40Cr鉆桿接頭的斷裂失效及預(yù)防

偏心鉆桿接頭的設(shè)計(jì)

采用金相分析和掃描電鏡分析方法,分析了鉆桿接頭噴焊耐磨帶脫落原因。結(jié)果表明,基體金屬與合金塊間氣孔和裂紋的存在是導(dǎo)致鉆桿耐磨帶在使用過程中脫落的主要原因,并結(jié)合噴焊工藝提出了預(yù)防措施。

通過力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)和斷口分析等方法對(duì)某井發(fā)生的鉆桿接頭臺(tái)肩根部刺漏失效原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:材料沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)要求,接頭臺(tái)肩根部受到嚴(yán)重腐蝕,形成大而深的腐蝕坑,在交變應(yīng)力作用下,裂紋萌生于腐蝕坑底部,并迅速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鉆桿接頭發(fā)生早期腐蝕疲勞失效。

本文通過力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)成分分析、金相組織和斷口分析,并結(jié)合受力狀態(tài),對(duì)某井φ127mms135鉆桿接頭的縱向刺孔原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明,鉆桿刺孔失效的原因是鉆井液中的腐蝕性介質(zhì)對(duì)內(nèi)表面造成嚴(yán)重腐蝕,在交變應(yīng)力作用下,裂紋萌生并迅速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鉆桿接頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕刺穿失效。

2009年元月江蘇石油勘探局鉆井處外部項(xiàng)目作業(yè)的一口井,在掛φ177.8mm尾管時(shí)發(fā)生一起φ127mms135鉆桿接頭外螺紋斷裂,事故得到及時(shí)有效的處理。結(jié)合鉆桿的生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)使用和取樣分析的情況,對(duì)此次φ127mms135鉆桿接頭外螺紋斷裂的機(jī)理和原因進(jìn)行了分析,找到了導(dǎo)致斷裂的原因,并對(duì)下一步預(yù)防此類事故提出了相應(yīng)的技術(shù)措施。

針對(duì)石油鉆井關(guān)鍵產(chǎn)品高強(qiáng)度鉆桿接頭的使用要求,在保證強(qiáng)度指標(biāo)要求非常高的前提下,研究摸索增加高溫正火后再調(diào)質(zhì)的工藝方法,以改善接頭材料原始微觀帶狀組織和纖維結(jié)構(gòu),細(xì)化晶粒,提高鉆桿接頭的沖擊功,使該產(chǎn)品力學(xué)性能達(dá)到api標(biāo)準(zhǔn)的要求。

隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步,要求鉆桿接頭可傳遞更大的扭矩以適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境,因此對(duì)其抗扭性能研究變得尤為重要。為此,設(shè)計(jì)了一種新型雙臺(tái)肩鉆桿接頭。與一般的雙臺(tái)肩鉆桿接頭相比,新型鉆桿接頭增加了外螺紋接頭和內(nèi)螺紋接頭圓柱孔部分的長(zhǎng)度,使得鉆桿接頭可以保證鉆桿在井下傳遞更大的扭矩而不發(fā)生失效。利用有限元軟件建立了api標(biāo)準(zhǔn)接頭和新型雙臺(tái)肩鉆桿接頭的有限元分析模型。由有限元計(jì)算結(jié)果可知,新型雙臺(tái)肩鉆桿接頭的抗扭能力明顯高于api標(biāo)準(zhǔn)接頭,可傳遞更大的扭矩。油田中應(yīng)用也表明新型雙臺(tái)肩鉆桿接頭的性能優(yōu)于api標(biāo)準(zhǔn)接頭。

空氣鉆井因效率高、鉆速快而被廣泛應(yīng)用于油氣田開采,但高速氣流在鉆桿內(nèi)的顫振及漩渦沖蝕易導(dǎo)致鉆桿的失效與斷裂,尤其是鉆桿公母接頭內(nèi)不連續(xù)處。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大都從有限元角度研究鉆桿自身的應(yīng)力分布,而對(duì)桿內(nèi)流體流動(dòng)對(duì)鉆桿接頭應(yīng)力荷載方面的研究甚少。筆者基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法,建立了空氣鉆井鉆桿接頭處流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值模擬研究,得出了不同深度鉆桿接頭處的壓強(qiáng)、流速及剪切應(yīng)力分布。

