因此,对钻杆端区进行超声波检测就显得十分重要。
钻杆失效分析钻杆端区的失效分为3种,即裂纹、刺穿和断裂,这些失效通常是由钻杆内的腐蚀坑造成的,而腐蚀坑是由于钻杆长期在井下作业中收到各种交变应力及泥浆腐蚀冲刷形成,钻杆外壁的腐蚀较浅并且比较均匀,而内部的腐蚀则不同,由于钻杆的长期使用,使得原先在钻杆内壁的涂层部分脱落,裸露的部分在各种交变应力及泥浆腐蚀冲刷下很快就会形成点蚀坑,钻杆端区部位处在一个内径变化区,因此涂层脱落现象较为严重,而这样的点蚀坑出现的也较多,并且腐蚀得较为严重。
在钻井过程中,在点蚀坑的应力集中区诱发裂纹的产生→裂纹在交变应力的作用下扩展→迅速扩展→贯通管体→在管子圆周方向开裂导致泥浆刺漏或钻杆折断。
下面是根据美国石油协会(API)近几年对于钻杆失效部位的数据统计图。
图1 钻杆失效部位统计图从图中可以看到,在钻杆端区部分,缺陷发生率最高的是钻杆内外螺纹加厚端过渡带。
整体上看,母扣端的缺陷分布状况高于公扣端。
这样,借助规律图分析钻杆的端区检测范围,从母扣端至管体1.2m,从公扣端到管体0.9m,用超声波探头做360°覆盖扫查,以保证端区检测的准确性。
便携式超声波设备检测技术腐蚀坑和裂纹是钻杆端区和消失端最为常见且危害最大的缺陷,利用超声波横波检测技术可以检测出裂纹和腐蚀坑的存在。
一旦发现裂纹,不管大小,钻杆必须报废,而腐蚀坑的大小则需要测量该点的剩余壁厚,再依此判断钻杆的级别状况。
钻杆失效
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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)。
钻具失效分析
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钻具失效分析钻具失效分析一、失效分析概论1、失效的定义部件或零件处于下列状态之一时:, 完全不能工作;, 可以工作,但功能效果不能令人满意;, 受到严重损伤,可靠性、安全性受到影响。
2、失效的过程与分类过程:损伤萌生------积累扩展------破坏。
分类:疲劳破裂失效---------过程比较长,发展速度比较缓慢;解理断裂失效---------过程短,速度快。
3、失效分析的意义失效分析———按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。
意义有:, 减少和预防同类失效现象重复发生;, 为技术开发、技术管理、技术改造和进步提供信息、方向、方法和途径;, 为事故责任认定提供科学的技术依据;, 是质量管理中重要组成部分。
4、失效分析的基本思路, 对具体服役条件下的零部件进行具体分析,从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标;, 运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果,深入分析各种失效现象的本质,揭示失效机理。
, 在对零部件力学条件、环境条件、产品质量和使用情况进行综合分析1基础上,确定造成失效的原因。
, 研究失效抗力指标与材料因素、工艺因素、结构因素、载荷与环境及使用因素的关系,提出预防失效再发生的措施。
5、失效分析的程序和步骤失效分析程序图:失效(故障)发生调查加工和服役历史现场调查及残骸分析初步观察分析无损检测分析宏观断口分析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2整个失效分析过程应重点抓着以下几个环节:(1) 收集失效件的背景数据。
主要包括加工制造历史、服役条件和服役历史。
(2) 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。
摩擦焊接钻杆焊缝断裂失效分析
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摩擦焊接钻杆焊缝断裂失效分析运用金相显微镜、扫描电镜对摩擦焊接钻杆焊缝断裂失效进行了分析。
结果表明,碳化物分布不均匀导致调质处理后在钻杆接头中产生“带状组织”。
焊后不正确的热处理使焊缝组织中出现残存的条状分布的马氏体,此条状分布的马氏体使焊缝的强韧性下降,造成焊缝发生疲劳断裂失效。
改进热处理工艺后,消除了残存马氏体,提高了钻杆焊缝的强韧性,从而提高了钻杆的使用寿命。
石油钻杆是油田钻井机械的重要部件。
钻杆由钻杆接头和钻杆管体通过摩擦焊接而成,焊后进行正火或调质处理。
钻杆使用时承受很大的拉应力和扭矩,并经受强烈的震动和冲击。
合理的摩擦焊工艺和正确的焊后热处理可使焊缝力学性能满足行业标准[1]。
如果摩擦焊或焊后热处理工艺不当,钻杆使用时焊缝容易断裂,造成很大的经济损失。
现有现场使用断裂钻杆1根,需要进行失效分析,判定其失效原因,提出解决措施,以提高钻杆质量,避免断杆事故发生。
2 现场调研钻杆生产厂生产的钻杆采用的接头为外购件,材料为40CrMnMo钢,调质处理后硬度为285~319HB(30~35HRC)。
