钻具标准及失效讲解

钻井参数对钻具使用寿命的影响 钻压
钻压过大，中和点易移到加重钻杆或 钻杆。 增加钻铤的弯曲载荷。 转速 转速过快钻柱在井眼摆动厉害，钻柱 受力情况恶化。
地层岩性对钻具使用寿命的
影响
硬地层使钻具磨损加剧，易产生
摩擦裂纹。容易发生跳钻、蹩钻 事故，使钻具受力条件更加苛刻。 蠕变地层容易导致卡钻事故。
• API SPEC 7
旋转钻井设备规范
规定了从水龙头转换接头到钻头 的所有旋转钻井设备的尺寸规格（除 钻杆管体外）、螺纹接头类型及测量 方法、标准量规及测量方法、接头和 钻铤的机械性能。还包括小直径工作 管柱、转盘、轴系、钻井泵零部件、 水龙带和刹车块的尺寸要求。
• API RP 7G 钻井设备设 计和操作推荐作法
对钻杆韧性要求
API SPEC 5D-1999 21º C ≥ 54J ISO 11961-1996 21º C ≥ 54J API SPEC 7-1997 对接头无要求 SY/T 5290 -2000 - 20º C ≥ 54J ISO 11961（草案）含管体、接头、焊区 钻杆管体 1级 21º C ≥ 54J 2级 -20º C ≥ 41J 3级 -20º C ≥ 100J 接头（1~3级） -20º C ≥ 54J

