钻具失效分析

钻具失效分析及钻井设备简介•内容••钻具受力及要求•标准简介•钻具强度校核•API钻具数字螺纹接头全面推广应用•钻具失效分析及预防•套管失效分析及预防钻柱受力及要求钻柱组合钻柱作用井身结构钻柱受力钻具性能要求下部钻柱还包括稳定器减震器震击器等钻柱作用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无磁钻铤螺旋钻铤减少粘附卡钻的发生无磁钻铤磁导率很低的不锈钢制成的圆柱钻铤。当磁场强度为1×105/4πA/m时，相对磁导率μr应小于1.010。沿内孔任意相距100mm的磁感强度梯度不应大于0.05Μt。材料不应存在晶间腐蚀开裂。保证测井仪器（利用磁性原理）的测量结果准确性，保证井眼轨迹符合要求。用于定向井、水平井、大位移井和要求很高的直井。井身结构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。钻柱受力起车或刹车过猛，会引起附加载荷。井眼不规则会引起阻卡现象，使钻柱受力发生变化。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。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。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。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。允许的最大全角变化率确定钻杆的应力不超过其疲劳极限，避免钻杆疲劳破坏。钻杆接头对井壁的侧向力不超过规定值，以防止钻具过度磨损、钻杆接头热裂等。全角变化率（狗腿度严重度）定义及计算在一定长度井段内（25m或100ft）包括井斜角和方位角的空间井斜变化量Gab＝25/ΔLab{(αa-αb)2+Δφ2absin2[(αa-αb)/2]}1/2式中：Gab－测量点a和b间井段的全角变化率，º/25mΔLab－测量点a和b间井段长度，mαa－测量点a处的井斜角，ºαb－测量点b处的井斜角，ºΦ2ab－测量点a和b间的方位变化量，º钻井条件对钻具性能要求尺寸精度高，特别是螺纹接头加工精度高。抗疲劳性能好。耐磨，抗摩擦裂纹能力高。抗粘扣性能好。3标准简介•API钻具标准•APISPEC5D钻杆规范（ISO11961-1996）•APISPEC7旋转钻井设备规范•APIRP7G钻井设备设计和操作推荐作法•APISPEC5D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。•APISPEC7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。在附录里还包括:（1）地区量规、校对量规和工作量规的保管与使用；（2）钻井泵的维修；（3）水龙带；（4）旋转接头的润滑等推荐作法。•APIRP7G钻井设备设计和操作推荐作法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/T5144钻铤SY/T5290钻杆接头GB9253.1石油钻杆接头螺纹SY/T5200转换接头SY/T5146整体加重钻杆•APIBULLETIN5C3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。•APIRP7A1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。4钻具强度校核•钻杆扭曲强度校核•钻铤弯曲强度校核•钻杆扭曲强度校核•接头扭转强度Ty=YmA(p/2+Rtf/cosθ-RS)Ty=屈服扭矩,ft-lbs;Ym=最小材料屈服强度,PSI;p=螺距,in;f=摩擦系数,选用API钻具螺纹脂时摩擦系数为0.08;=螺纹牙形半角;Rt=C+(C-(LPC-0.625tpr1/12)/4LPC=外螺纹长度,in;RS=(OD+Qc)/4,in;A=距密封台肩3/4in处外螺纹横截面积(AP),或者距密封台肩3/8in处内螺纹横截面积(Ab);AP=(C-B)2-ID2/4C=螺纹中径（距密封台肩5/8）,in;ID=外螺纹接头内径，in;B=2(H/2-Srs)+tpr1/81/12H=不截顶螺纹高度，in;Srs=螺纹截顶高度,in;tpr=锥度，in/ft。•管体扭曲强度Q=0.096167(D4-d4)Ym/32(ft-lb)Q=管体扭曲强度；D=管体外径，in;d=管体内径，in。•API规定Ty/Q0.8•5in9.19mmG105NC50钻杆扭曲强度校核•d=3.25in(82.6mm)Ty/Q=0.89•d=3.75in(95mm)Ty/Q=0.66•钻铤弯曲强度校核BSR=[(D4-b4)/D)]/[(R4-d4)/R)]式中：BSR—弯曲强度比；D—钻铤外径；b—外螺纹端部对应内螺纹牙底直径;b—外螺纹端部对应的内螺纹牙底直径；R—距台肩19.05mm处外螺纹牙底直径;d—钻铤内径。•177.8mm钻铤NC50接头•内径57.2mmBSR=2.54:1•内径71.4mmBSR=2.73:1•内径=100mmBSR=4.16:15API钻具数字螺纹接头推广应用•数字螺纹接头命名•数字螺纹接头优点•推广数字螺纹接头存在问题•数字螺纹接头命名•螺纹中径尺寸NC50C=5.0417inNC38C=3.808in•数字螺纹接头优点螺纹牙底圆弧半径大•NCV-0.038R•IF平底，0.015r•REG41/2in,0.020R41/2in,0.025R•FH0.020R(31/2FH,41/2FH),0.025R(65/8FH)0.015r(4FH平底)•全面推广数字螺纹接头存在问题•部分数字螺纹接头未用(43/4inNC35,8inNC56,9inNC61)•修扣质量不能保证6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。•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油田失效统计（2002）137155020406080100120140160180接头钻杆钻铤钻具名称失效次数塔指钻具失效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。•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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（127mmNC38)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。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。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开始上扣时速度过快厚度（套管螺纹）国外0.015mm国内0～0.005mm磷化质量镀锌层质量（套管）厚度国外0.015mm~0.025mm国内一次上卸扣磨掉•钻具失效分析及预防举例•过载断裂、脆性断裂•钻铤内外螺纹接头断裂（BSR，疲劳）•钻铤两端内孔不同心在内壁形成台肩造成淬火裂纹•钻杆接头吊卡台肩位置断裂•钻杆外螺纹接头断裂（疲劳、大水眼）•钻杆内加厚过度带消失位置刺穿过载断裂钻具稳定器偏心脆断钻杆直角台肩疲劳断裂钻铤外螺纹疲劳断裂钻杆内加厚过度带刺穿钻杆内加厚过度带热蚀后对比不同钻杆腐蚀速率对比（1.7～2.3倍）H2S导致钻杆应力腐蚀断裂钻铤本体断裂钻杆内螺纹接头胀大钻内螺纹接头摩擦螺纹钻杆接头磨损油管粘扣震击器内螺纹龟裂转换接头结构不合理震击器外螺纹变螺距震击器外螺纹变螺距外螺纹内螺纹变螺距外螺纹接头与内螺纹接头配合状况大端小端震击器内螺纹接头龟裂内螺纹外螺纹转换接头淬火螺纹转换接头夹杂及缩孔钻具稳定器外螺纹损伤钻具稳定器内螺纹损伤结构不合理的钻具稳定器结构不合理的钻具稳定器稳定器硬质合金块脱落稳定器硬质合金块脱落稳定器硬质合金块脱落•钻具螺纹的载荷分布应力最后旋合螺纹开始旋合螺纹•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•加强现场检验•提高钻具质量（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（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）对钻杆韧性要求APISPEC5D-199921ºC≥54JISO11961-199621ºC≥54JAPISPEC7-1997对接头无要求SY/T5290-2000-20ºC≥54JISO11961（草案）含管体、接头、焊区钻杆管体1级21ºC≥54J2级-20ºC≥41J3级-20ºC≥100J接头（1~3级）-20ºC≥54J其它失效事故吊卡断裂事故LN37井244.5mm