某油田钻铤断裂原因综合分析及建议

某油田钻铤疲劳断裂一直是影响钻井的严重问题。对某油田几年内发生的钻铤断裂事故进行了综合统计分析,应用钻柱力学底部钻柱进行了分析计算,结果表明钻压显著超过钻铤弯曲临界钻压是该油田钻铤疲劳断裂的原因,并提出改进钻井工艺、降低钻压(例如使用PDC钻头)是减少钻铤疲劳断裂的好措施。     

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。     

谈钻铤卡瓦基本参数的合理选定

<正> 钻铤卡瓦是钻柱起下作业中必不可少的工具之一,其结构型式和适用范围如何,直接影响现场使用效果的好坏。对钻铤卡瓦的要求应该是卡得牢,能适应钻铤外径较大的磨损,重量轻,操作方便等。与钴杆相比,钻铤的数量要少得多。因此钻铤卡瓦的额定载荷要比钻杆卡瓦小。计算钻铤卡瓦额定载荷的大小,可由钻井工程所需钻铤长度来确定。API RP 7G规范中有这方面     

4145H石油钻铤钢示波冲击性能研究

对4145H钻铤钢纵向取样,研究了不同温度下的示波冲击特性。结果表明,取样钻铤的冲击功值满足《SYT5144-2007钻铤》和《API SPEC7》标准要求,并得出了4145H钻铤钢的冲击功随温度的降低而降低,起裂功与冲击功的比值随温度的降低而升高,裂纹扩展功以及裂纹扩展功与冲击功的比值随温度的降低而降低。在钻井工程中表现为常温下裂纹在钻铤中扩展速率较慢,钻铤不容易断;低温下裂纹在钻铤中扩展速率较快,钻铤更容易断。该研究成果为合理指导4145H钻铤的生产工艺和现场使用提供了依据,为分析4145H钻铤断裂机理提供了基础实验依据。     

钻铤结构对随钻声波测井响应的影响

为了有效提取随钻声波测井时的地层声波信息，采用有限差分法和时间慢度相关分析法，研究了钻铤外径、钻铤内径、钻铤内部变径和钻铤外壁刻槽等因素对钻铤波传播的影响。模拟计算结果显示，钻铤外半径变大时，即钻铤外壁和井壁的间隙较小时，接收波形里没有地层横波；钻铤内半径变小时，钻铤波、地层横波和斯通利波幅度变化不大，但是当钻铤壁厚变薄时斯通利波幅度明显增大；钻铤内变径对钻铤波幅度的影响，主要取决于声源频率是否在钻铤固有阻带频率范围内；钻铤外壁刻槽后，钻铤波幅度变小，可以从接收波形里提取出地层纵波。研究结果表明，钻铤的内径和外径变化会对地层横波和斯通利波的接收产生影响，而钻铤的内壁和外壁形状（如刻槽）会对钻铤波的幅度产生影响，钻铤结构与随钻声波测井响应的变化关系可以为随钻声波测井仪隔声体设计和随钻声波测井资料解释提供理论依据。      

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。     

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。     

4145H钻铤钢的示波冲击性能及其动态断裂韧性

针对石油钻井中钻铤断裂以及北方油田在冬季石油钻铤下井起钻之后存在的冷脆现象,通过示波冲击实验,获得了4145H钻铤钢试样在冲击变形和断裂过程中的冲击力-位移曲线,并用实验得到的总冲击功、起裂功来计算其动态断裂韧度。结论认为：4145H钻铤钢的延性断裂韧度和动态断裂韧度均随温度的降低而降低,其冲击功随温度的降低而降低,起裂功与冲击功的比值随温度的降低而升高,裂纹扩展功及其与冲击功的比值随温度的降低而降低。在钻井工程中表现为：常温下裂纹在钻铤中扩展速率较慢,钻铤不容易断裂;低温下裂纹在钻铤中扩展速率较快,钻铤更容易断裂。该研究成果为合理指导4145H 钻铤的生产工艺和现场正确使用钻铤提供了实验数据支撑。     

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。     

随钻声波仪器刻槽钻铤结构分析

随钻声波仪器通常需要在发射器和接收器之间安装一根刻有规律排列的凹槽的钻铤来阻隔钻铤波,以提高仪器的测量精度,但凹槽会降低钻铤的机械强度,因此在设计时有必要对刻槽钻铤进行有限元分析与校核。本文利用Solid Works及其有限元分析模块,分析了刻环形槽钻铤在受拉力作用或受压、扭、弯共同作用时,环形槽参数对钻铤强度的影响。计算结果显示,环形槽区域应力较大,环形槽根部会出现应力集中;环形槽越深,刻槽区域钻铤截面积越小,钻铤机械强度越差;环形槽根部增加导圆角会减少应力集中。研究结果表明,为了提高刻环形槽钻铤的机械强度,应该减小环形槽的深度,增大刻槽区域钻铤截面积,并根据声学特性,优化环形槽根部倒圆角半径、环形槽宽度、间隔以及数量等等。上述研究成果为随钻声波仪器的设计提供了依据。     

