高强度钻杆钢疲劳性能试验研究

针对钻井过程中钻具疲劳断裂问题,采用旋转弯曲疲劳试验研究了S135和165ksi 2种高强度钻杆钢的疲劳性能。基于Basquin模型得出2种高强度钻杆钢中长寿命区的疲劳极限分布。研究结果表明,取95%的置信水平,则50%、90%和99%可靠度下的165ksi钻杆钢的疲劳极限分别为662.54、645.92和632.28 MPa,S135钻杆钢的疲劳极限分别为595.83、541.87和529.73MPa,并得出了2种高强度钻杆钢完整的应力-疲劳寿命S-N曲线。试验结果可以为深井、超深井钻杆选材及可靠性设计提供基础数据和理论依据。     

149mm高强度钻杆

14 9mm高强度钻杆是一种规格尺寸介于 139 7mm与 16 3mm钻杆之间的中等尺寸钻杆。这种钻杆是专门为延伸钻井(ERD)、深水钻井和超深井钻井而设计制造的。自上世纪以来 ,随着金属金相学与制造工艺技术的不断完善与进步 ,已经有 4 0余套高强度钻杆在世界各不同油田投入矿场应用 ,取得了良好的效果。本文系统地介绍了14 9mm高强度钻杆的现场应用工况特性和在大位移延伸井、深水油井和超深井钻井作业中的应用实例及其物理性能。由于新型高强度钻杆具有高达 10 34 2MPa的抗拉强度和优良的抗断裂韧性 ,这种钻杆将是今后实施大位移延伸钻井、深水海域钻井和超深油气井钻井的首选钻杆     

超深井钻井推动钻具技术的革新

超深井钻井对钻具有严格的要求。过长的钻柱产生过高的拉伸载荷,这可能导致卡瓦挤坏;产生提升能力问题;以及与防喷器相邻的钻杆的抗破坏能力问题。同时,防喷器剪切闸板可能难以切断现今的高强度、高韧性的钻杆。在钻超深井时底部钻具组合连接的失效会产生更大的风险和代价。本文分析了超深井钻井钻柱设计的一些难点,介绍了目前在超深井钻井技术中有助于提高钻深能力的新型钻柱技术。     

新型特殊结构钻杆在塔河油田超深井的应用

井底水力能量是影响超深井钻井速度的主要因素之一,通过对超深井水力能量进行分析,采用Ф177.8 mm小接头外径和Ф101.6 mm大水眼的Ф139.7 mm双台肩钻杆,能有效降低循环压耗,增加钻井排量,提高超深井的机械钻速。6 000 m井深使用Ф139.7 mm双台肩大水眼钻杆,在相同排量下循环压耗比普通Ф139.7 mm和Ф127 mm API钻杆分别降低3.47 MPa和10.91 MPa;相同压降下排量比普通Ф139.7 mm和Ф127 mm API钻杆分别提高4.5 L/s和10 L/s。子母接头钻杆配合气动卡盘使用,实现了超深井单吊卡起下钻,有效减少了钻杆本体的损伤,可节约起下钻时间。现场试验表明,新型特殊结构钻杆可有效提高超深井钻井速度。     

φ127塔标钻杆

为满足深井、超深井安全快速钻井的需要,塔里木油田研制了φ127mm塔标钻杆。该钻杆设计的是新型加厚过渡区结构,改善了应力分布,降低了应力集中系数,提高了钻杆防刺漏性能;加大了接头内径,降低了钻柱内压力损耗;提高了接头材料屈服强度和螺纹基面节径,增加了接头连接强度。该钻杆具有低循环压耗、高疲劳寿命的特点,对提高钻速、预防失效、提高水力破岩能力、延长钻头寿命有显著的作用,满足了塔里木油田超深复杂井强化钻井的需要。     

Ф127塔标钻杆

为满足深井、超深井安全快速钻井的需要,塔里木油田研制了Ф127mm塔标钻杆。该钻杆设计的是新型加厚过渡区结构,改善了应力分布,降低了应力集中系数,提高了钻杆防刺漏性能;加大了接头内径,降低了钻柱内压力损耗;提高了接头材料屈服强度和螺纹基面节径,增加了接头连接强度。该钻杆具有低循环压耗、高疲劳寿命的特点,对提高钻速、预防失效、提高水力破岩能力、延长钻头寿命有显著的作用,满足了塔里木油田超深复杂井强化钻井的需要。     

铝合金钻杆在塔里木油田推广应用前景分析

介绍了铝合金钻杆的结构特点和材料特性,分析了其适用范围.认为:铝合金钻杆在塔里木油田含H2S井使用可有效防止钻杆发生应力腐蚀开裂和电化学腐蚀;在水平井和大斜度定向井使用可以减缓钻杆接头的热裂问题;在深井和超深井使用可减轻钻柱重量,增加钻井深度;在复杂井使用可增加套管下入深度.铝合金钻杆发生断裂事故之后容易将落鱼部分磨掉,这有利于提高处理井下复杂情况或事故的能力.同时指出了使用铝合金钻杆存在的问题和应注意的事项.     