管体采用已使用过的钻杆切除已损坏的接头后的旧管体。
接头与管体采用摩擦压力25~30MPa和顶锻压力50~60MPa的摩擦焊进行焊接。
根据现场了解,摩擦焊工艺较稳定,一般情况下能保证焊接质量。
焊后钻杆经中频加热后冲去焊缝内翻边,然后用车床车去外翻边。
最终热处理工艺为:中频淬火+中频加热回火。
规定的淬火加热温度为920℃,回火温图2 钻杆接头母材的金相组织×400腐蚀剂:4%硝酸酒精根据化学成分分析结果可知,该接头的材料为40CrMnMo钢。
接头母材的金相显微组织为回火索氏体,晶粒度为7~8级,沿接头轴向呈带状分布,显微组织不均匀。
白色区间显微硬度为183~188HV,黑色区间显微硬度为216~223HV。
黑色区间内含有较多的白色碳化物颗粒,用HR-150型洛氏硬度计测定其洛氏硬度值为31~36HRC,平均值为34HRC。
钻杆接头失效分析
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前言2007年1月底,井下作业公司在用φ127(接头NC50)钻杆发生失效,失效形式为螺纹缺损,粘着以及接头密封台肩面撕裂性缺损。
委托方提供的钻杆工作参数为:进尺1243m,钻压4~6T,泵压10Mpa,转速80r/min。
据委托方说明该批钻杆为新产品,第一次使用。
事故发生后,该批钻杆集中放置于井下作业工司油管厂场地,经查看125根钻杆中有9组接头存在损伤,其中严重损伤2组,呈现螺纹被冲刺缺损,而且其中1组有螺纹粘着、撕毁现象;其余7组存在不同程度的接头密封台肩面黏着撕裂性缺损现象。
一、外观形貌分析1严重失效2组钻杆外观形貌如图1~4所示。
螺纹粘着、撕毁图1第1组外螺纹接头外观形貌螺纹粘着、撕毁图2第1组内螺纹接头外观形貌冲击起始区图3第2组内螺纹接头外观形貌图4第2组内螺纹接头外观形貌如图所示:第一组钻杆失效形式为螺纹缺损,粘扣。
从缺损形貌可见,图示内外钻杆接头对应部位同时存在对应的螺纹缺损和黏着形貌,因此图示内外钻杆接头为工作时对接的接头。
外螺纹接头自密封面起第6、7、8扣粘结,内螺纹自密封面起第4、5、6扣粘结;从螺纹缺损形貌分析,可以断定螺纹缺损由高压钻井液冲刺造成。
第一组钻杆失效形式为螺纹缺损,从螺纹缺损形貌分析,可以断定螺纹缺损由高压钻井液冲刺造成。
2接头密封面损伤接头密封面损伤外观形貌如图5~6所示。
7组接头密封面存在图示的撕脱性损伤。
撕脱性损伤图5密封面撕脱性损伤一撕脱性损伤图6密封面撕脱性损伤二自图1所示的接头,按照《SY/T5290-2000石油钻杆接头》之规定,采取材质、机械性能、硬度及金相试样,逐个进行实验。
二、材质分析按照《SY/T5290-2000石油钻杆接头》取样后经直读光谱分析结果如下表1:《SY/T5290-2000石油钻杆接头》规定接头材质为合金钢,且对S,P作出规定,含量不超过0.030%,从检测结果看来,符合标准要求。
三、机械性能按照《SY/T5290-2000石油钻杆接头》取样后,依据《GB/T228金属拉伸试验法》进行试验测得结果如表2。
旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺_翁炜
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收稿日期:2005-03-17;改回日期:2005-09-20 作者简介:翁炜(1977-),男(汉族),河北新城人,北京探矿工程研究所工程师,中国地质大学(北京)地质工程硕士在读,钻探机械专业,从事大口径岩土工程钻掘机具及工艺的研发工作,北京市海淀区学院路29号,(010)82321875,weng wei@bjiee ;黄玉文(1968-),男(汉族),江苏人,北京探矿工程研究所大口径钻掘机具研发中心生产部主任、工程师,探矿工程专业,从事大口径岩土工程钻掘机具及工艺的研发及生产工作,(010)69306602。
旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺翁 炜,黄玉文,胡继良,史新慧(北京探矿工程研究所,北京100083)摘 要:对旋挖钻机钻杆失效形式进行了简要分析,针对性地介绍了旋挖钻机摩阻式钻杆的方案设计和制造工艺,以及生产过程中的注意事项。
