钻井过程中钻具失效的预防

1中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题目：钻井过程中钻具失效的预防学习中心：华北学习中心年级专业：函授13级石油工程学生姓名：路庆辉学号：指导教师：职称：导师单位：中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间：2015年06月10日1中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员1．设计(论文)题目：钻井过程中钻具失效的预防2．学生完成设计(论文)期限：2014年9月1日至2015年3月1日3．设计(论文)课题要求：摘要应简要说明毕业设计（论文所研究的内容、目的、论文的基本思路和逻辑结构、实验方法、主要成果和结论，应能反映整个内容的精华。一般为300字左右。关键词是为用户查找文献，从文中选取出来用以提示全文主题内容的一组词语或术语，应尽量采用词表中的规范词参照相应的技术术语标准。标题层次要清晰，目录中标题与下文中标题要一致。毕业设计（论文）主体内容在5000到8000字为宜，一般应包括前言、正文、结论等部分。结论集中反映作者的研究成果，表达作者对所研究课题的见解，是全文的思想精髓，是文章价值的体现。结论要写得概括、简短。参考文献反映毕业设计（论文）的取材来源、材料的广博程度和可靠程度。参考文献不宜过多，只列作者直接阅读过，在正文中被引用过的中外文献资料。4．实验（上机、调研）部分要求内容：通过进行社会调查研究，培养综合分析能力。5．文献查阅要求：认真检索与阅读中、外文献资料，希望能查阅到与所选研究课题有关的文献，学会文献资料收集和整理、使用，提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。6．发出日期：2014年9月1日7．学员完成日期：2015年2月10日指导教师签名：学生签名：2摘要石油钻杆在钻井服役中受拉力和压力作用，并承受弯曲扭转载荷，钻头对岩石的冲击还引起钻杆的强烈振动。经服役的钻杆，常有疲劳和腐蚀裂纹等缺陷产生，造成重大经济损失。钻杆的失效有裂纹、刺穿和断裂三种表现形式。刺穿是高压钻井液作用下通过穿透裂纹的缝隙，先决条件是存在穿透裂纹。疲劳一般发生在两个区域，一是管体外表面，该处界面抗弯模量最小，应力幅值高，二是内加厚过渡区与管体交界处，这里因几何形状不连续造成应力集中。其裂纹诱发的原因是在钻井过程中钻杆的旋转弯曲疲劳破坏、外表面的刻槽、几何尺寸的变化、腐蚀坑等。钻杆综合检测和钻杆参数评价技术的研究应用，可预测出即将产生的缺陷部位，评价钻杆的疲劳、腐蚀，磨损程度和使用可靠性，对保证钻井作业的安全具有重要。关键词：钻具,失效原因,预防措施1目录第一章前言...................................................................................................................................................1第二章钻具失效分析的程序和步骤.......................................................................................................22.1钻具失效分析程序图。...............................................22.2整个失效分析过程的几个环节。.......................................32.2.1断口分析.........................................................32.2.2钻具的工作状态...................................................3第三章钻具的受力分析...............................................................................................................................53.1轴向力。...........................................................53.2弯曲扭矩。.........................................................53.3离心力。...........................................................53.4扭转力矩。.........................................................53.5动载。.............................................................6第四章钻具失效原因...................................................................................................................................74.1低应力脆裂。.......................................................74.2应力腐蚀断裂。.....................................................74.3氢脆。.............................................................74.4疲劳腐蚀...........................................................8第五章钻具失效的预防.................