气体钻井断钻铤事故的原因分析及预防

气体钻井中常出现断钻铤事故。文章通过对钻柱受力和钻柱本身性能的分析,得到气体钻井断钻铤的原因。在钻柱受力分析方面,从钻柱动力学出发对钻柱反转、钻柱扭转振动和钻柱横向振动等进行了分析,认为钻柱的这些运动是产生钻柱交变弯曲应力并集中,造成钻柱疲劳破坏;在钻柱本身性能的分析上,弯曲强度比不是造成钻铤内螺纹断裂的原因,利用Morrow应变周期方程结合有限元分析方法,得出高的平均应力和应变幅度是造成钻铤内螺纹断裂的主要因素。预防气体钻井断钻具应从降低钻铤内螺纹根部应力集中和改善钻柱的受力状况着手,在降低钻铤内螺纹根部应力集中上采用应力减轻槽,高扭矩接头和高摩擦螺纹油;在改善钻柱的受力状况上推广使用气体螺杆,试验抗涡动的PDC钻头,钻柱中加装纵向减振器的同时,要保证钻铤接头的偏心度小。     

钻柱接头新型密封系统

分析了在高压喷射钻井过程中接头刺漏的原因之后,提出一种钻柱接头高压密封新系统;给出石油钻井工业所用各种类型接头的密封槽和密封件的设计数表。这一系统既保持了原有井队的操作习惯,又保留了API标准接头螺纹的全部特性及其有关规定。     

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。     

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。     

浅析井下增压超高压喷射钻井的影响因素

超高压喷射钻井技术是通过超高压力的液体介质以集中能量达到水力切割破碎岩石的效果。井下增压系统即是为满足超高压喷射而提出的。由于受到多因素作用，超高压喷射系统的建立要同时考虑各方面的影响。文中就超高压喷射钻井的井下增压技术机理、空间结构、功率及寿命等方面探讨各因素的影响。     

塔里木油田钻柱转换接头失效原因分析及预防

对塔里木油田2006年1—5月发生的钻柱转换接头失效事故进行了分析研究,对失效的钻柱转换接头尺寸进行了测量,对钻柱转换接头断口形貌进行了宏观分析,发现钻柱转换接头断裂位置都在外螺纹接头危险截面上。通过分析计算认为,钻柱转换接头断裂原因与外径不符合标准及内、外螺纹接头弯曲强度比不合理有关。对钻柱转换接头刺漏形貌分析结果认为,刺漏与接头密封能力不足有关。进一步调查研究发现,钻柱转换接头失效与没有严格执行SY/T5200行业标准和API SPEC 7标准有一定关系。在调查分析的基础上,对如何防止或减少钻柱转换接头失效事故提出了有效的预防措施。      

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。     

一种转化钻柱振动能量的井底高压喷射钻井装置

通过转化井下钻柱振动能量来增加井底钻井液喷射压力是提高钻井速度的重要途径,而现有技术还未能充分合理地利用钻柱振动能量。为此,基于井下钻柱振动能量的利用理论,提出了钻井液井下增压、增排量的井底高压喷射钻井理念,设计出了井底高压喷射钻井装置,并对其进行了数值仿真研究。结果表明:(1)井底高压喷射钻井装置可以将钻柱振动能量有效转化给井底钻井液从而实现井下高压喷射钻井;(2)井底高压喷射钻井装置增加了喷嘴钻井液过流流量,在?215.9 mm井眼中,其输出的钻井液流量可以提高5 L/s;(3)增大了钻井液喷射压力,喷嘴处钻井液脉冲压力最高达到11.3 MPa;(4)深井内井底高压喷射钻井装置应用效果比上部地层更加显著。结论认为,井底高压喷射钻井装置为高压喷射钻井技术的实现提供了一种新的手段,可以解决现有高压喷射钻井技术设备费用昂贵、安全性差、适用范围有限的问题。     