关键词:旋挖钻杆;抗扭强度;焊接;热处理中图分类号:P634.4+2 文献标识码:B 文章编号:1672-7428(2005)10-0038-02Ana lysis on Rot ary D r ill Rod Fa ilure and Produc i n g Technology /WON G W ei,HUAN G Yu 2w en,HU J i 2liang,SH I X in 2hui (Beijin I nstitute of Exp l orati on Engineering,Beijing 100080,China )Abstract:The r otary drill r od failure is analyzed .The alternative design and manufacture techniques of fricti on drilling p i pes of r otary drills was intr oduced .The attenti ons should be paid during manufacture were menti oned .Key words:r otary drill r od;t orsi on strength;weld;heat treat m ent 旋挖钻杆是旋挖钻机上重要的配套钻具,由于恶劣的工作环境和复杂的受力情况,旋挖钻杆易出现破坏现象,其主要破坏形式为疲劳断裂与扭转变形,极少数情况下可能发生钻杆失稳造成的弯曲变形。
石油钻杆的应力失效分析
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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
![钻杆及其接头的早期失效分析与措施研究](https://img.taocdn.com/s3/m/0c8486c276a20029bd642d10.png)
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。
NP11-H8-平X井钻杆粘扣失效分析
![NP11-H8-平X井钻杆粘扣失效分析](https://img.taocdn.com/s3/m/ed716056777f5acfa1c7aa00b52acfc789eb9fd1.png)
1731 概况 2008年4至5月,某钻井队在NP11-H8-平X井作业期间,连续产生多起Φ139.7× G105钻杆接头粘扣现象。
另外,本井还先后有4根加重钻杆和1支回压凡尔也出现了粘扣现象。
主要钻井参数:钻压100kN,转速30rpm,三开以后采用的是水基无固相物钻井液体系,pH值为8至11。
该批钻杆为2007年10月配套到井队,数量共1053根,其中158根未投入使用,其余895根先后在4个井队使用。
发现粘扣现象的只在该队,总共发生粘扣钻杆30根,粘扣严重的钻杆有15根。
发生粘扣时钻杆累计使用时间300h,累计进尺3312m,其余钻杆在使用过程中未发现粘扣问题。
该井采用Weatherford铁钻工自动井口工具系统,钻具螺纹脂为华北石油某公司生产,型号为8041。
2 失效分析 2.1 失效部位外观 公接头大端第1-3牙基本完好,镀铜层明显可见;第4-7牙齿顶受到不同程度的粘扣,螺纹锥面严重损伤,齿形倒向大端。
大端第5牙螺纹严重粘扣部位已经看不清螺纹轮廓。
其余螺纹有轻微磨损,牙底镀铜层仍然存在。
钻杆公接头Pb粘扣位置在距密封面25-65mm范围内,螺纹损伤严重已不见轮廓,具有错扣特征。
在距密封面0~25mm范围(大端第1-3扣)螺纹基本完好,镀铜层清晰可见;在60~120mm范围仅齿顶磨损,粘扣形貌见图1。
在接头端面可见一些磕碰痕迹,如图2所示。
图1 图2钻杆母接头在距密封面17~97mm处粘扣,螺纹轮廓不可见。
在距密封面97~132mm范围内牙型完好,可见镀铜层,母接头镗孔内壁有磕碰。
2.2 化学成分分析 对粘扣的钻杆接头进行化学成分分析,结果表明,本批次钻杆接头化学成分符合API SPEC 7要求。
见表1。
NP11-H8-平X井钻杆粘扣失效分析周文华 李云政 王旭 许志华 闫华中国石油集团渤海钻探管具技术服务分公司 河北 任丘 062552摘要:根据国内某油田钻杆粘扣失效的现场调查,通过现场井况、断口形貌、材料的化学成分、力学性能等因素分析了Φ139.7钻杆粘扣原因,提出了预防措施和相关建议。
S135钻杆本体刺穿失效分析_张春婉
![S135钻杆本体刺穿失效分析_张春婉](https://img.taocdn.com/s3/m/0871868a02d276a200292e4b.png)
3 结论1) 试验所选取的测试点比较合理,较好地满足了对该段管道因为孔洞及其修补结构、螺旋焊缝等所造成的局部应力集中进行全面评估要求。
2) 贴片及试验测试成功,所测数据基本均能正确反应相应位置处应变随内压变化的趋势。
3) 在对所测试管段进行分析评估时可以当作理想薄壁压力容器,由此产生的误差可以忽略不计。
4) 由焊接修补结构及螺旋焊缝所造成的局部应力集中对较远处的影响可以忽略不计。
5) 由于无法在补板内进行贴片测试,从而无法计算由于孔洞所造成的应力集中程度,应结合有限元数值模拟技术评估打孔对管道强度的损伤。