文章介紹了等離子弧焊的原理、設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù);總結(jié)了等離子弧焊的主要特點(diǎn);提出增加送絲機(jī),組成既可送粉焊接又可送絲焊接的兩用設(shè)備。

在每年發(fā)生的鉆桿失效事故中約40%是其內(nèi)螺紋接頭直角臺(tái)肩根部的疲勞開裂。對(duì)鉆桿接頭水眼結(jié)構(gòu)及其疲勞強(qiáng)度的研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)螺紋接頭水眼結(jié)構(gòu)尺寸明顯影響直角臺(tái)肩根部的應(yīng)力水平,直角臺(tái)肩根部的壁厚是影響該部位疲勞強(qiáng)度的主要因素。鑒于api標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均沒有規(guī)定內(nèi)螺紋接頭的內(nèi)徑尺寸這一狀況,應(yīng)用力學(xué)計(jì)算、有限元分析及全尺寸疲勞試驗(yàn)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了鉆桿內(nèi)螺紋接頭合理的水眼結(jié)構(gòu)尺寸,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查均表明這種合理結(jié)構(gòu)接頭的直角臺(tái)肩根部不再發(fā)生疲勞刺漏,其疲勞強(qiáng)度大于鉆桿管體。

鉆桿接頭是石油鉆柱的重要組成部分,而耐蝕性是鉆桿接頭性能的重要指標(biāo)。通過硫酸銅點(diǎn)滴試驗(yàn),研究了磷化液的游離酸度、總酸度、酸比、磷化時(shí)間和溫度對(duì)鉆桿接頭磷化膜耐蝕性的影響,得出各參數(shù)的最佳范圍。結(jié)果表明:控制磷化液的游離酸度12～15點(diǎn),總酸度140～170點(diǎn),酸比10～11,磷化溫度75℃左右,磷化時(shí)間20～25min,所得磷化膜耐腐蝕性能最佳。

某井鉆桿在使用中發(fā)生接頭脹大和脫扣事故。采用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)定、宏觀和微觀組織檢驗(yàn)、尺寸測(cè)量及鉆桿的力學(xué)分析等方法對(duì)其進(jìn)行了分析和討論。結(jié)果表明,鉆桿接頭材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求,鉆桿接頭在使用過程中脹大失效的原因主要是井下扭矩超過了鉆桿接頭的承載能力所致。

鉆桿工具接頭的抗扭強(qiáng)度普遍低于管體,為滿足使用需要,考慮選擇非api雙臺(tái)肩高抗扭矩接頭。為此,使用i-deas和marc兩個(gè)大型有限元分析軟件,在sgiindig02impactr10000型工作站進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,對(duì)s-135鉆桿接頭雙臺(tái)肩齒面與臺(tái)肩部位應(yīng)力分布進(jìn)行分析,并將計(jì)算結(jié)果與api標(biāo)準(zhǔn)接頭進(jìn)行對(duì)此。結(jié)果表明,雙臺(tái)肩工具接頭的抗扭能力是api標(biāo)準(zhǔn)接頭的1.5倍。

鉆桿及其接頭的早期失效分析與措施研究 [摘要]鉆桿失效表現(xiàn)在三個(gè)方面：本體斷裂、刺漏、鉆桿螺紋處失效。本文 將分析并探討鉆桿及其接頭的早期失效類型、失效形式、失效原因，并且根據(jù)分 析原因去尋找應(yīng)對(duì)的方法以及預(yù)防的辦法。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化的鉆桿結(jié)構(gòu)，提升鉆桿 質(zhì)量，使鉆桿失效事故發(fā)生的概率下降。 [關(guān)鍵詞]分析原因鉆桿失效優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)防措施鉆具 0前言 失效分析是分析判斷材料的失效模式、性質(zhì)、原因、研究失效事故處理方法 和預(yù)防再失效的技術(shù)活動(dòng)與管理活動(dòng)，是一種科學(xué)的分析方法。本文將對(duì)鉆桿失 效進(jìn)行分析。鉆桿很容易受到磨損以及腐蝕等問題的影響從而引發(fā)失效事故。而 僅僅是在我們國(guó)家的油田之中發(fā)生的鉆桿失效事故就多達(dá)數(shù)百起，鉆桿失效不僅 會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的損失，并且常常影響到工程的進(jìn)度，后果十分嚴(yán)重。失 敗乃是成功之母，通過研究鉆桿失效，推進(jìn)提高鉆桿質(zhì)量以及加強(qiáng)研

