搜索
1学习情境四钻井打捞作业项目一钻具事故打捞作业子项目一、钻具事故打捞作业钻具事故是钻井中较常见的事故之一，特别在转盘钻井中，由于钻柱在井下受力非常复杂，若检查不严格或操作不当，就会发生折断、脱扣、胀扣、刺穿的事故。发生钻具事故后，对落入井底的钻具要实施打捞作业，打捞钻具作业是一项细致的技术工作，如果处理不当或打捞作业时间过长，将会增加钻具事故的复杂性，使处理更加困难，甚至造成井的报废。所以，对钻具事故要以预防为主，加强对钻具的科学管理，严格执行操作规范，尽量消除钻具事故。任务一、钻具事故的原因与预防Ⅰ、教学目标1、掌握钻具失效的类型和原因、作用机理；2、掌握基本的钻具事故预防方法和措施；3、初步具有预防钻具事故操作、维护的动手能力。Ⅱ、工作任务描述钻井事故中常遇的一类事故就是钻具事故，要减少钻具事故的发生，预防是第一重要的。做好钻具事故的预防工作，必须知道钻具事故发生的来龙去脉，必须掌握基本的钻具事故的原因分析和判断技能，这样才能有针对性、有目的、有效率的做好钻具安全防护工作。本工作任务就是在归纳了钻具事故的破坏类型、特征、原因的基础上，结合现场实际提出钻具事故预防的方法和措施，着重于工作过程的钻具安全防护工作的实施和确保钻具使用安全。钻具安全防护涉及到金属管材性能、管材结构、管材受力、管材腐蚀、钻井液、地层等诸方面基础知识和专业知识，是一个系统工程。因此钻具使用、操作人员，必须具备钻具安全防护的基本知识和基本操作技能。Ⅲ、学习任务及知识点阐述学习和理解钻具事故的产生原因、破坏的机理、破坏特征等理论知识，是更好的掌握和实施钻具安全防护工作的基础。通过对钻具事故发生过程的原因探讨，才能真正掌握钻具事故预防的方法和措施；才能做好钻具安全防护的工作。学材钻具失效在世界各油田普遍存在，原因各不相同，失效机理也很复杂，但都与钻具结构，材料特性，地层情况，钻井工艺和使用水平有关。我们知道石油钻具的受力状况和井下环境非常恶劣，长期处在内外充满钻井液的狭长井眼里工作，承受拉、压、弯、扭、液力等载荷作用，同时还伴随着各种复杂振动，使其成为钻井设备工具中的一个薄弱环节，在钻井过程中钻具任何部位失效都可能造成严重的后果，甚至使井报废。美国的统计和估算表明，钻具的断裂事故在14%的井上发生，平均发生一次损失106000美元，这是正常消耗以外的巨额费用。据统计，我国各油田每年发生钻具事故约五、六百起，我国每年必须用数亿元人民币的外汇购置各种规格的钻杆和钻铤，经济损失巨大。因此只有开展钻具失效研究，掌握钻具失效的客观规律，针对实际情况，提出相应的预防措施，才能防止钻具事故或最大程度地降低钻具破坏，提高油田的经济效益。一、钻具的破坏类型由于钻具工作条件的恶劣，所以其失效形式也多种多样。归纳起来，其主要失效形式可分为：21、断裂断裂在钻具失效事故中所占的比例较大，占全部失效的50%左右，导致断裂失效的主要原因是疲劳破坏，也有一定数量的氢脆破坏。钻具折断分为丝扣折断和本体折断。2、刺穿、脱扣和胀扣失效刺穿、胀扣和脱扣失效是仅次于断裂失效的主要失效形式。脱扣、胀扣失效在钻杆和钻铤上都有发生，主要原因是使用不当造成的。刺穿失效主要发生在钻杆上，钻铤和加重钻杆、扶正器上也有发生，但是较少。脱扣分为拉脱和倒扣。3、表面损伤表面损伤包括腐蚀、磨损和机械损伤三方面。4、过量变形过量变形是由于工作应力超过材料的屈服极限引起的。如钻杆接头在受载情况下螺纹部分的拉长，钻杆本体的弯曲和扭转，这都是由使用不当造成的。二、钻具失效的原因钻具失效中以断裂失效比例最高，刺穿、脱扣和胀扣次之，在表面损伤中，以腐蚀和磨损为失效的主要原因。在这些主要失效原因中，有的是独立的，有的又是互相影响的。下面对断裂失效、刺穿、腐蚀等失效原因进行分析。1、断裂失效四川川东地区1996年～1997年期间发生了303起钻具井下事故，其中钻杆、钻铤断裂就达142次，占总数的46.9%；塔里木油田在1995年～1998年期间钻杆、钻铤失效66次，其中断裂事故就达38次，占失效的57.6%。