参考文献:[1] 卜文平,帅 健,王晓明,等.打孔管道焊接修复结构的残余应力测试[J].中国石油大学学报:自然科学版,2006,30(3):81-84.[2] 白真权,王献堃,孔 杰.含缺陷管道补强修复技术发展及应用现状分析[J].石油矿场机械,2004,33(1):41-43.[3] 曹宇光,仝兴华,薛世峰.管道螺旋焊缝力学性能研究[J].石油矿场机械,2008,37(9):64-67.[4] 薛世峰,田旺生,仝兴华,等.打孔管道焊接残余应力有限元分析[J].石油矿场机械,2008,37(9):35-39.[5] 李淑梅,和育英.长输管道用钢制弯管静水压爆破试验研究[J].石油矿场机械,2008,37(12):56-59.[6] 高安东,杨占品,王可中,等.鲁宁线打孔盗油管段现场测试[J].油气储运,2009,28(2):64-67.收稿日期:2009-05-26作者简介:张春婉(1980-),女,陕西户县人,硕士研究生,主要从事石油管柱失效分析、石油管柱设计及材料研究,E -mail:zcw898@ 。
文章编号:1001-3482(2009)12-0065-11S135钻杆本体刺穿失效分析张春婉,张国正,董 会,金 磊,马 强(西安摩尔石油工程实验室,西安710065)摘要:对海洋平台连续发生的S135钻杆本体刺穿失效的原因进行了系统试验分析,通过DS -1标准弯曲指数(CI)的概念以及大量挂片试验,讨论了狗腿严重度和腐蚀对钻杆疲劳寿命的影响。
钻杆内涂层脱落失效分析
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钻杆内涂层脱落失效分析摘要:本文对埕北某井由于钻杆内涂层脱落造成两次定向仪器故障,被迫起钻事故分析,详细介绍了钻杆内涂层脱落情况,对原因分析,找出环境、温度和钻井液是钻杆内涂层脱落的主要原因,为该类事故提供理论依据。
关键词:埕北某井钻杆内涂层内涂层脱落2020 年 8 月 11 日,某钻井平台承钻埕北某井,由于钻杆内涂层脱落造成两次定向仪器故障,被迫起钻。
该钻杆外径为 101.6mm,钢级为 S135,扣型为WMDS38,内涂层材料为 WT300,生产厂家为某钻具有限公司。
我们对某钻井平台承钻埕北某井钻杆内涂层脱落原因进行分析。
2 根失效钻杆、1 根同批次未下井钻杆及 1 桶钻井液泥浆于 2020 年 10 月 12 日送到检验所。
1事故概况2020 年8月11日 01:30 某钻井平台承钻埕北某井开始三开钻进,至8月11日 10:00,测斜失败(从 4524.56m 钻进至 4565m,无固相泥浆,密度1.05g/cm3,粘度 49s),循环起钻。
起钻检查定向仪器发现测斜失败原因为:钻杆内涂层脱落严重,堵塞定向仪。
为了防止定向仪器再次被脱落的内涂层堵塞,在下修整井底钻具组合时倒换钻具将剩余未下过井的钻具全部下井充分循环冲洗,之后起出钻具,发现回压凡尔虽未完全堵塞,但积累了大量的内涂层。
随后再次下入三开钻进钻具组合,至2020年 8 月 15 日 15:00,恢复钻进。
第二次,于 2020 年 8 月 20 日 01:00 开始配三开钻具组合、下钻,至 8 月 20 日 20:00 下钻至井底 4719.2m。
缓慢开泵至正常循环排量 16.7L/s,泵压 17.5MPa,循环 3 分钟后,泵压突然升高至 38MPa,司钻立即停泵,泵压逐渐回零;随后缓慢开泵至 8.3L/s,泵压15MPa,循环冲洗两小时后起钻,起出后检测发现,泵压升高、循环不畅原因是由于内涂层脱落碎片堵塞钻头水眼。
钻杆相关数据见表 1。
钻杆螺纹断裂失效分析
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钻杆螺纹断裂失效分析鲍洪峰刘道喜(无锡双马钻探工具有限公司技术研发中心 江苏 无锡 214000)江苏钻通生产的X320型钻机中钻杆在使用一段时间,在钻杆螺纹处断裂。
为查明原因进行失效分析。
钻杆材料为42MnMo7,化学成分由厂家提供,有待进行复验。
钻杆规格:¢73*8*3000mm。
技术要求:钻杆整体进行调制处理,硬度30~35HRC。
抗拉强度:≧965Mpa,屈服强度:≧865Mpa钻杆结构及断裂位置如图1所示。
(图1)钻杆结构及断裂位置示意图1、宏观分析送检式样的宏观形貌如图2所示。
(图2)试样宏观形貌从图2中看到断口在螺纹的第三级上,断口基本齐平与轴向垂直,无明显塑性形变痕迹,断口形貌如图3所示。
从图3中看到,断口的外圈有一个平台区,平台上可看到明显的贝纹线,这是疲劳裂纹扩展留下的痕迹,也是裂纹扩展时停歇后留下的痕迹,所以根据典型的贝纹线形貌可以确定,断口的断裂类型为疲劳断裂。
断裂过程为:在螺纹根部的一周都有疲劳裂纹源,一周的裂纹同时向轴心扩展,根据受力的大小反应出扩展的快慢,从图3看到,右侧的受力要偏大于左侧,因平面区域大,且疲劳扩展的贝纹线清晰可见。
当剩余直径的截面积承受不了工作载荷后,即发生最后的瞬时断裂,因为受到的是扭力,所以最后断裂区与轴向呈45度,并且断口粗糙。
各区的放大形貌如图4所示。
(图3)断口宏观形貌从图3中可以看出公扣的牙底部份的储油空(a)疲劳扩展区右侧(b)疲劳扩展区左侧(图4)断口局部放大形貌2、显微分析在图4a中红框位置取样,沿纵截面按照常规制样方法制样,进行显微组织分析。
式样的纵截面上即可看到其他螺纹根部也有宏观裂纹产生,如图5所示。
宏观裂纹长度大约为2~3mm。
从截取的试样上看到,断口处的螺纹顶部已被挤压磨损掉了,如图6所示。