铝合金钻杆的特点及应用前景

随着油气勘探向深井、超深井、定向井、水平井、含H2S和CO2油气井、海洋井等复杂井的发展,研究适合复杂井况勘探开发的钻具成为必然趋势。分析介绍了铝合金钻杆在提高钻井深度、耐蚀性、降低大钩载荷和定向井及水平井钻井作业等方面的显著优势以及铝合金钻杆的应用前景。     

石油钻杆的生产现状与发展趋势

介绍了石油钻杆的发展和目前国内外石油钻杆的生产现状,分析了钻杆生产工艺及生产中存在的焊接飞边的去除、抗硫钻杆的应用以及强度与韧性的关系等问题。同时,针对钻杆在深井、超深井、大位移井和水平井的不断应用,展望了钻杆生产的发展趋势,即钻杆的制造向智能钻杆、铝合金钻杆、抗腐蚀钻杆、高强度钻杆、复合材料钻杆、内平外加厚钻杆以及双台肩钻杆等多元化发展。     

气体钻井用Φ139.7 mm钻杆DS55螺纹接头断裂原因分析

在采用气体钻井技术施工过程中,所使用的Φ139.7 mmDS55双台肩大水眼钻杆发生了外螺纹断裂事故。该钻杆是为深井、超深井降低钻井循环压耗进行水力优化开发的钻杆,钻杆接头外径为184 mm,内径为101.6 mm。在钻井液环境下具有良好的降压耗作用。对断裂外螺纹的断口形貌进行了宏观和微观分析,对该外螺纹接头材料的力学性能和金相组织进行了试验分析。结果表明,钻杆外螺纹接头材料符合API SPEC 5DP标准要求。对钻杆接头结构及承载力分析,水力优化的大水眼钻杆螺纹的抗拉和抗扭强度低于5FH规格的API接头。由于该外螺纹接头在气体钻井中承受了较大的交变载荷,因而发生了疲劳断裂。     

钻杆防磨技术的现状和发展

在深井超深井勘探过程中，由于径向力、涡动、横向振动等因素的存在，随着钻井时间的增长，钻柱作用于套管内壁的侧向力增大，导致套管磨损的问题越来越严重。介绍了近年来钻杆防磨技术的发展，主要从钻杆接头表面处理和钻杆保护器2方面来研究防磨减磨措施的现状和发展。     

深井套管磨损几何力学模型及计算分析

在深井、超深井钻井过程中,套管磨损有可能导致套管封隔失效和油气井的早期报废.建立了深井钻杆与套管之间磨损模型,对深井套管磨损机理进行分析,研究钻杆本体与套管的接触情况,计算钻杆与套管之间的接触力.讨论了井眼曲率、套管钢级、钻杆轴向拉力、钻井时间对套管磨损的影响.应用所建的模型分析了不同因素对套管磨损厚度的影响,预测了深井套管磨损厚度.     

粒子冲击钻井发展现状及技术关键

文章介绍粒子冲击钻井发展现状及工艺流程,在常规钻井机械水力联合破岩的基础上,在钻井液中增加一定质量的钢粒子。利用粒子的冲击破岩作用,提高深井超深井硬地层的钻井速度。利用有限元软件建立物理模型,模拟粒子破岩过程,研究粒子冲击钻井破岩规律;介绍粒子冲击钻井研究内容：粒子对循环管线寿命影响实验研究;根据破岩规律,设计PID钻头结构。为解决深井和超深井硬地层钻井速度慢、钻井周期长、钻井成本高等难题提供新思路。     

钻杆用微合金化钢的控制轧制和热处理工艺

目前API标准规定的最高钢级钻杆——S135级钻杆的强度和韧度均不能满足超深井钻采的需要。为此,在高强度钻杆钢中添加微合金元素V、Nb配合控轧控冷技术,并调整调质热处理工艺,对比研究传统调质工艺和控制轧制-调质工艺对该钢强度和韧度的影响。研究结果表明,经控制轧制后钢的晶粒度明显细化,使得强度和韧度得到明显的提高;Mo元素和Nb、V微合金元素的碳化物在500℃以上会出现回火二次强化现象;加入Nb元素可降低2#钢板条的宽度,同时Mo元素和Nb、V微合金元素在钢中形成了不同于针状渗碳体的颗粒状和球状碳化物,分别为NbC、VC和Mo2C,这种形状的碳化物有利于提高钢的韧度。     