................................9第六章结论.................................................................................................................................................11参考文献.......................................................................................................................................................12致谢.........................................................................................................................................................131第一章前言据统计，我国每年发生钻具事故数百起，经济损失数亿元。在钻具失效停用数量中，按多少顺序排列，依次为：腐蚀坑---均匀磨损---卡瓦损伤---偏磨---裂纹---其他。钻具失效形式主要有钻具断裂、钻具刺漏、钻具内螺纹接头涨扣、钻具内螺纹接头开裂、钻具偏磨等等。尤其是在深井、超深井以及水平井、大位移井等复杂井的作业过程中，钻具断裂的危害尤其严重，轻者增加钻井成本，延长钻井周期，重者导致填井侧钻甚至于整井报废。在深井、超深井等复杂井的钻探作业中，用双扭矩台肩的钻具可以有效的提高钻具承载能力，降低钻具的断裂失效事故，提高钻具的安全可靠性。2第二章钻具失效分析的程序和步骤当发生钻具事故,要很快的找出事故原因,就要掌握钻具失效的分析方法.钻具失效分析方法简要介绍如下:2.1钻具失效分析程序图。图2-1钻具时效分析程序图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现场调查及残骸分析调查加工和服役历史初步观察分析无损检测分析失效（故障）发生宏观断口分析32.2整个失效分析过程的几个环节。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。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。观察表面有无氧化、腐蚀、撕咬、磨损、龟裂、麻坑等。2.2.1断口分析断口记录了断裂材料主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌的分析，不仅可以得到有关部件使用条件和失效特点的资料，还可以了解断口附近材料的性质和状况，进而判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序，确定断裂的性质，从而找到断裂的主要原因。钻具的服役条件及主要失效类型2.2.2钻具的工作状态在钻井过程中，钻具是在起下钻和正常钻进两种工序中交替工作的。起下钻时，钻具处于受拉状态；钻进过程中，其状态比较复杂，处于由拉、压、扭等状态。在转盘钻进时，钻具好似一根细长的旋转轴。在部分自重产生的轴向压力作用下，下部钻具不稳定呈弯曲状态，由于受到井眼的限制，可产生多次弯曲；上部钻具由于旋转产生的离心力作用不能保持直线状态，再加上扭矩的作用，整个钻具成一个近似螺旋形曲线的形式进行复杂的旋转运动。成螺旋形的钻具在井中有公转、自传、自转和反公转三种运动方式。自转---指整个钻具在井中绕自身轴线旋转。这样的转动使钻具均匀磨损，并经受交变弯曲应力而使钻具产生疲劳。公转---钻具在压力、拉力、离心力和扭矩的联合作用下，其轴线弯曲成变波平面正弦曲线形状，整个轴线按转盘的旋向绕井眼轴线旋转。这样的旋转式钻具与井壁摩擦产生偏磨。4反公转---钻具在自转和公转过程中，受到钻井液摩擦阻力、井壁阻力和井底地层对钻头抵抗力的影响，会产生反公转，从而使钻头横向摆动，影响钻头的使用和钻具的使用寿命。5第三章钻具的受力分析钻具的受力状态与所选用的钻井方式有关，在不同的工作状态和不同的位置作用着不同的载荷。概括起来，钻具在井内主要受有以下几方面力的作用：3.1轴向力。有钻具自重、钻井液对钻具的浮力、井壁和钻井液对钻具的摩擦阻力、钻压等。一般情况下，井口的拉力最大，中和点”下部钻具因钻压的作用，承受压力，井底压力最大。在钻井液中钻具受到浮力的作用，轴向拉力会减小；在起钻过程中，钻具与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻具上的拉伸载荷。下钻时则与起钻承载相反。径向挤压力起下钻作业时，卡瓦对钻具产生的挤压力。管外液柱产生的挤压力。地层形变产生的挤压力。3.2弯曲扭矩。弯曲力矩是因钻具上有弯曲变形存在而产生。正常钻进时，当下部钻具受压弯曲时，以及转盘钻进中由于离心力的作用和井眼偏斜、弯曲等都能使钻具发生弯曲，于是产生弯矩。弯曲的钻具在绕自身轴线旋转时，就会承受交变的弯曲应力。最大的弯曲应力产生在挠度最大处。3.3离心力。弯曲的钻具绕井眼轴心旋转时产生的离心力，可使钻具更加弯曲，使弯曲应力增加。3.4扭转力矩。转盘通过钻具带动钻头旋转，破碎岩石，并克服钻具与井壁和钻井液的摩擦阻力，使钻具承受扭转力矩。由于受到井壁和钻井液摩擦阻力的影响，井口的扭矩比井底大。当在井底使用动力钻具（涡轮钻具、螺杆钻具等）时，作用在钻具上的反扭矩，井底大于井口。6钻具的振动钻进时，由于地层的软硬不均、井底不平，特别是用牙轮钻头时，牙轮的滚动，引起钻具纵向振动，使“中和点”上下移动，产生交变的挤压应力。当外界周期的干扰力与钻具的固有频率相同时，引起共振，出现剧烈的“跳钻”。跳钻会引起钻具的疲劳破坏。钻具的旋转还会使钻具产生两种振动。第一种是由于钻头结构、地层、钻压等因素的变化引起的扭转振动。当转速达到某一临界值时，钻具出现扭转共振，即“蹩跳”。第二种是横向振动。这是在转速达到某一