钻具失效与预防措施

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇钻具失效与预防措施范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】钻具失效类别以钻杆、钻铤、转换接头为主，这主要是由钻具的结构组合和钻具本身的结构特点以及钻具在井内工作的受力特性所决定的。钻具失效类型以螺纹断裂、刺漏和本体断裂、刺漏为主，这与钻具的工况和钻具先裂后刺再失效的失效机理相稳合。钻具失效的形式多种多样，概括起来主要有过量变形、钻具断裂、钻具刺漏、表面损伤、钻具螺纹失效、钻具偏磨等等，并且这几种失效形式常常同时存在相互交织在一起。

【关键词】钻具；失效；预防措施

1 影响钻具失效的主要因素

引起钻具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，如钻具的使用工况和环境，钻具质量，使用者的操作以及钻具的机械损伤等。

1.1 产品自身质量

失效分析表明，大部分失效事故与钻具质量有关。比较突出的有以下几个问题：

（1）钻杆内加厚过渡区结构不合理。失效分析和试验研究已证实，内加厚过渡区结构不合理（ 太短，R太小） 是钻杆在该部位失效的主要原因。合理结构的条件为： ≥100mm ，R≥300mm。

（2）钻杆接头、钻铤、转换接头韧性差。

（3）螺纹加工质量差及加工精度差。如螺纹根部圆角半径过小，不符合API 标准要求，导致严重的应力集中。

（4）强度指标不合格。

（5）喷焊热裂及钻杆摩擦对焊（修复） 工艺不当。

（6）钻杆接头选型不当。

1.2 环境因素

（1）钻井液。钻井液种类、pH值、固相含量、流速、温度和扰动情况等都对钻具失效有不同程度的影响。

（2）腐蚀介质。由于钻井液循环系统不是密封的，大气中氧气会通过泥浆池、泥浆泵等设备在钻井液的循环过程中混入钻井液成为游离氧，当泥浆中含有一定量的溶解氧时，就会对钻具表面造成腐蚀。来源于地层或由于泥浆中一些含硫有机添加剂高温分解和泥浆中硫酸盐还原菌的新陈代谢产生的H2S还会导致钻杆的氢致应力腐蚀断裂。

（3）温度对钻具失效也存在着不可忽视的影响。

1）由于环境温度过低，材料的冲击力值严重下降，易引起冷脆断裂。

2）随着井下温度的升高，腐蚀速度将加快，另外某些钻井液处理剂在高温下会分解，产生H2S、CO2、O2等，加快了对钻具的腐蚀。

3）在井下高温下，螺纹密封脂的性能下降，尤其是低温和减磨金属含量少的密封脂，将导致丝扣和台阶性能下降。

4）低温状态下钻具按规定的上扣扭矩，在井底高温环境下，金属膨胀造成丝扣根部应力集中。

（4）其它环境因素。如风沙，沙漠钻井中风沙的影响也不容忽视。接头丝扣和密封台阶涂有密封脂极易粘附沙粒，在上卸扣时产生磨料磨损，接头丝扣的连接和台阶密封将受到影响。

1.3 力学因素

石油钻具在井下钻进过程中不仅与腐蚀性介质直接接触，同时还承受拉伸、弯曲、挤压等复杂应力的作用，其苛刻的工作环境直接影响井下钻柱寿命的长短。

1.4 其它因素

此类因素包括钻具搭配以及管理与使用，是指钻具在下入井前的一切操作与管理。主要有： 产品在运输、存放或使用中因外力造成的机械损伤；钻具存放期间无防腐措施；钻具组合结构不合理；钻具下井前不进行无损探伤，使用中也很少探伤等；不遵守钻井操作规程（包括钻具过载、钻具上扣不到位、钻具选型及配合不合理）。