通過宏觀觀察、金相分析和化學(xué)成分分析等方法,對(duì)40cr鋼法蘭焊接接頭的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,40cr鋼法蘭焊接接頭存在根部裂紋、焊趾裂紋、未熔合和未焊透等焊接缺陷,在應(yīng)力的作用下,根部裂紋發(fā)生擴(kuò)展,造成接頭在使用過程中發(fā)生斷裂。焊接工藝及操作不當(dāng)導(dǎo)致法蘭焊接接頭產(chǎn)生根部裂紋,是其發(fā)生早期斷裂的主要原因,并對(duì)焊接工藝提出了改進(jìn)建議。

鉆桿受到鉆井液的沖蝕會(huì)有不同程度的損傷,若在鉆桿接頭部位出現(xiàn)沖蝕坑就可能使鉆桿失效,引發(fā)鉆井事故。鑒于此,通過試驗(yàn)分析了鉆井液流量、粘度、密度、鉆井液中固相顆粒體積分?jǐn)?shù)及固相顆粒粒徑對(duì)鉆桿接頭沖蝕量的影響規(guī)律。結(jié)果表明,鉆井液密度對(duì)鉆桿接頭的沖蝕影響基本可以忽略;鉆井液流量與粘度的增大會(huì)導(dǎo)致沖蝕量增大;固相顆粒是造成鉆桿接頭沖蝕的主要原因,固相顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大與粒徑的減小均會(huì)導(dǎo)致沖蝕量增加。沖蝕量較大的位置在鉆桿內(nèi)外接頭結(jié)合處、公接頭與鉆桿本體焊接后端臺(tái)階處以及公接頭出口處。因此,應(yīng)在強(qiáng)度等條件允許的情況下,改進(jìn)鉆桿接頭部分的結(jié)構(gòu)與尺寸,使流動(dòng)平穩(wěn)地過渡,防止因截面突變而引起渦流的產(chǎn)生或流速的加快,以盡量減少?zèng)_蝕量;在鉆井過程中,應(yīng)當(dāng)采取切實(shí)有效的措施加強(qiáng)對(duì)固相的控制。

近年來(lái)由于深井、定向井等逐年增多,鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱裂破壞成為常發(fā)事故。鉆桿接頭的各種縱向開裂屬于低應(yīng)力脆性斷裂。當(dāng)接頭橫向材料韌性不足時(shí),任何表面損傷及缺陷如摩擦熱裂紋等,都可作為裂紋源向縱深擴(kuò)展。應(yīng)用失效評(píng)估圖技術(shù)估算表明,橫向材料v型缺口夏比試樣室溫沖擊功大于100j時(shí),將顯著減少鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱裂破壞,失效案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一結(jié)果。

鉆桿接頭的優(yōu)化處理需要從很多方面進(jìn)行考慮,這就要求在材料和熱處理方面必須進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定。這樣才能保證接頭的韌性和強(qiáng)度要求,達(dá)到延長(zhǎng)壽命的要求。本文結(jié)合鉆桿接頭的損壞原因作了一些分析,提出了相應(yīng)的處理方法,并對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),來(lái)達(dá)到增加鉆桿疲勞壽命的的目的。

專利號(hào)：zl200620044752．9 專利權(quán)人：寶山鋼鐵股份有限公司 設(shè)計(jì)人：趙鵬

鉆桿接頭激光淬火硬度及金相分析

40Cr鋼沖擊鉆頭早期斷裂原因及防止措施

本文通過斷口及金相分析及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,找出鉆頭早期斷裂的原因是淬火冷卻速度不足,出現(xiàn)斷續(xù)網(wǎng)狀晶界鐵素體導(dǎo)致疲勞性能降低所致.指出對(duì)不同爐號(hào),尤其是上下限成分含量的鋼材要作熱處理工藝參數(shù)合理調(diào)整工作,提出了防止鉆頭斷裂的有效措施.