不弯曲钻铤的室内试验及现场试验的效果分析

长庆油田研制的不弯曲钻铤,其特殊的结构使钻压传递经过压力-液压力-拉力-压力的转换,只要钻压不超过钻铤的屈眼值,钻铤就不会发生失稳弯曲。经现场5口井试验表明,不弯曲钻铤能够起到增大下部钻具组合刚度,控制直井段井斜的作用;在防斜效果不变的情况下,可采用较大钻压钻进,大大提高了直井段的机械钻速。文中介绍了不弯曲钻铤的原理、结构、室内试验结果和现场试验情况。     

钻铤孔槽结构有限元分析及优化

随钻测井模块一般是将测井单元安装在钻铤中,这需要在钻铤上加工各种结构的孔槽。本文利用有限元法分析了钻铤上四种孔槽结构的应力集中情况,求解出其应力集中系数,总结出钻铤孔槽结构应力集中产生的规律,并提出优化的钻铤孔槽结构设计方案。     

埕北303井158.8mm钻铤断落原因探讨

通过对埕北303井311.2mm、215.9mm井眼158.8mm钻铤多次断落井内及落鱼断口的外观检查,从钻具结构,钻铤弯曲强度比的计算等方面分析,探讨钻铤断落的原因,并提出钻具探伤方面应注意的问题,以避免今后同类事故的发生。     

高抗扭双台肩钻铤在长庆天然气钻井的配套与应用

为了减少钻井施工中钻铤的早期失效,长庆管具公司研发、推广了具有自主知识产权的双台肩螺纹钻具;根据钻具在井下的受力状况和钻铤的弯曲比数据,通过给钻铤增加一个受力台阶减小了钻铤的弯曲应力,同时也降低了钻具在井下自动上扣对钻具螺纹造成的损伤;2008年长庆钻井在陕北气田靖中东、靖南区块、苏里格的7个钻井队推广了双台阶螺纹结构的钻铤,全年共钻井20口,进尺54539m,未发生一次钻具失效。从使用的效果证明,双台肩螺纹结构钻铤对降低钻铤的失效效果显著,有极高的推广价值。     

砸松落鱼丝扣是加快大尺寸钻铤卡钻事故处理的有效方法

七里17井于1989年11月用12％英寸钻头钻达井深1887.27米时,起钻换钻头下钻约半米,发现8英寸钻铤631公扣断于母扣内,四柱钻铤全部顿入井内。下4 1/2英寸正扣公锥 7英寸安全接头 7英寸油压上击器 5英寸钻杆进行造扣打捞。造扣、震击打捞数次均无法解卡。我们分析了历次卡钻处理事故经验,根据爆炸松扣用震动法原理,大胆提出采用先砸松井内落鱼丝扣,再倒扣处理卡钻。     

高抗扭强度钻铤螺纹设计及有限元分析

研制的高抗扭强度钻铤螺纹与API标准钻铤螺纹相比,只是在外螺纹小端增加了一段光滑的圆柱面。该结构可在达到上扣扭矩时,使螺纹内、外台肩同时顶紧,形成2道密封面,不仅增加了螺纹的受力截面积,而且提高了钻铤螺纹连接强度和抗扭强度,大大降低了密封面发生刺漏的几率。有限元分析和现场使用表明,使用高抗扭强度钻铤螺纹是延长钻铤寿命、减少井下事故的一种有效措施。     

卡瓦在钻井工程中的作用和使用特点

本文着重阐述了钻井卡瓦在钻井工程中的作用和使用特点,指出应采用正确的操作方法和经常检查卡瓦及转盘方瓦,不能忽视方瓦的磨损和变形对卡瓦卡持钻杆的影响。钻铤卡瓦的结构特征应能适应钻铤规格繁多的要求,在钻铤外径磨损变小时也能牢靠地卡住而不打滑。对于深井或超深井下套管时,建议使用卡瓦式吊卡-卡盘。     

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。     

高强度钻铤螺纹的研制及应用

在分析钻铤螺纹失效部位及原因的基础上，研制了高强度钻铤螺纹，它与普通钻铤螺纹相比，只是在外螺纹小端增加了一段光平的锥体。当钻铤上扣到规定扭矩时形成第二台肩，第二台肩和第一台肩同时顶紧，螺纹最小截面积可增加４３％，增加了螺纹承载能力。现场使用表明，使用高强度钻铤螺纹是延长钻铤寿命、减少井下事故的一种有效措施。