钻铤螺纹连接疲劳失效研究

钻铤螺纹连接失效是钻铤失效的主要形式，在整个钻具失效事故中占很大比重。从分析螺纹载荷分布和螺纹应力分布入手，得出造成钻铤螺纹连接疲劳失效的原因是螺纹连接载荷分布极不均匀和应力局部集中，并据此提出了通过降低啮合区螺纹牙高度和采用不同摩擦系数的螺纹脂使载荷分布更合理、加工应力减轻槽改善应力分布和对螺纹表面进行处理预防钻铤连接疲劳失效的工艺技术措施。     

新型石油钻铤联接螺纹减应力区的研究

石油钻铤联接螺纹失效是钻具失效的主要形式。钻铤联接螺纹疲劳失效是由于交变弯曲应力引起的,这些交变应力集中在联接螺纹消失处附近。减少联接螺纹弯曲应力可以延长钻具联接螺纹的疲劳寿命。文章提出并研究了一种新的钻铤联接螺纹减应力区,它是通过在钻铤本体上设置减应力区,来解决钻铤联接螺纹疲劳失效问题。与以前减应力区不同的是,新的减应力区轮廓线为连续的光滑的二次曲线、圆弧线、抛物线和椭圆线。这可以避免在减应力区出现应力集中和出现“细脖子”现象。并且这些曲线在机械加工上是可行的。用有限元法优化了减应力区的几何形状,分析了减应力区的开口位置、开口深度和开口宽度等几何参数对应力释放效果的影响。并对减应力区的强度进行了分析。     

气体钻井API钻铤螺纹多轴疲劳寿命研究

据现场钻具失效统计,气体钻井在大钻压作用下,常发生钻铤螺纹疲劳断裂失效。因此,引入多轴疲劳强度理论到气体钻井钻铤疲劳寿命研究,借助Pro/E软件建立API钻铤螺纹三维实体模型,并在气体钻井钻铤螺纹模型计算结果的基础上分析了API钻铤螺纹的应力分布规律,根据多轴疲劳寿命理论预测得到气体钻井钻铤螺纹的疲劳寿命值约为2×105次。研究结果为气体钻井API钻铤螺纹快速失效机理研究提供了参考。     

钻铤螺纹疲劳裂纹的超声波检测

在钻井过程中，钻铤螺纹容易产生疲劳裂纹，最终导致连接失效。文本介绍了采用小角度直探头超声探伤法检测钻铤螺纹处可能存在的疲劳裂纹，预防井下钻具事故的发生。     

从钻铤事故谈钻铤螺纹的选型与加工

两起事故钻铤的断口均属钻铤连接螺纹处弯曲强度比不足引发的疲劳折断。通过对钻铤连接螺纹区域的工作应力定性分析，导出了内、外螺纹上各自的危险截面，提出了对钻铤平衡连接的理解。认为随意改变钻铤螺纹的规格和类型，不随钻铤外径磨损及时根据弯曲强度比减小钻铤螺纹的规格，是现场两种常见的因弯曲强度比不足导致钻铤早期疲劳失效的原因。经对数字型（NC）螺纹和正规型（REG）、贯眼型（FH）、内平型（IF）螺纹各自的应力集中系数Kf的比较，建议使用NC螺纹以降低应力集中，提高钻铤连接螺纹的疲劳寿命。还对影响Kf值的螺纹表面形状精度、粗糙度、表面组织进行了讨论，提出了提高螺纹表面质量的相应措施，以延长钻铤使用寿命。     

钻铤螺纹失效分析及解决措施

在钻井过程中，钻铤螺纹承受的载荷非常复杂，常发生失效事故。通过对钻铤螺纹失效问题的深入分析，找出了钻铤螺纹失效的主要原因，提出了采用双台肩螺纹接头、数字型螺纹和使用成型梳齿刀具加工螺纹等3种解决措施。重点对双台肩螺纹接头进行了分析计算，证明了采用双台肩螺纹接头解决钻铤螺纹失效事故的有效性。     