导致断裂的主要因素是疲劳，也有一定数量的脆性断裂。疲劳断裂的原因一是钻具使用时间久，达到正常使用寿命；二是井下钻具受力严重，载荷复杂，如严重跳钻、大井斜角、大狗腿角等。脆性断裂与材料质量不合格有极大关系，另外环境和使用也会导致脆性断裂。1）钻具疲劳材料在交变应力作用下，经过长时间（或较多的应力循环周次）运转后所发生的“突然”失效或破坏，统称材料的疲劳现象。疲劳是钻具失效的最主要形式。有资料报道，钻具的失效大约有80%是由于疲劳引起的。据波斯弯地区钻具失效的统计，在三年时间内，累计每钻进进尺1981.2m（6500ft）就有一起与疲劳有关的钻具失效。⑴疲劳失效表现的形式疲劳失效在钻具上的表现形式主要是钻铤螺纹处发生疲劳断裂和在钻杆加厚过渡区间产生疲劳裂纹，引起钻杆疲劳刺穿，甚至断裂失效。在钻具的疲劳失效中，钻铤的疲劳失效更为突出。石油管材使用研究表明有80%以上的钻具失效属于疲劳或疲劳相关的失效，其中绝大部分发生在钻铤的螺纹连接处。1992年全国钻具失效总况的统计结果表明,钻铤的失效次数大致为钻具总失效事故的48.7%；长庆油田第三钻井工程处1994年共断钻铤87根(钻铤外径177.8mm，螺纹为NC50牙形)，内螺纹断裂占86%，外螺纹断裂占14%。内螺纹断裂位置在距台肩面100～120mm处，外螺纹断裂位置在距台肩面18～25mm处，失效部位断口截面光滑具有疲劳断裂特征；四川川东地区1996～1997年间发生了142起断裂事故中，螺纹断裂就占110起，占总数的77.5%；据统计，大庆油田钻铤损失占钻具失效总数的88.4%，而钻铤损坏基本上都在钻铤螺纹连接处；华北油田2002～2005年钻铤失效78起，占总失效的46.7%。其中螺纹连接失效75起，占3钻铤失效的96.1%。螺纹连接处的应力集中是钻铤最薄弱环节，也是钻铤疲劳失效多发区。钻杆疲劳失效主要表现在钻杆加厚区间由于截面突变，在加厚区间引起应力集中。在频繁交变应力作用下，加厚区产生微小裂纹，加之钻井液等复杂因素的影响，最终导致刺穿、刺漏和裂缝，甚至发生钻杆断裂事故。川南矿区在20世纪90年代曾对10口井使用的钻杆进行探伤检查，发现34根E75钻杆、17根X95钻杆、5根S135在内加厚过渡区部位产生裂纹。塔里木油田在1995年～1998年三年间钻杆和加重钻杆失效35次，断裂和刺穿就高达22次，占62.8%；2003年7月至9月勘探三号钻井平台在东海海域富阳一井的钻井施工过程中,共计发生9次钻杆刺漏现象,钻杆刺漏位置基本都在距端面0.60ｍ处。⑵疲劳失效特征①钻铤失效特征ⅰ、钻铤的疲劳断裂，大多数发生在井斜变化大，方位变化大的“狗腿”井段。当应力集中较大，结构强度和材料韧性不足时，钻铤的疲劳失效极易发生；ⅱ、钻铤疲劳断裂均发生在接头的螺纹部位。外螺纹的断裂面一般在台肩处螺纹的第1～2牙附近，内螺纹接头断裂面一般在距螺纹消失端第4～6牙处，即位于内、外螺纹连接的最后啮合处；ⅲ、钻铤的疲劳断裂裂纹一般起源于螺纹根部，并具有多源特征，与各种因素引起的应力集中增大有关；ⅳ、钻铤疲劳断裂与尺寸有很大的关系，尺寸越大越容易发生。内外螺纹连接后的弯曲强度比对钻铤的疲劳失效有严重影响，弯曲强度大容易引起外螺纹疲劳，反之则容易引起内螺纹疲劳失效；ⅴ、钻铤的疲劳失效与钻铤材料的性能有关，低韧性的材料更容易发生早期疲劳失效。②钻杆疲劳失效特征ⅰ、钻杆的疲劳断裂与钻铤的疲劳断裂一样，大多数发生在井斜变化大，方位变化大的“狗腿”井段；ⅱ、钻杆断裂基本发生于距离内、外螺纹接头台肩450～550mm处。纵向剖开后，此部位恰好为内加厚过渡区与管体交界处；ⅲ、钻杆失效与钢级及使用地区无关。失效钻杆在四川、新疆、长庆、大港、华北、胜利等油田都普遍存在，包括X95、G105和S135各级钢级。⑶影响钻具疲劳失效的因素①钻具振动钻具振动是导致钻具疲劳损坏的主要因素之一。它一般分为横向振动、纵向振动和扭转振动。