水平井定向井钻柱、钻具失效机理及控制方法.docVIP

东北石油大学机械科学与工程学院 PAGE \* MERGEFORMAT 1 水平井定向井钻柱、钻具失效机理及控制方法 随着钻井深度的增加和钻井工艺的发展，对钻柱性能的要求越来越高。由于钻柱在井下工作的条件十分复杂与恶劣，它往往是钻井工具与装备的薄弱环节。钻具事故是最常见的钻井事故，它与井斜问题和钻头的工作状况有着十分紧密的关系，是影响井身质量和钻井速度的重要因素。所以对钻柱的失效机理的分析及控制方法的探讨和研究，提高钻柱的工作性能指标，从而实现和完成各种井下作业具有十分重要的意义。 1.钻柱的作用与组成 1.1 钻柱的作用 钻柱的主要作用有以下几个方面：①提供从钻机到钻头的钻井液通道，即输送钻井液；②把地面动力（扭矩）传递给钻头并给钻头加压，使钻头破碎岩石；③起下钻头。钻柱除了以上正常钻进中的作用外还具有其它一些重要作用：①通过钻柱可以了解与观察钻头工作状况，井眼状况及地层情况；②进行取心、处理井下事故与复杂情况，打捞落物，挤水泥等特殊作业；③对地层流体及压力状况等进行测试与评价。 1.2 钻柱的组成 钻柱的具体组成随不同的目的要求而不同，但主要是钻杆段和下部钻具组合两大部分。钻杆段包括普通钻杆、加重钻杆，有时也加入扩眼器。下部钻具组合则包括钻铤、稳定器、减震器、震击器及扩眼器与其它特殊工具。特殊的钻具组合还包括随钻监测工具、测试工具及打捞工具等。其结构如图1所示。 图1 钻柱的基本结构 2.钻柱失效的类型 钻柱在井下的受力十分复杂，其服役条件苛刻，包括：钻柱所承受的载荷性质（静载荷、交变载荷、冲击载荷）、加载次序（载荷谱）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪及各种复合应力）、温度、环境介质（空气、水、钻井液、H2S、CO2、NaCl）等。另外，还有由于钻具涡动引起的钻柱与井壁间的摩擦和高频撞击。钻柱在工作时还受磨蚀、磨损、粘滞力、氢脆、温度等因素的影响。所以失效形式多种多样，概括起来主要有以下三类，如表1 所示，并且这几种失效形式常常同时存在并交互作用。 表1 钻柱常见的失效分析 失效类型 常见种类 钻柱失效的常见形式 过量变形 钻柱接头在受载情况下螺纹部分的伸长；钻柱本体超过极限的弯曲及扭转。 断裂 过载断裂 如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂；蹩钻时的钻柱体折断。 低应力脆断 钻杆、钻铤和转换接头处均有发生，如钻杆焊缝的脆性断裂；钻铤和转换接头螺纹部位的脆性断裂。这种断裂的原因是疲劳损伤。其显著特点是，在突然断裂前没有宏观前兆，一般测量手段查不出来，在不知不觉中造成灾难性事故。所以低应力脆断是最危险的断裂方式之一。 应力腐蚀断裂 如钻具在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂；钻杆接触某些腐蚀介质（如盐酸、氯化物类）时的应力腐蚀开裂。 氢脆断裂 当金属中存在过多的氢时，在拉应力作用下可使材料发生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的钻具应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。 疲劳断裂 一般发生在钻杆接头、钻铤和转换接头螺纹部位等截面变化区域或因表面损伤而造成的应力集中区。由于整个钻柱承受复杂的交变应力，有些部位，如螺纹根部、焊缝及划伤等缺陷处会出现应力集中。缺口根部应力可高出平均应力几倍或更高。所以缺陷处很快发生裂纹并扩展，直到断裂。 腐蚀疲劳断裂 与普通疲劳断裂一样，裂纹一般产生在应力集中严重的部位或以表面腐蚀坑为源，萌生裂纹并扩展 表面损伤 腐蚀 包括均匀腐蚀（如钻具锈蚀）、小孔腐蚀（即点蚀，如钻杆存放或使用过程中，内外表面的点蚀）和焊缝腐蚀（如钻杆表面皱折处的钻井液腐蚀，内外螺纹接头处啮合部位的腐蚀等）。 磨损 包括粘着磨损（如钻杆接头、钻铤及转换接头螺纹部分的磨损）、磨料磨损（如钻井液和井壁对钻柱的磨损、螺纹脂中的杂质对螺纹的磨损）和冲蚀磨损（如钻杆的内外表面及连接螺纹受到的钻井液的冲蚀磨损）。 机械损伤 如表面碰伤、烧伤、大钳卡瓦及其它工具的压痕等。 3.钻柱失效的主要影响因素 引起钻柱失效的原因往往不是单一的，而是几方面原因综合作用的结果，如钻柱的材料及使用工况和环境，钻具质量，使用者的操作以及钻柱的机械损伤等。具体分析如下表2 所示。 表1 钻柱常见的失效形式 主要因素 常见种类 失效的表现形式 材料 材料成分不恰当 材料晶粒粗大，材料本身存在的夹杂物。材料冲击值不足，易引起脆性断裂。 材料钢级选择不当 钻杆材料对腐蚀疲劳强度有影响，不同钢级钻杆的腐蚀疲劳强度并不随钢级强度提高而增加。在钻井液中，腐蚀疲劳强度随钢级升高而降低。钢的强度越高，越容易发生氢脆断裂。 地层 硬地层 牙轮钻头冲击破碎岩石，岩石硬度越大，牙齿吃入越少，则冲击时间越短,冲击载荷越大。钻头工作时产生的冲击载荷有利于岩石破碎，但也会使钻头轴承过早损坏，使牙齿崩碎，而且应力波作用于钻柱上，引发钻柱的纵向振动，钻头的冲击载荷是钻柱纵向振动的激振载荷。