公螺纹应力减轻槽效果分析

在钻井过程中,钻具疲劳失效事故频繁发生,其失效部位主要集中在螺纹接头处,如何减轻集中在接头处的应力,国内外有关学者提出了在螺纹部位加工应力减轻槽以降低公扣最末完全扣和母扣根部的应力集中,该方法经现场应用后,效果显著。以?177.8mm钻铤公螺纹接头作为研究对象,用有限元方法对加工有不同应力减轻槽的钻铤公螺纹接头进行了分析计算,得出了4种不同公螺纹结构在相同的边界条件和载荷作用下最末完全扣处的应力集中情况。计算结果表明,带有应力减轻槽的公螺纹具有较小的应力集中,特别是API标准应力减轻槽的应力集中最小,因此抗疲劳性能最佳,建议采用这种应力减轻槽结构。     

钻铤螺纹接触应力数值仿真分析研究

钻铤是钻柱的重要组成部分,在井眼内因承受各种载荷作用,钻进中经常出现钻铤螺纹失效现象,造成严重经济损失。本文采用有限元方法,建立钻挺连接螺纹分析模型,通过对拉应力和内外压差两种工况条件下,钻铤螺纹接触应力的模拟计算,分析得出了在拉应力和内外压差两种工况下钻铤螺纹应力分布规律,给出了钻铤螺纹应力分布特点,用以指导预防钻铤螺纹失效优化方案的制定。     

钻铤螺纹应力分析及结构优化

在钻井过程中，经常发生下部钻具组合断裂失效事故，其主要失效部位是在钻铤薄弱部位——螺纹连接处，由于螺纹类型复杂，过渡部位易发生应力集中，造成钻具疲劳断裂破坏。针对钻铤断裂事故，建立了常规钻铤螺纹连接部位3种螺纹类型的有限元模型，并采用线弹性有限元方法分析了不同模型在不同钻压条件下的应力分布情况，同时对使用API标准应力减轻槽的钻铤螺纹连接部位进行了结构优化设计。在设计中以螺纹连接处两个过渡圆角半径R1、R2为设计变量，分析了在一定条件下不同尺寸的R1、R2所对应的螺纹连接处应力分布情况。对比分析可知，在满足钻铤强度条件下，改进的螺纹应力减轻槽可有效降低螺纹连接处的应力集中水平，从理论上说明该方法是可行的。     

钻铤及转换接头的失效与预防

钻铤本体和转换接头体的刚性远远大于接头,所以失效大多发生在接头上。据1988年各油气田钻具失效调查,钻铤失效事故276起,转换接头失效事故16起,合计占钻具失效事故总数的54%;失效部位基本上都是连接螺纹;失效形式主要是断裂,其中钻铤占75.4%,转换接头占62.5%。钻铤和转换接头失效的主要原因有:材料韧性差,降低了疲劳强度,并使裂纹扩展速度加快,发生断裂也比较突然;忽略了API-RP-7G推荐作法中提出的钻铤接头螺纹连接弯曲强度比为3.20~1.90:1的要求,造成因弯曲强度比不够而产生的螺纹疲劳失效;加工时齿根留有刀痕,或成尖角过渡等缺陷,降低了疲劳强度;紧扣时无指示仪表和适当的工具,全凭各人的经验和感觉,使小尺寸钻铤上扣过紧,大尺寸钻铤上扣过松。根据失效原因的分析,作者从订货、加工、检验和使用等方面提出了一系列建议,以预防钻铤和转换接头的早期失效。     

气体钻井钻具失效预防技术研究与应用

气体钻井中钻具失效频率明显高于钻井液钻井。失效钻具检验与分析表明,钻具失效类型为疲劳或腐蚀疲劳,钻具腐蚀类型为氧腐蚀。钻具失效的主要原因是：氧腐蚀与冲蚀、钻具疲劳（由钻柱反转、钻柱纵向振动、井眼弯曲引起）、钻具带伤工作、钻铤螺纹连接弯曲强度比不足等。空气锤冲旋钻井技术、钻柱防共振技术、加强钻具探伤及使用新钻具等能够有效预防和减少钻具失效。特别是牙轮气体钻井中,利用钻柱振动分析软件优选钻具组合和转速来避免钻柱共振以及及时对钻具进行探伤非常重要。这些措施已经成功应用于普光及周边区块,与2006年相比,2007年度、2008年度钻具失效频率分别降低37．7％和57．5％。此外,建议加强钻杆管体探伤、空气螺杆复合钻井技术、防涡动稳定器、选用API螺纹钻铤、钻柱振动监测与钻井参数优选相结合等方面进行综合研究和实施来全面预防钻具失效。     