2 井下环境中钻具的失效机理

2.1 电化学腐蚀

当金属与电解质溶液接触时，由于发生电化学作用（即产生原电池）而引起的腐蚀叫做电化学腐蚀。

2.2 腐蚀疲劳

腐蚀疲劳是设备受交变应力和腐蚀环境双重作用下所产生的一种破坏形式。由于腐蚀加疲劳会加速裂纹的形成和扩展，它比其中任一种单独作用要严重得多。

3 预防措施探讨

3.1 合理设计钻具、降低服役载荷及应力

（1）在选择钻柱外径尺寸时，应尽可能选用大直径钻具，这样可增大钻柱刚度，减少钻杆弯曲。

（2）在设计钻具组合时，应该使相邻的钻具外径尺寸变化不大，如选用塔式钻具结构，相邻钻具外径逐渐变化，并且在钻杆和底部钻具组合之间加上加重钻杆等。

（3）正确选用螺纹规格和型式，使内、外螺纹接头的弯曲强度恰当配合。

（4）根据钻具负荷采用内平钻杆，推广内加厚结构改进型的新钻杆。

（5）降低应力集中就是要避免在钻具各部位几何形状改变过于突然，或在这些部位加工应力分散结构。如在螺纹接头上加工应力减轻结构，改进制造工艺使钻杆内加厚过渡处平滑，加工钻具时避免尖锐刀痕等。

3.2 使用合理的钻具结构和钻井参数

采取有效措施，改善钻具的工作状态。及时调整钻头的型号和钻井参数，要避免井下钻柱蹩跳钻及钻具共振的产生。钻压要避免钻杆受压导致的钻具屈曲，发生偏磨等。合理设计钻具组合，钻铤的重量要足够，防止中和点落在钻杆上导致紧挨钻铤的几根钻杆受压发生早期疲劳破坏。在钻杆上加减振器和悬浮器，减轻钻具的纵向震动，防止钻具轴向受力中和点的上下移动。使用加重钻杆，改变下部钻杆受力状态，减小因截面突变产生的较大应力。采用稳定器以防钻具的弯曲。

3.3 科学合理的使用钻具

（1）钻具组合时要充分考虑钻具整体的刚度平滑过渡，避免刚度突变点，如加重钻杆的使用。

（2）尽量采用大尺寸的钻杆，改善钻杆受力的同时可有效增加处理钻具事故的能力。

（3）注意泵压变化，及时发现钻具刺漏，减小钻具断裂事故。

（4）定期倒换钻具在钻柱中的位置，改善钻具的受力情况。

（5）重视钻杆接头喷焊耐磨带，每2口井喷焊一次，防钻具磨损。

3.4改善工作环境

通过改善钻具与钻井液接触的工作环境可适当提高钻具使用寿命。

（1）优化钻井液性能，加强钻井液管理。钻井液中增加剂和缓蚀剂，把钻井液的pH值控制在10～11之间，延长钻具使用寿命。

（2）推广使用内涂层钻杆。

3.5 减小连接螺纹疲劳失效或改进螺纹连接强度

（1）正确进行螺纹联结，特别是控制螺纹密封脂摩擦系数，并按标准达到上扣扭矩。

（2）对大井眼或蹩跳钻严重地层，提高密封脂摩擦系数，并同时提高上扣扭矩，可有效防止螺纹疲劳失效。

（3）根据井眼的大小合理选择钻铤尺寸，大井眼小钻铤会诱发钻具的横向振动，加剧交变应力水平。

（4）根据不同规格的钻铤，在扣型设计上采用合理的弯曲强度比。设计新型螺纹，提高联结强度。

（5）在连接螺纹消失处的应力严重集中附近加工卸载槽。API钻铤在连接螺纹消失处加工有应力卸载槽，以减小该处的严重应力集中。

（6）选择最佳紧扣扭矩。

（7）推荐使用预紧扭矩旋接钻具接头。

3.6 改变传统方法，采用新式钻井方法

在定向井的施工中，如果在定向造斜之后采取转盘钻进，由于钻杆在弯曲的井眼内承受复合应力的作用，随着水平位移的不断增大，钻具承受的扭矩不断增加，对钻具的损坏必然很严重，而采用长效螺杆钻具带动钻头钻进，无论水平位移多大，由于钻杆在井内不旋转，钻杆在弯曲的井眼内不受复合应力的作用。

3.7 降低摩阻和扭矩

（1）采用最优的井深剖面和优化井深结构。理论研究证明，造斜段采用悬链线式井深剖面可以有效地减少摩阻和扭矩。在优化井深结构方面，选择合适的造斜率，在满足地质要求的前提下，尽量减小造斜率，降低钻杆的弯曲程度。

（2）优化钻井液体系。使用适合于大位移井、水平井的优质钻井液，使钻井液具有良好的携岩能力、抑制性和性，保证井眼稳定、畅通。