研究表明,纵向振动对钻具寿命影响最大,产生的纵向冲击力可高达840KN；横向振动导致连接的螺纹加速疲劳而扭断；扭转振动引起疲劳、脱扣等。钻具的剧烈振动引起钻具连接螺纹发生疲劳断裂，钻铤螺纹受到的影响最为严重。②弯曲强度比在石油钻井过程中，下部钻具要受到弯曲载荷的作用，而钻具结构最薄弱的环节是接头处，许多井下复杂情况的出现，都是由于螺纹连接处发生断脱而造成的。弯曲强度比是指公扣和母扣抗弯刚度保持适当的比例。经分析了大量钻铤螺纹损坏实例后，认为弯曲强度比的最佳值应为2.5:1，许用范围为1.9:1～3.2:1。一般情况下要根据实际情况选用适合的弯曲4强度比，以保证内、外螺纹接头弯曲疲劳强度相平衡。在钻具外径容易磨损、井下有腐蚀介质的情况下(此时内螺纹接头疲劳次数多)，应选择较大的弯曲强度比。反之，在外螺纹接头疲劳频繁发生的地区，应选择较小的弯曲强度比。③钻铤螺纹载荷分布不均钻铤公扣与母扣联接时，公扣借着某一力矩旋入母扣，为了保证螺纹部分能够密封，必须在螺纹台肩面旋合后在给与一定的上扣拧紧扭矩，使台肩面和螺纹沿节经部位相互挤压，产生一定的弹性变形，从而造成一定的台肩负荷。上扣完毕，螺纹就承受了一定的初始应力。螺纹上载荷的分布并不均匀，前几牙螺纹承担了大部分载荷。其中第一个螺纹牙载荷就高达39.5%，第二个螺纹达23.9%，而到达第7个螺纹载荷几乎不受力。因此上扣扭矩所产生的螺纹载荷主要集中在靠近台肩面的前4个螺纹。螺纹牙载荷分布极为不均衡，在公螺纹的根部、母螺纹的底部最后啮合区是螺纹变形、扭曲、断裂等失效的高频区。2）钻具脆性断裂脆性断裂是指材料断裂前不产生或仅仅产生很小的塑性变形，断裂过程中单位体积所消耗能量很低的断裂过程。⑴脆性断裂失效原因脆性断裂失效原因主要包括结构设计或焊接工艺不良造成很大的截面突变，出现应力集中或裂纹，环境温度的降低，材料的成份、冶炼、加工工艺不当，残余应力未消除等。但是同一材料制成的不同构件在不同环境下服役时，其失效方式可能是脆性的，也可能是韧性的，它取决于材料的成份、冶炼、热处理等热加工的内在因素，也取决于应力状态（多轴应力、应力集中大小等）、加载速度、环境温度和介质等外在因素。⑵脆性断裂的失效机理钻具脆断失效主要是由材料表面的尖锐缺陷、螺纹根部尖角等应力集中源和材料韧性不足引起的。疲劳和脆断失效，与材料的冲击韧性均有一定的关系。脆性断裂失效非常“突然”，失效前没有什么明显的征兆，2、刺穿失效刺穿失效是仅次于断裂失效的主要失效形式，刺穿主要发生在钻杆上，而失效部位绝大部分都发生在钻杆加厚过渡区。中国东海PH油田1998年至2001年发生61起钻杆刺穿事故，刺穿位置距离接头端面0.5～0.7m，基本上处于钻杆过渡带；塔里木油田2001年7月～2003年5月在通径127mm钻杆上有21口刺漏失效井共89次发生了刺漏，其中77.5%发生在钻杆本体加厚过渡带；华北油田2002～2005年间在鄂尔多斯盆地共发生钻具刺穿刺漏75起，占总失效的45%。其中钻杆失效69次，失效部位发生钻杆内加厚过渡区的达66次，占刺穿失效的95.6%。⑴刺穿失效的原因①钻杆加厚过渡区间的截面突变，引起应力集中，导致钻杆疲劳，产生微裂纹；②带有腐蚀性的高压钻井液在应力作用下，侵入微裂纹，使裂纹扩展；③钻井液中的硫化氢、二氧化碳、溶解氧对钻杆的腐蚀损伤造成壁厚减薄，点蚀、蚀坑的产生引起腐蚀疲劳失效；④带有固体颗粒的钻井液高速流经变截面的过渡区间，对截面产生冲击和摩擦。⑵冲蚀的机理5冲蚀是指含有固体离子流的冲击磨损，属于腐蚀磨损的范畴。冲蚀失效是指钻井液中的固体小颗粒等按一定速度或角度对钻杆表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象。冲蚀是冲击和腐蚀两大因素共同作用的结果，但是冲击起主导作用。冲击和腐蚀联合作用，其破坏速度远远大于各自单独作用。冲蚀失效主要发生在钻杆加厚过渡区和螺纹连接部位。钻具冲蚀失效的主要特征是含有固体粒子的高压钻井液以高速沿一定方向冲击钻具表面，造成金属的流失。最常见的是钻杆内加厚过渡表面区