铝合金钻杆拉伸性能及应用特点

利用拉伸试验结果,通过与G105钢钻杆进行对比,分析了铝合金钻杆的拉伸弹性、塑性和强度性能,结果表明:铝合金钻杆拉伸性能完全符合GB/T 20659标准要求;与G105钢钻杆相比较,铝合金钻杆虽然强度较低,但具有良好的弹性变形能力和足够的塑性储备;铝合金钻杆强度质量比高,弹性模量小,在钻深井、超深井中可大幅减轻钻柱质量,在通过定向井和大位移水平井弯曲井段时产生的弯曲应力小。有利于提高钻井安全和效率,延长钻柱使用寿命。     

基于水力能量利用效率的超深井钻井提速技术

水力因素是影响钻速最活跃的因素之一。为了最大限度地利用水力能量,提高超深井钻井速度,利用编制的软件,对影响水力能量利用效率各因素进行了分析。结果表明,超深井采用?139.7 mm钻杆代替?127 mm钻杆,1000 m可减小泵压约0.6 MPa;黏度每降低10 mPa·s,泵压可降低0.4 MPa左右;密度每增加0.1 g/cm3,泵压增加0.8 MPa左右;排量每增加1 L/s,泵压增加1 MPa以上。同时,分析了超深井钻井喷射钻井的可行性及实现方式,指出超深井水力参数设计需按最小流量法设计,为提高超深井钻井速度提供了有益的参考。     

钻杆接头PT100耐磨带的敷焊工艺与应用

在深井、超深井、丛式井、大斜度井、水平井的钻井过程中,套管经常被磨穿,造成严重损失,因此对钻杆接头耐磨带提出了更高要求。针对钻杆接头耐磨带现状,开发出新型钻杆接头耐磨带材料PT100及其敷焊工艺。新型钻杆接头PT100耐磨带在钻井应用中表明,(1)与钢质钻杆接头相比,套管磨损减少86％;(2)与碳化钨耐磨带的接头相比,套管磨损降低76％;(3)在大斜度井中,由于摩擦系数减小,大大降低了钻具旋转阻力,扭矩增大30％,节省材料消耗10％;(4)在裸眼钻井环境下,更大程度地保护钻杆接头,减小磨损。     

多工艺反循环钻井技术发展现状与展望

反循环钻井技术与正循环钻井技术相反,循环介质和地层岩屑从钻具水眼返出井口,其裸眼环空保持相对静止,此种钻井方式有利于实现超大尺寸井眼高效携砂、恶性井漏井段的防漏治漏以及敏感性储层的有效保护,同时也为水平井钻井过程中的窄钻井液密度窗口、井眼净化和水平段长度延伸等需求提供新的技术方案。文章通过梳理开展反循环钻井技术以来各家反循环钻井技术的研究进展与成果,总结了单壁钻杆反循环钻井技术、双壁钻杆反循环钻井技术、单壁钻杆+双壁钻杆反循环钻井技术、多通道钻具反循环钻井技术的工作原理及技术特色、适应的工作环境等,并在此基础上提出了反循环钻井技术在油气钻井领域的发展方向及建议。文章的研究成果可以为反循环研究工作提供信息,助力深井超深井超大尺寸井眼提速钻进、井漏等复杂井眼处理以及非常规油气资源安全效益开发提供技术支撑。     

高压水射流清洗水泥堵塞钻杆技术

在尾管固井及处理井下事故等过程中,由于水泥浆配制和施工问题造成水泥浆固结在钻杆内,造成钻杆堵塞,大大增加了钻井成本。而利用高压水射流清洗钻杆,可以解决钻杆清洗难度大、效率低、污染环境等难题,具有良好的经济效益和社会效益。     

高钢级钻杆强度塑性试验研究

钻杆强度级别提高,其塑性性能会发生变化,因此高屈强比成为影响高钢级钻杆推广应用的主要问题。对X95、G105、S135、V150和HL165系列高钢级钻杆进行了室温拉伸试验,利用真应力-真应变曲线分析了高钢级钻杆强度塑性特征参数的变化规律及屈强比对钻杆安全性的影响。试验结果表明:随着钢级提高,钻杆强度不断增加的同时,工程屈强比和真实屈强比都增大,但后者比前者约小5.5%~7.0%;不同钢级钻杆工程屈强比与其伸长率、冲击功、塑性失稳点应变量、均匀形变容量和静力韧度等塑性韧性指标无对应关系;虽然V150、HL165超高强度钻杆屈强比分别达到0.953和0.941,形变硬化能力略有降低,但仍具有高塑性变形能力、高韧度水平和高断裂强度。研究认为,不宜将工程屈强比作为衡量高钢级钻杆质量的一项硬性指标,良好的综合性能是确保钻杆安全使用的关键。