钻柱失效原因及预防措施

开展油田钻柱失效分析与预防对提高钻井速度、降低钻井成本及井下安全钻进具有重要意义。钻柱失效案例统计表明钻杆失效事故占钻柱总失效事故的50％～60％，主要失效形式是管体刺穿，主要失效原因是腐蚀疲劳；钻铤失效事故略低于钻杆失效事故，螺纹处断裂是钻铤的主要失效类型；钻柱转换接头失效数量相对较少。结合实验数据，从材料、环境和力学三方面对钻柱失效原因进行分析，提出预防钻柱失效的四条措施，包括正确选材、改善工作环境、合理设计钻柱、降低服役载荷及应力以及加强管理。对服役高酸性环境下的钻柱，通过微合金化和提高材料的冶炼水平来降低P、S含量，以及通过适当的热处理使晶粒细化等方式可以提高钻柱材料的耐蚀能力和降低失效比例。     

卡瓦固定式钻柱扶正器

<正> 卡瓦固定式钻柱扶正器与常规钻柱扶正器的结构完全不同,它是用固定装置将其扶正器本体固定在需要安放扶正器的钻柱位置上,上、下端均无连接接头,也不必使用配合接头及短钻铤。因此,将它安放在设计的钻柱位置上就不必卸开钻柱的联接螺纹,而且还可以快速地安放或卸下。使用卡瓦固定式扶正器有以下优点。     

采用蚁群算法优化设计径向水平井转向器轨迹

径向水平钻井技术主要包括油气层套管段铣技术、井下大直径扩孔技术、完井技术和水力喷射钻井技术，前三项技术已日趋完善，而喷射技术因为在水平井段较短，达不到预期的深度。为有效地降低转向器对钻柱的阻力，对转向器阻力进行了受力分析，并以钻柱通过转向器发生弯曲变形时，对转向器产生的轴向反作用力为目标函数，在满足转筒与垂直方向的夹角、转向器轨迹最小弯曲半径、矫直转筒对钻柱的矫直偏量等设计变量最佳的条件下，采用蚁群算法对径向水平井转向器轨迹进行了优化设计。仿真结果表明，转向器对钻柱的阻力达到最小，与原设计值相比，转向器阻力减小了46.98%。同遗传算法仿真结果比较，转向器阻力减小了3.17%，蚁群算法仿真结果比遗传算法仿真结果好，符合实际情况。     

旋转钻柱运动原理的研究

作者通过在钻柱模拟实验装置上进行的实验,提出了以反转运动为主要特征的旋转钻柱运动原理,分析了钻柱的受力与变形,指出反转运动会加速钻柱的弯曲疲劳破坏,加快钻杆接头和套管的磨损,消耗转盘功率和使钻头横向摆动。而采用具有润滑性能的钻井液是改善钻柱应力状态的根本途径。     

涡动条件下钻柱的屈曲分析

建立了涡动条件下钻柱屈曲的平衡方程。在弯曲挠度为小变形和钻柱中轴向力为0的条件下,采用理论方法分析了钻柱的弯曲挠度、屈曲应力随转盘转速变化的情况。当涡动速度增加导致钻柱的弯曲挠度增加和钻柱中存在轴向力时,钻柱的弯曲挠度以及交变应力的大小就需要通过非线性有限元来进行分析。使用非线性有限元方法求解了不同轴向拉力条件下钻柱的弯曲挠度、最大应力、最小应力和应力幅度。计算结果表明,不考虑轴向力时,理论分析结果与非线性有限元分析结果精度较高且具有一致性;当钻柱中轴向拉力大于200 kN时,由涡动引起的交变应力对钻柱的影响可以忽略;适当增大钻铤长度可以减轻钻柱的疲劳失效。     

隔水管挠性接头弯曲循环试验研究

为了验证隔水管挠性接头的弯曲疲劳寿命、耐磨性能和密封性能,对其弯曲循环性能开展了试验研究,并研制了挠性接头弯曲循环试验装置。该装置主要由试验架、循环偏摆系统和静水压系统组成。试验时将隔水管挠性接头安装于试验架内,由循环偏摆系统驱动挠性元件总成循环弯曲,并检测循环次数,静水压试验系统向隔水管挠性接头内腔注水、加压,模拟隔水管系统向隔水管挠性接头施加轴向拉力,并检测其密封性能。顺利完成了隔水管挠性接头在同一挠曲平面内±5°范围内100 000次弯曲循环试验及静水压密封试验。试验结果表明:隔水管挠性接头的弯曲疲劳性能、耐磨性能和密封性能均达到设计要求;试验装置功能齐全、性能可靠,满足了隔水管挠性接头的弯曲循环试验要求。     