(图5)螺纹根部宏观裂纹形貌(图6)螺纹顶部磨损形貌观察试样心部及表层显微组织均为回火索氏体组织,组织分布均匀,如图7所示。
试论钻杆接头螺纹断裂失效分析
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试论钻杆接头螺纹断裂失效分析发布时间:2021-03-16T11:38:05.330Z 来源:《中国科技信息》2021年2月作者:焦超[导读] 钻杆是钻柱重要的组成部分,主要用于传递动力,输送泥浆,需承受各种复杂交变的载荷,如拉压、扭、弯曲等应力,因此要求钻杆具有良好的抗扭和抗冲击性能及防腐能力,特别是深井,超深井中,对其钻杆质量要求更高。
钻杆在整个钻柱组合中占比超过90%,它数量最多,长度最大,所面临的失效风险也最大,因此有必要对钻杆螺纹断裂进行分析,以确定断裂主因,探寻解决途径,为钻杆结构优化,提高使用寿命,减少失效风险提供重要依据。
中石化西北油田分公司石油工程监督中心焦超摘要:钻杆是钻柱重要的组成部分,主要用于传递动力,输送泥浆,需承受各种复杂交变的载荷,如拉压、扭、弯曲等应力,因此要求钻杆具有良好的抗扭和抗冲击性能及防腐能力,特别是深井,超深井中,对其钻杆质量要求更高。
钻杆在整个钻柱组合中占比超过90%,它数量最多,长度最大,所面临的失效风险也最大,因此有必要对钻杆螺纹断裂进行分析,以确定断裂主因,探寻解决途径,为钻杆结构优化,提高使用寿命,减少失效风险提供重要依据。
关键词:钻杆接头;螺纹断裂;超深井;结构优化分析油田钻杆螺纹断裂失效行为,通过宏观分析、磁粉探伤、金相分析、理化性能测试等方法,系统的分析了作业工况下螺纹失效因素,钻杆材料为 S135 钢级,结果表明,在复杂的工况下和自身材质的影响,受到硫化氢的腐蚀,从而加速了钻杆螺纹的断裂,这种开裂为典型的硫化氢应力腐蚀开裂。
1.宏观分析(1)宏观外貌。
本次分析的断裂对象为钻杆双台肩螺纹,失效形式为公螺纹近根部位置断裂。
在现场对入井钻杆进行宏观分析取样时,发现公螺纹小端密封台肩面存在大量挤压变形,严重的甚至出现密封面开裂,大端主台肩密封面亦有轻微磨损,根据双台肩接头密封原理和现场发现的现象,可以明确作业过程中螺纹承受的扭矩较大,甚至超过了其屈服扭矩。
钻杆失效事故统计分析及现场检测方案
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钻杆失效事故统计分析及现场检测方案【摘要】本文统计了数个不同区块钻具失效的数据及具体的失效方式,并对常见钻杆失效原因进行了进一步的分析,提出钻杆现场检测的整体方案。
最后针对钻杆检测、钻具质量管理、钻井作业现场操作提出建议。
【关键词】钻杆失效失效分析检测方案1 钻杆失效事故数据统计1.1 中国石油天然气集团公司管材研究所(以下简称管材所)钻杆失效分析数据统计对管材所2006年完成的钻具失效分析项目的结果进行统计,在32项钻具失效项目中,钻杆失效(包括管体和接头)的总数达17项,占钻具失效总数的53.12%。
同时有以下具体特征:在泥浆钻井中,钻具失效的主要形式是杆体刺漏,约占钻杆失效的70%~80%;在气体钻井中,钻杆的失效形式主要是断裂失效,约占钻杆失效的80%。
1.2 国际钻井承包商协会钻杆失效分析调查统计根据国际钻井承包商协会钻杆失效分析调查统计,距内、外螺纹接头台肩450mm ~550mm处为杆体内加厚过渡区,钻杆失效事故70%是发生在该区域内的穿刺或者断裂所引起。
因此,杆体加厚过渡带结构上是钻杆的“薄弱环节”,钻杆失效事故多发生于此。
1.3 徐家围子区块钻具失效类型数据统计徐家围子区块钻具失效类型,钻杆断裂失效占多数,所占比例为42.11%,钻头牙齿折断、掉牙等所占比例为28.95%,刺漏所占比例为18.42%,其余失效形式的比例则相对较小。
2 钻杆失效主要原因分析常见的钻杆失效原因主要有腐蚀疲劳、裂纹、螺纹失效等。
2.1 腐蚀疲劳(可能导致钻杆刺漏等)腐蚀疲劳失效,指受到腐蚀环境和疲劳载荷两种因素所导致钻杆失效。
介质中受到交变载荷作用时疲劳寿命会显著降低,这是腐蚀和疲劳交互作用所造成。
引起钻杆腐蚀的因素很多,不同因素所造成的腐蚀形态不同。
钻杆腐蚀形态主要有均匀腐蚀和点蚀。
其中,均匀腐蚀是指,由化学或电化学反应造成的金属的整个表面或大部分表面上发生的腐蚀,如常见的钻杆锈蚀等。
点蚀又称小孔腐蚀,如钻杆存放或使用过程中内外表面产生的孔状腐蚀,小孔腐蚀常常引起腐蚀疲劳和应力腐蚀裂纹。
钻杆螺纹失效分析及改进措施分析
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钻杆螺纹失效分析及改进措施分析发布时间:2023-03-22T05:48:11.895Z 来源:《工程管理前沿》2023年第1月1期作者:刘洪涛[导读] 简单介绍了钻杆的受力状态及其接头螺纹断裂失效的主要类型、表现形式,基于有限单元分析方法分析了螺纹强度水平,创建了钻杆接头模型,解读造成螺纹失效的常见因素,探讨有效改进钻杆设施结构的技术方法。