钻铤粘螺纹原因分析及试验研究

对钻铤粘螺纹事故进行了调查研究，并进行了宏观形貌和材质分析；对新钻铤材质和螺纹参数进行了检验，并采用不同旋螺纹扭矩对新钻铤试样进行了上卸螺纹试验。通过试验分析，认为钻铤材质和螺纹加工质量合格，钻铤粘螺纹与钻铤材质和加工质量无关，其主要原因是井队操作不当所致。     

空气锤钻具组合稳定性动力学因素分析及优化

空气锤钻井过程中由于活塞轴向冲击锤头进行破岩工作,钻柱会产生轴向振动,其中下部钻铤振动常发生以钻铤螺纹断裂为主的失效故障。文章以某井空气锤钻井钻具组合及钻井参数为例,通过有限元法,建立了空气锤钻井全井段钻柱动力学模型,从动力学出发研究下部钻具组合动力学特性,优化空气锤气体钻井钻具组合。研究结果表明：空气锤钻井主要影响下部300 m钻柱,在冲击振动弯扭共同作用下,钻铤螺纹容易产生疲劳失效,模拟结果与现场失效　情况相符。优化方案为KQC275空气锤钻井过程中上部接Ø279. 4 mm 钻铤,此时钻柱系统轴向振动最小,全井段钻柱动态钻进稳定性好,对现场空气锤钻井钻具组合方案进行了优化,预防了钻柱失效。该研究对空气锤钻井钻柱动力学行为有了明确认知以及提供了钻柱振动失效预防措施     

钻铤连接螺纹断裂失效分析及结构优化

针对钻铤断裂事故,建立了2种普通API钻铤螺纹连接部位的有限元模型,并用有限元方法分析了不同模型在不同钻压条件下的应力分布情况,同时对API标准应力减轻槽的钻铤公头螺纹连接部位进行了结构优化。以公头螺纹连接处2个过渡圆角半径R1、R2为设计变量,分析了在一定条件下不同尺寸的R1、R2所对应的螺纹连接处应力的分布情况,改进的螺纹应力减轻槽可有效降低螺纹连接处的应力集中水平,并成功解决了库尔德地区钻铤螺纹断裂失效事故。     

冷滚压压力对钻具螺纹疲劳寿命影响试验研究

为了研究冷滚压工艺的滚轮压力对钻具螺纹疲劳寿命的影响,在钻井现场选择钻杆、普通钻铤、无磁钻铤。在其上切取材料,加工成ø12.04 mm×80 mm的试样,并在试样的中部加工类似NC50螺纹的凹槽。3种材料的试样各13件,分别对其凹槽进行冷滚压工艺处理,滚轮压力分别为0、0.5、1.0、…、6.0 MPa。疲劳试验结果表明,滚轮压力对钻具螺纹的疲劳寿命有较大影响,每种材料存在1个最佳的滚轮压力。经过冷滚压工艺处理后,钻杆试样的疲劳寿命最高提高了14.44倍; 普通钻铤试样的疲劳寿命最高提高了170.23倍; 无磁钻铤试样的疲劳寿命最高提高了7.83倍。     

导致钻铤失效的井下振动分析及其解决方案

在某些区块或地层尤其是大井眼钻进时,因井下存在较为严重的振动,钻铤出现频繁的疲劳破坏,且多数刺漏、断裂处于螺纹根部。分析上述钻铤失效的原因后发现:井下严重的振动所引起的循环往复弯曲应力导致了该种疲劳破坏。为此,对井下振动模式进行理论分析,包括纵向振动、横向振动和粘滑(扭转)振动及力学界建立的物理模型,从理论角度剖析了实际井下不同振动形式可能产生共振的危害和理论依据;然后根据钻柱井下横向振动情况及涡动规律,分析了根据既定的边界条件确保稳定的钻井参数的最佳区域,阐释了在最佳区域内钻井,既可以保持钻具的稳定或消除涡动和粘滑振动以获得最大机械钻速,还可以减少或消除下部钻具尤其是钻铤的交变应力疲劳的认识。最后提出了减弱和消除井下振动的解决方案:(1)根据特定的钻具组合、钻井环境,运用上述建立的物理和数学模型,可以较为方便地计算出应该避免的可能引起井下共振的转速及相关参数,且共振转速恰恰就是最佳防振转速,利用井下振动分析软件在钻具组合设计和现场施工时可以避开共振频率;(2)V形扶正器是一种新颖且高效的减弱和消除井下横向和粘滑振动的工具。