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     

侧钻水平井油管接头抗弯强度与密封性能

针对侧钻短半径水平井油管柱的弯曲变形 ,设计了 4点弯曲加载试验 ,测试了 2种规格油管在不同内压和弯曲度组合条件下油管接箍的密封及其强度特性。试验结果表明 ,油管管体弯曲度 α在 4 (°) / m以内、2 5MPa的压力下 ,接箍均未发生泄漏。对于弯曲油管接头 ,首先发生管体材料的塑性屈服 ,然后才出现接头密封泄漏。因此 ,只要保持管体在最小屈服应力以内工作 ,在 2 5MPa内压条件下 ,可以保证接箍密封在短半径井眼内可靠有效。     

国内外超高压喷射钻井技术研究探讨

超高压喷射钻井技术可大幅度提高钻头进尺和机械钻速，并降低钻井成本，为高效快速钻井开辟了广阔的前景，在总结国内外超高压喷射钻井技术研究状况的基础上。结合目前喷射钻井的实际状况，探讨了当前国内研究开发30-50MPa井下增压泵的可行性和现实意义。对我国高压喷射钻井技术的发展有较大的促进作用。     

油井管接头密封方法及机理综述

高温高压天然气井的管柱密封性至今无法完全保障。油井管最常用的四种密封方法是螺纹密封、台肩密封、弹性密封环密封和金属接触密封。大部分特殊螺纹接头采用金属接触密封,密封面接触压力决定了密封能力。正确的金属接触密封会显示出一种压力激发效应。将密封面设计在远离螺纹端部的位置,螺纹端部刚性增强了密封接触力。金属接触密封的泄漏概率为10^-2,泄漏速度取决于密封面的接触应力宽度、粗糙度、损伤程度、密封脂、涂层等。特殊螺纹接头在振动后,即使产生疲劳裂纹,也不发生泄漏。一些接头台肩刻槽后作密封性试验,结果发生泄漏。很多气井管柱扭矩台肩发生了腐蚀,证明金属接触密封存在泄漏通道,即扭矩台肩起密封作用。接触压应力设计法无法完全解决特殊螺纹接头的密封问题,发展全新的设计理论和制造技术,是保障特殊螺纹接头密封性的重要发展方向。     

吸振型减振器的研究

为进一步控制或降低装有隔振型减振器的钻柱振动,研究了吸振型减振器,这种减振器利用附加在名铤外面弹性系统的振动来吸收钻柱所承受的井下激振动,附加系统的质量越大,受到激励后的振幅越大,对钻柱的减振作用越显著,吸振型减振器主要由钻铤及接头,外筒,衬筒,弹簧及密封圈等组成,弹簧的刚度和外筒的质量是设计的关键,研究分析表明,吸振型减振器结构简单,吸振部分不传递轴向力和扭矩,不影响钻柱可靠性,每一种型号的吸振器在一定的井下激振频率即一定的钻柱转速下工作,多个吸振器同时工作,减振效果更好。     

普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

气体钻井技术虽然大幅度提高了普光气田上部陆相地层钻井速度，但屡次出现钻具失效事故，不仅影响钻井速度，而且威胁井下安全。分析了钻具失效规律，并通过宏观分析判断钻杆为疲劳和腐蚀疲劳断裂，钻铤为疲劳断裂。从气体钻井自身因素、钻柱运动（包括公转和纵向共振）、钻具腐蚀、钻井方式、钻铤弯曲强度比不足等方面分析钻具失效原因，提出使用空气锤钻井技术、加强钻具探伤、优化钻具组合和钻井参数、缓解钻具腐蚀、加强钻柱振动监测等预防措施。指出应加强气体钻井钻具失效的微观机理、钻柱运动与动力学、岩屑对钻具的冲蚀磨损、钻具腐蚀、消除钻柱公转等方面的研究以预防钻具失效。