S135鉆桿接頭失效及腐蝕特征

分析了某井一批雙臺肩鉆桿接頭開裂失效事故。試驗分析表明,裂紋主要位于外螺紋臺肩面附近的頸部和第1~3牙螺紋根部,具有沿晶、分枝擴展特征。掃描電鏡斷口形貌和能譜分析結(jié)果證實該批鉆桿接頭屬于h2s應(yīng)力腐蝕開裂,導(dǎo)致接頭開裂的主要原因是鉆桿接頭材料強度和硬度偏高,鉆桿接頭內(nèi)徑偏大,使失效部位的應(yīng)力水平增大,且鉆桿接頭本身承受扭矩過大。分析結(jié)果對雙臺肩接頭的研究開發(fā)和使用具有很好的參考價值。

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

對s135鋼級的鉆桿外螺紋接頭螺紋根部出現(xiàn)的裂紋采用宏觀觀、察裂紋金相分析,裂紋面掃描形貌觀察,腐蝕產(chǎn)物能譜分析等手段進(jìn)行綜合分析,判定裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋。導(dǎo)致該鉆桿疲勞裂紋萌生的主要原因是由于螺紋脂涂抹不/螺均紋脂質(zhì)量不好或上扣扭矩過大導(dǎo)致螺紋牙表面形成一層馬氏體白亮層,這種組織較脆,在交變應(yīng)力的作用下容易萌生疲勞裂紋。另外鉆井液的腐蝕性和地層中過高的氯離子含量將促進(jìn)腐蝕坑的形成,對疲勞裂紋的萌生、擴展亦起到一定的促進(jìn)作用。

偏心鉆桿接頭的設(shè)計

1·問題的提出在地質(zhì)勘探中,鉆機通過鉆桿和各種管接頭將扭矩和軸向壓力傳到鉆頭,從而對巖層不斷地進(jìn)行破碎。因此鉆桿管接頭除了外表面不斷與孔壁巖層發(fā)生摩擦外,還承受巨大的彎曲扭轉(zhuǎn)及沖擊力的作用,而且管接頭的絲扣處還容易產(chǎn)生磨損變形。根據(jù)鉆具的工作條件,要求鉆桿的接頭必須具備強度高、韌性好、表面耐磨性高、抗彎力強。因此鉆桿接頭一般采用合金結(jié)構(gòu)鋼(如

通過力學(xué)性能測試、化學(xué)成分分析、金相檢驗和斷口分析等方法對某井發(fā)生的鉆桿接頭臺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,并迅速擴展,最終導(dǎo)致鉆桿接頭發(fā)生早期腐蝕疲勞失效。

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,因此對其抗扭性能研究變得尤為重要。為此,設(shè)計了一種新型雙臺肩鉆桿接頭。與一般的雙臺肩鉆桿接頭相比,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)接頭和新型雙臺肩鉆桿接頭的有限元分析模型。由有限元計算結(jié)果可知,新型雙臺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,而對桿內(nèi)流體流動對鉆桿接頭應(yīng)力荷載方面的研究甚少。筆者基于計算流體動力學(xué)方法,建立了空氣鉆井鉆桿接頭處流場的數(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、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;提出增加送絲機,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)螺紋接頭直角臺肩根部的疲勞開裂。對鉆桿接頭水眼結(jié)構(gòu)及其疲勞強度的研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)螺紋接頭水眼結(jié)構(gòu)尺寸明顯影響直角臺肩根部的應(yīng)力水平,直角臺肩根部的壁厚是影響該部位疲勞強度的主要因素。鑒于api標(biāo)準(zhǔn)和我國行業(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)計算、有限元分析及全尺寸疲勞試驗方法優(yōu)化設(shè)計了鉆桿內(nèi)螺紋接頭合理的水眼結(jié)構(gòu)尺寸,現(xiàn)場試驗和現(xiàn)場調(diào)查均表明這種合理結(jié)構(gòu)接頭的直角臺肩根部不再發(fā)生疲勞刺漏,其疲勞強度大于鉆桿管體。