刘洪涛中石化胜利石油工程有限公司管具技术服务中心山东东营 257100摘要:简单介绍了钻杆的受力状态及其接头螺纹断裂失效的主要类型、表现形式,基于有限单元分析方法分析了螺纹强度水平,创建了钻杆接头模型,解读造成螺纹失效的常见因素,探讨有效改进钻杆设施结构的技术方法。
结合实践情况,规范应用以上改进措施后显著增加了钻杆的使用周期,降低局部断裂事件发生的风险,帮助使用单位节省成本,提升项目施工质量,进而创造出更多的经济收益。
关键词:钻杆接头;螺纹失效;有限元分析;结构改造引言能源资源是经济建设与发展的物质基础,近些年社会各个行业运营发展中对能源的需求量不断增加,能源的开采力度也日益增大,国家相关部门对该项活动的执行情况给予高度重视。
天井钻机历经数十年的发展后,自身已经成为一种技术十分成熟的设备类型,多各类复杂地质环境表现出较强的适应能力,能一次成型建造出各类型天、斜井,但和发达国家同类设备相比较国内转机设备的技术发展水平还是体现出一定滞后性,主要是因为产品设计理念及手段落后,并且钻机自身可靠性还有很大提升空间[1]。
1.1受力状态现场钻进施工时,基于螺纹联接形式使钻杆成为细长的管柱,钻杆自身的受力变形主要由如下两部分构成[2]:其一是已经钻出的钻孔样态使钻杆局部出现弯曲变形;二是钻杆现场钻进期间出现了组合变形问题,造成钻头处生成较大的钻,钻杆变形直接影响着钻压大小,这属于几何非线性动力范围内的问题;另外在多种荷载的作用下,钻孔对杆的变形程度产生了较大的约束力,和孔壁在某一深度部位、孔壁圆周方向上相互触及,可以将其归结成接触非线性动力学问题。
钻杆失效分析
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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)。
钻具失效原因分析1
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【技术论坛】钻具失效分析及预防钻井过程中,钻具除了受到拉力外,还要受到交替变化的弯曲应力,由于地层变化、转盘旋转等引起的横向振动和扭转振动的周期变化的干扰力,接触的介质是具有一定腐蚀性的钻井液,这些因素加速了钻具的失效。
钻具失效除了造成钻具损失外,打捞作业和停止钻进损失更大,甚至会造成进尺报废。
人们着手分析钻具失效问题,加强对钻具的使用、检测与管理,以减轻这一问题的影响。
钻杆失效类型主要有过量变形、刺穿或断裂及表面损伤。
过量变形是由于工作应力超过材料屈服极限引起;刺穿或断裂在钻柱失效事故中所占的比例较大,主要由于应力腐蚀、疲劳和腐蚀疲劳等原因造成。
表面损伤主要有腐蚀、磨损和机械损伤。
经中石油管材研究中心调查发现,70%的事故是由钻杆内加厚过渡区部位刺穿或断裂引起的。
从表面看,钻杆内加厚过渡区部位的失效有3种表现形式,即裂纹、刺穿和断裂,但实质上都是同一种失效。
钻杆被刺穿是因为泥浆在高压作用下穿过裂纹的缝隙,由于泥浆穿过这种缝隙时的高速流动,进一步扩大了该裂纹,并使之变成孔洞。
因此,刺穿的先决条件是已存在裂纹,多处刺穿孔洞连成一片,大幅度降低了钻杆的承载能力而导致断裂。
钻杆外壁的腐蚀较轻并且均匀,而钻杆内壁表面的腐蚀很不均匀,内加厚过渡区与管体交界处的腐蚀较严重,有许多点蚀坑,而裂纹正起源于这些点蚀坑底部。
有内涂层的钻具内壁腐蚀会减轻很多,但内加厚过渡区与管体交界处的内涂层易被冲蚀。
钻杆内壁的腐蚀以点蚀为主,钻杆出井时其内壁不可避免地残留有泥浆或井下腐蚀介质,如果在存放前未及时冲洗,会使钻杆内涂层剥落的部位产生点蚀,因腐蚀环境是开路系统,能充分吸收空气中的氧气而使腐蚀加速。
在以后的钻井过程中,在点蚀坑底部这个应力集中的地方产生初始裂纹。
钻杆管体腐蚀疲劳裂纹均起源于内壁的点蚀坑,其破坏过程:点蚀坑产生——裂纹萌生——扩展——刺穿。
应力腐蚀破裂是金属在拉应力(外加应力或残留应力)和腐蚀介质的共同作用下引起的一种破坏形式(如氢脆)。
钻具失效分析
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• API BULLETIN 5C3
套管、油管、钻杆和管线管 性能计算公式公报
提供了不同管子性能的计
算公式及有关其它发展和应用
的资料。
钻具失效分析
•API RP 7A1 旋转台肩接 头螺纹脂试验推荐作法
规定了钻具螺纹脂的材 料和试验方法。
钻具失效分析
API标准级别
包含了绝大多数管材、工具的尺寸 规格、钢级,解决了互换性问题。
钻具失效分析
钻进过程中钻柱受力
中和点及附近受力 钻柱上不受拉力又不受压力的位置称为
中和点。中和点将钻柱分为下部钻柱和 上部钻柱。 钻头在井底工作不稳定和不均匀送钻操 作,会使中和点移动。 中和点受交变载荷。 钻压不超过钻铤重量的80%,保证中和 点在钻铤上。
钻具失效分析
下部钻柱受力 下部钻柱(钻铤)大部分重量施
钻具失效分析
油田失效统计(2002)
失 效次 数
180
160
155
140
120
100
80
60
40
37
20 1
0
接头
钻杆