下部钻柱受力 下部钻柱（钻铤）大部分重量施
加给钻头破碎岩石 扭矩 弯曲 磨损
上部钻柱受力 扭矩 中和点以上钻柱重量
井口钻柱断面上所受扭力和
拉力最大。
钻柱震动
纵向震动（跳钻）引起交变应力。
井底反扭矩引起扭转震动（蹩钻），
产生交变应力。
卡钻
活动钻具上提，易发生过载。
（1）对钻具接头螺纹进行滚压强化
（2）加工应力分散槽 （3）采用新型钻具螺纹 • 加强现场检验 （4）提高螺纹表面处理质量 （5）优化钻杆内螺纹接头水眼尺寸 （6）提高钻具材料韧性(钢级越高 需要匹配的韧性越高）
以∮127×9．19 mm IEU ，G 105钻杆为 例，其结构如图所示。其中，D=127 mm， d= 108.6 mm ，DOU= 131.8 mm ， dOU =90.5mm ，Leu =76.2mm，Leu +Meu =139.7mm， Liu =108，Miu=150mm，R=300mm。
钻柱受力 起下钻过程： 井越深、钻柱越长、钻具 尺寸越大、钻柱重量越大， 上部钻柱所受拉力越大。 泥浆密度越大，其浮力对 上部钻柱拉力影响越大。
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。
井下有害气体对钻具使用寿命的
影响 H2S会导致钻具应力腐蚀开裂 CO2、泥浆里的溶解氧会加剧钻 具腐蚀。
井身结构 深井、定向井、水平井越
来越多。 在造斜段全角变化率（狗 腿度大），钻具受到很大 的弯曲载荷，很易发生疲 劳断裂和摩擦热裂纹。
钻井条件对钻具性能要求 尺寸精度高，特别是螺纹接头加
粘扣原因
内外螺纹不匹配
表面处理质量差
螺纹脂质量差或有硬质异物 偏斜对扣
开始上扣ຫໍສະໝຸດ Baidu速度过快
钻具稳定器偏心脆断
钻铤外螺纹疲劳断裂
钻铤外螺纹断裂
加重钻杆螺纹刺漏
加重钻杆本体断裂
某厂生产的对焊式加重钻杆断裂情况
钻杆加厚过渡区刺穿
H2S导致钻杆应力腐蚀断裂
钻杆管体中部裂纹造成的刺漏
•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。
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。 API 标准早，在全世界范围引用。 API 标准不是最高标准，油田应根据井 况制订订货补充技术条件。 API 标准没有包括所用的标准，有待我 们完善补充。
钻杆作用
提供从钻机到钻头的钻井
液通道，输送钻井液。 把地面动力（扭矩）传递 给钻头并给钻头加压。 起下钻头。
通过钻柱了解和观察钻头工
作情况、井眼情况和地层情 况。 进行取心、处理井下事故， 打捞落物，挤水泥等作业 对地层流体及压力情况进行 测试和评价。
加重钻杆 用于钻铤与钻杆过渡区，缓
谢谢！
• 失效分析
通过对构件或零件的失效 残样形貌、成分、性能和 受力情况等进行综合分析， 有时需要做再现性试验， 最终推断出失效原因。
失效分析的任务
寻找失效原因，不断降低
产品或装备的失效率，提 高可靠性，防止重大失效 事故发生
• 几种常见的钻具失效形式
• 断裂 •过载断裂 • 脆性断裂 • 疲劳断裂 • H2S应力腐蚀开裂 • 内螺纹接头胀大 • 摩擦裂纹 • 粘扣 • 结构不合理导致失效
3 钻具失效分析及预防
• 失效定义 • 失效分析 • 几种常见的钻具失效形式 • 钻具螺纹的载荷分布 • 钻具失效分析及预防
•失效的定义
美国《金属手册》认为，机械产品的零件 或部件处于下列3种状态之一时定义为失效： （1）当它不能完全工作时； （2)仍然可以工作，但已不能令人满意地实 现预期的功能时； （3)受到严重损伤不能可靠而安全地继续使 用，必须立即从产品或装备上拆下来进行修理 或更换时。
和两者弯曲刚度的变化，以 减少钻杆损坏。 在小井眼中代替钻铤，操作 方便。 在定向井中代替大部分钻铤， 以减少扭矩和粘卡钻等。
钻铤
给钻头提供钻压。
使下部钻具组合具有较大
刚度，使钻头工作稳定， 有利于克服井斜问题。
钻铤种类 圆柱钻铤 螺旋钻铤
螺旋钻铤 减少粘附卡钻的发生
丛式井
规定了钻具的扭转性能、拉 伸性能、上扣扭矩、钻杆接头扭 转性能计算、钻杆分级和钻铤弯 曲强度比计算等。
SY/T
5144 钻铤 SY/T 5290 钻杆接头 GB 9253.1 石油钻杆接头螺纹 SY/T 5200 转换接头 SY/T5146 整体加重钻杆
SY/T5987
钻杆国外订货技术条件 它是把API 5D和API 7 合在一 起的国内标准，有些地方的技术 要求高于API标准 规定了管体、钻杆接头的技术要 求和试验方法及检验规则
过载断裂
所加的载荷过大，超过了
构件或零件的承载能力。
脆性断裂
材料韧性差
有结构应力集中 突然断裂
疲劳断裂
交变载荷
较长时间运转 从薄弱环节断裂
H2S应力腐蚀开裂
拉应力 H2S
内螺纹接头胀大 钻铤弯曲强度比过小。
钻铤扣形选错（127mm NC38) 钻铤外径磨小 。 钻杆接头密封台肩宽度不足 (127mm钻杆接头DF=150.4mm) 井下扭矩过大。
钻杆内螺纹接头胀大
钻杆过渡区裂纹
钻杆18度处裂纹
钻杆接头磨损
钻杆接头偏磨
钻杆内涂层起泡
• 预防措施
• 及时对失效样品进 行分析，找出原因 • 全面推广数字接头 • 钻具结构突变位置 应选用B型接头
• 制订订货补充技术条件
• 实施驻厂质量监督 • 严格操作规程 • 加强现场检验
• 提高钻具质量
工精度高。 抗疲劳性能好。 耐磨，抗摩擦裂纹能力高。 抗粘扣性能好。
2 标准简介
• API 钻具标准
• API SPEC 5D 钻杆规范（ISO 11961-1996）
• API SPEC 7 旋转钻井设备规范
• API RP 7G 钻井设备
设计和操作推荐作法
• API SPEC 5D 钻杆规范 该规范内容包括所有 钢级的无缝钻杆管体及其 制造方法、化学成分和机 械性能要求、试验方法和 尺寸要求。

钻具标准、失效讲解
1、简要 介绍

钻具是下井工具的总称。 包括方钻杆、钻杆、加重钻杆、 钻铤、无磁钻铤、转换接头、 钻柱稳定器等。而将这些下井 工具连接起来组成的管串称为 钻柱。


钻柱是连通地面与地下的枢纽。钻井过程 中，地面动力的传递和钻井液的输送，依靠 钻柱来实现；地层的变化、井下的复杂情况 ，也可以通过钻柱反映到地面上来；此外钻 井过程中的其他作业，如取心、处理井下事 故、中途测试等都必须依靠钻柱来实现。钻 柱一旦出现事故，会带来巨大的经济损失。 因此管理好、使用好钻具在钻井过程中尤为 重要。
摩擦裂纹
钻具与井壁或套管摩擦。
瞬时产生大量摩擦热。
局部温度超过材料相变温度，
金相组织变化。 组织应力和热应力超过材料 破断强度。 产生摩擦裂纹。
粘扣 内外螺纹旋合摩擦干涉，表面温
度急剧上升，使内外螺纹表面发 生粘结。由于上卸扣内外螺纹有 相对位移，粘扣常伴有金属迁移。 一般粘扣属于粘着磨损。如果有 沙粒或铁屑等硬质颗粒，粘扣为 磨粒磨损和粘着磨损。