針對石油鉆井關(guān)鍵產(chǎn)品高強度鉆桿接頭的使用要求,在保證強度指標(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。

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)。通過硫酸銅點滴試驗,研究了磷化液的游離酸度、總酸度、酸比、磷化時間和溫度對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,總酸度140～170點,酸比10～11,磷化溫度75℃左右,磷化時間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)性能測定、宏觀和微觀組織檢驗、尺寸測量及鉆桿的力學(xué)分析等方法對其進(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度普遍低于管體,為滿足使用需要,考慮選擇非api雙臺肩高抗扭矩接頭。為此,使用i-deas和marc兩個大型有限元分析軟件,在sgiindig02impactr10000型工作站進(jìn)行計算機仿真,對s-135鉆桿接頭雙臺肩齒面與臺肩部位應(yīng)力分布進(jìn)行分析,并將計算結(jié)果與api標(biāo)準(zhǔn)接頭進(jìn)行對此。結(jié)果表明,雙臺肩工具接頭的抗扭能力是api標(biāo)準(zhǔn)接頭的1.5倍。

針對國產(chǎn)石油鉆桿接頭存在強韌性配合不良的問題,試驗研究了鉆桿接頭用鋼37crmoe。就該鋼種的化學(xué)成分和冶金質(zhì)量對材料力學(xué)性能的影響、冶金質(zhì)量對淬透性的影響等進(jìn)行了分析討論。試驗研究表明:(1)經(jīng)880℃正火、860℃淬火、在530～600℃溫度范圍內(nèi)回火后,37crmoe鋼具有較好的綜合力學(xué)性能,其強韌性配合滿足sy5290—1991《石油鉆桿接頭》標(biāo)準(zhǔn)的要求,可替代40crnimoa和40crmnmo鋼;(2)37crmoe鋼的淬透性元素搭配合理,有害元素s、p等明顯減少,夾雜物少且均勻化。這是提高該鋼種淬透性及綜合力學(xué)性能的主要原因

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)對的方法以及預(yù)防的辦法。通過設(shè)計優(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)活動與管理活動，是一種科學(xué)的分析方法。本文將對鉆桿失 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 會造成極大的經(jīng)濟財產(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)量以及加強研

近年來由于深井、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,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展。應(yīng)用失效評估圖技術(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,將顯著減少鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱裂破壞,失效案例統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證了這一結(jié)果。

鉆桿接頭和轉(zhuǎn)換接頭失效的形式主要有過量變形、斷裂和表面損傷三類。其中斷裂失效表現(xiàn)為過載斷裂、低應(yīng)力脆斷、應(yīng)力腐蝕、氫脆斷、疲勞和腐蝕疲勞斷裂。它們產(chǎn)生的原因和破壞發(fā)生的特點都不一。文內(nèi)以5個例證分別進(jìn)行分析,并提出預(yù)防的措施。

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度要求,達(dá)到延長壽命的要求。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,并對鉆桿接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,來達(dá)到增加鉆桿疲勞壽命的的目的。

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

疲勞損壞是導(dǎo)致礦用鉆桿接頭失效的主要原因之一。以準(zhǔn)50的六方形鉆桿接頭為研究對象,采用solidworks建立接頭主要零部件的三維模型,導(dǎo)入ansys對其進(jìn)行有限元分析。利用42crmo材料的s-n曲線,得到鉆桿接頭的疲勞壽命、應(yīng)力集中分布情況,為合理地使用礦用鉆桿和進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計、改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

運用有限元分析軟件solidworkssimulation,對螺桿樁機鉆桿內(nèi)、外六方接頭建立了有限元模型,在對其進(jìn)行靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,以兩種接頭的兩種工況為例,進(jìn)行強度和疲勞分析對比,提出了鍛熱淬火代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)質(zhì)熱處理的工藝,提高了零件的強度,節(jié)約了材料成本。