钻铤
钻具名称
钻具失效分析
塔指钻具失效
会战初期震击器、钻具稳定器、 转换接头、钢丝绳、取心工具失 效事故多。
目前钻杆失效、工具等失效事故 多。
吊卡事故发生多起。
钻具失效分析
• 几种常见的钻具失效形式
钻具失效分析
• 177.8mm钻铤NC50接头 • 内径57.2mm
BSR=2.54:1 • 内径71.4mm
BSR=2.73:1
钻具失效分析
• 内径=100mm BSR=4.16:1
钻具失效分析
钻具失效案例分析
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第32页/共36页
钻具的选用和使用方面
在保证提升能力条件下,优先选用较低钢级钻杆 使用最佳预紧扭矩 选择合适的弯曲强度比 在钻铤与钻杆之间使用加重钻杆 控制腐蚀
第5页/共36页
塔里木油田钻具失效情况
塔里木油田2001年-2003年6月共发生钻具失效事故157起,其中 钻杆121起,占77%,大部分为加厚过渡带消失部位刺穿失效,钻 铤21起,占13%,全部为公母扣断裂或刺漏失效。
失效次数
140 121
120
100
80
60
40
21
20
5
6
0
钻杆 加重钻杆 方钻杆 钻铤
第25页/共36页
钻铤疲劳断裂
第26页/共36页
接头纵裂
第27页/共36页
钻铤粘扣
第28页/共36页
磨损与热裂
第29页/共36页
冲蚀
第30页/共36页
腐蚀
第31页/共36页
提高钻柱寿命的措施
钻具设计和自身质量方面 提高钻柱构件韧性
制定合理的标准; 研制高韧性钻具
提高钻杆摩擦对焊质量 改进钻柱构件结构设计
第16页/共36页
沿晶断裂特征
1) 宏观断口匹配断面能很好地吻合一致,绝大部分断口结构粗糙呈颗 粒状; 2) 断口微面形貌显示沿晶分离,晶界面上多显示光滑无特征形貌或少 量韧窝花样、撕裂痕、变形线; 3) 晶界上存在有杂质元素如P、S、AS、Se、Sb、Te、Si、Ge、Sn…… 等; 4) 存在回火脆温度经历或温度环境; 5) 存在过烧或过热的温度经历或温度环境; 6) 失效部位存在局部三轴向工作应力条件; 7) 存在晶界弱化致脆的环境条件。
G105油井钻杆失效分析
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图 2 钻杆内壁腐蚀及裂纹形貌 Fig12 Corrosion and cracks in inner face
of the drilling p ipe
2 测试结果与分析
211 化学成分分析 从 失 效 钻 杆 样 品 上 取 样 , 使 用 Baird
Spectrovac2000型直读光谱仪 ,按照 ASTM A751《钢制 品化学分析方法及定义 》对试样进行化学成分分析 , 结果见表 1。由表 1可见 ,失效钻杆属于 C2M n系钢 , 其化学成分符合 SY / T 6697标准要求 。
图 3 裂纹扩展形貌 ( a)及尖端组织 ( b) Fig13 Op tical metallograph of the crack p ropagation ( a)
and m icrostructure of the crack end ( b)
213 力学性能测试 在失效钻杆管体上分别取纵向拉伸试样和纵向夏
图 1 刺漏失效钻杆形貌 ( a)失效钻杆全貌 ; ( b)刺漏处形貌 Fig11 Piecing failure of the drilling p ipe
( a) whole p ipe; ( b) p iecing location
112 钻杆加厚过渡带形貌分析 将失效钻杆样品剖开 ,管体外加厚部位的外径为
Fig14 SEM of the crack
( a) crack p ropagation surface; ( b) corrosion p roduct; ( c) fatigue crack
其反应式如下 [ 3 ] : 4Fe2 + + 6H2 O + O2 →4FeO (OH ) + 8H + 。 FeO (OH )实际上就是 Fe2 O3·H2 O ,通常位于腐 蚀物的外层 ,其脱水后生成红棕色 Fe2 O3 。
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地质钴杆工作环境恶劣,工作环境差易磨损、易腐蚀、易疲劳综合力学要求高。
钻杆失效形式主要是钻杆的断裂。
钻杆在导向、定向钻进过程中一但断裂, 将会对工程造成严重影响,不仅是经济上的巨大损失,而且影响工期,失去信誉, 后果不堪设想。
因此,作为施工个人或企业,一定要学会如何正确地选择和使用钻杆;而作为钻杆生产厂家,要知道各种开挖或非开挖工程对钻杆的特殊要求, 生产出高强度、高韧性和高可靠性的钻杆。
地址钻杆失效原因我们可从两方面来分析,人为因素和钻杆本身存在的缺陷,钻杆本身的缺陷又分设计缺陷和材料本身存在的缺陷。
钻杆在导向、定向钻进时往往在受到较大拉力和扭力作用的同时,还受到弯曲力的作用。
钻杆通过曲线段时,钻杆被迫弯曲,弧线内侧受压应力作用,弧线外侧受拉应力作用。
当钻杆在曲线段旋转时,杆体就受到拉压交变应力的作力,而钻孔曲率半径越小交变应力就越大。
研究表明这个交变应力达到一定值后,就极容易使钻杆产生疲劳裂纹。
钻杆刚开始产生的疲劳裂纹疲劳裂纹非常微小,肉眼很难发现,但疲劳裂纹发展速度极快,最后表现为突然的脆性断裂。
试验证明,钻杆受交变应力作用而疲劳断裂是钻杆断裂失效的主要原因。
施工队伍有很多是经验丰富素质高的专业公司,也有临时拼凑起来的没有任何施工经验和技术的队伍,他们往往连钻杆(或钻孔)的曲率半径都没听说过,不太了解地址钻杆的特性是造成钻杆断裂的人为方面的主要原因。
这要通过学习和培训加规范施工来解决。
下表中列出来地质钻杆失效的部位和表现形式及原因。
表一
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狹长井眼里工作,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而: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M和规范操作两方而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fi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)。
三种钻杆的优缺点比较如表二。
表二
性能、价格摩擦焊钻杆整体钻杆镦焊钻杆
丝扣耐磨性好差好
接头强度高中高
接头加工精度高差高
保定尺长度易难易
焊缝强度低高
整体性能差(易断)较好很好
价格低高低
性价比低中高
(3)镦粗加厚段的处理:不管是整体钻杆还是镦焊钻杆,镦厚部分与未镦厚部分之间的过渡段处理好坏是影响镦锻质S的主因素。
过渡段应有足够的长度,壁厚过渡均勻、光滑,无折皱。
杆体经镦锻后最好进行整体调质处理,以去除过渡段内应力,并提高其综合机械性
(4)接头结构型式
a.应力分散槽:试验研究表明,导向、定向钻杆受循环弯曲应力作用而疲劳断裂是钻杆的主要失效形式,而这种失效主要发生在钻杆公接头根部或公接头螺纹根部。
在钻杆公接头根部设计应力分散槽可有效地减小该处应力集中,从而提高其抗弯能力。
此外,尽量增大螺纹直径、锥度螺纹设计和加大螺纹丝底圆弧半径也能明显改善钻杆公接头根部的抗弯能力。
b.“双顶”结构:所谓“双顶”结构,即在钻杆公、母扣拧紧时母扣端部与公扣台肩处顶紧的同时,母扣的内台肩处也与公扣的端部顶紧。
“双顶”结构钻杆的加工难度大,但它与“单顶”钻杆相比具有多方而的优越性:
1密封效果好钻进液由内向外泄漏需经两个密封而,泄漏阻力大。
1能承受更大的扭矩“双顶”钻杆提供两个抗扭台肩,其台肩总接触面积远大于普通钻杆,因而承受的扭矩也远大于普通钻杆。
1提高钻杆的使用寿命普通钻杆往往因为接尖磨损,母扣端部变薄而被公扣锥成喇叭口,从而使整根钻杆失效。
“双顶”钻杆在接头磨损严重后内台肩仍有效地起作用,钻杆仍能继续使用。
(5)丝扣的表而处理:丝扣表面氮化处理能有效地防止粘扣,还能提高丝扣的耐磨性,从而提高其使用寿命。
氮化层厚度一般在0.2〜0.3mm,厚度过大容易产生碎性裂纹,厚度过小则抗粘扣效果差。
整体钻杆无法进行氮化处理,取而代之的是层厚小得多的磷化处理。
(6)螺纹加工精度:接头螺纹应在数控车床上用成形螺纹车刀加工,应尽量提高螺纹牙的表而质fi,降低其表面粗糙度值(Ra^l.6pm)提高光洁度,减少应力集中且有利保证钻杆的互换性。
接头螺纹紧密距应控制在合理的范围之内,保证丝扣啮合良好。
2.预防螺纹牙断裂所采取的措施
螺纹牙断裂失效约占钻杆失效的70%,根据螺纹牙断裂失效的原因分析,采取以下预防措施可有效降低该类失效形式的发生率:
(1.)加工螺纹时,要避免在螺纹终端(退刀处)产生不完全螺纹,防止在该处产生应力集中,致使螺纹牙疲劳破坏。
(2.)在接箍底部和外螺纹内端部采取合适的密封措施,尽;B避免管道内的流质进入螺纹接合处,减少腐性磨损,防止螺纹牙锈蚀而导致其强度不足。
(3.)对加工出的螺纹进行射线检测或者磁粉探伤等无损检测,及时发现管道螺纹部位的表面和内部缺陷,避免有缺陷的螺纹扣下井。
(4.)选用大小合适的扭矩旋紧螺纹,避免因预紧力过大而超出螺纹材料的强度极限造成螺纹牙折断。
3.施工工艺的改进
(1)规范操作:施工中要严格按照各种钻杆所允许的拉力、扭矩和曲率半径来使用钻杆。
对于施工企业来说,只有按规范使用钻杆,才能有效避免钻杆的非正常失效。
(2)过渡杆的作用:在扩孔和拉管过程中,与扩孔钻头连接的那根钻杆的曲率半径很可能远小于钻孔设计的曲率半径(如图1),即r«R<S pan>,从而使这根钻杆在回转并受拉力作用下而受到较大的循环应力作用,使其疲劳损伤,进而产生裂纹而断裂。
这种断裂多发生在距钻杆公接头0.3〜0.8m之间。
在普通钻杆与扩孔钻头之间连接过渡杆,可使扩孔钻头与普通钻杆之间的小曲率过渡由加过渡杆来承担,从而保护了普通钻杆。
过渡杆的这种作用往往被用户所忽视,但是很多看似无法解释的断钻杆事故其原因就在于此。