偏心鉆桿接頭設(shè)計(jì)

通過化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、組織結(jié)構(gòu)分析和高溫高壓模擬試驗(yàn),對(duì)127mm(5″)s135鉆桿接頭內(nèi)壁出現(xiàn)劃痕、凹槽和腐蝕三種失效形式,鉆桿的腐蝕速率和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明:該鉆桿接頭的材料性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,鉆桿接頭腐蝕機(jī)理是氧腐蝕,腐蝕產(chǎn)物主要是fe3o4和feooh,劃痕和凹槽是由于使用不當(dāng)和卡槽所致。

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。

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。

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。

某公司生產(chǎn)的鉆桿接頭外螺紋在加工時(shí)出現(xiàn)裂紋,采用顯微組織觀察對(duì)開裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該接頭外螺紋開裂的主要原因是碳化物的聚集偏析造成鍛造過程中偏析區(qū)產(chǎn)生組織過熱現(xiàn)象,碳化物尖端和基體的結(jié)合部位由于熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力集中而萌生裂紋源,并在隨后的變形過程中形成裂紋導(dǎo)致開裂。

1·問題的提出在地質(zhì)勘探中,鉆機(jī)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(duì)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(qiáng)度高、韌性好、表面耐磨性高、抗彎力強(qiáng)。因此鉆桿接頭一般采用合金結(jié)構(gòu)鋼(如

石油鉆桿接頭表面開裂原因分析

針對(duì)國(guó)產(chǎn)石油鉆桿接頭存在強(qiáng)韌性配合不良的問題,試驗(yàn)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(duì)材料力學(xué)性能的影響、冶金質(zhì)量對(duì)淬透性的影響等進(jìn)行了分析討論。試驗(yàn)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(qiáng)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

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。

對(duì)石油鉆桿接頭水淬熱處理技術(shù)進(jìn)行了研究分析。介紹了水基淬火和油基淬火后石油鉆桿接頭的硬度、硬度均勻性的對(duì)比試驗(yàn);不同條件下的淬火液對(duì)鉆桿接頭冷卻速度的影響。研究表明,水基淬火方式能更好地提高鉆桿接頭馬氏體化程度,從而提高淬火質(zhì)量。

鉆桿接頭是鉆柱最薄弱的環(huán)節(jié),在鉆進(jìn)過程中極易失效。采用有限元分析方法對(duì)鉆桿接頭的應(yīng)力特征進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,密封面處接觸壓力分布不均和嚙合大端第一螺紋牙處應(yīng)力集中是影響鉆桿接頭力學(xué)性能的主要因素。在公扣、母扣臺(tái)肩轉(zhuǎn)角處開應(yīng)力釋放槽可以有效改善鉆桿接頭的應(yīng)力分布,降低應(yīng)力峰值,使vonmises應(yīng)力和接觸壓力分布更加均勻,有利于提高鉆桿接頭的承載能力和密封性能。此外,僅在公扣臺(tái)肩轉(zhuǎn)角處或母扣臺(tái)肩轉(zhuǎn)角處開應(yīng)力釋放槽也可有效改善接頭的應(yīng)力分布,但效果與公扣、母扣臺(tái)肩轉(zhuǎn)角處均開應(yīng)力釋放槽相比稍差。

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(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。

在石油鉆井中,需要對(duì)套管和鉆桿磨損進(jìn)行檢測(cè),以確定其磨損量,而常規(guī)測(cè)量工具結(jié)構(gòu)較小,因此難以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。在綜合考慮接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)?yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出一種新型鉆桿接頭磨損檢測(cè)裝置。該裝置主要由機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)3部分組成,它利用卡具夾持鉆桿接頭外表面,當(dāng)鉆桿接頭直徑不同時(shí),位移傳感器探頭的壓縮量也不同,將此信號(hào)輸出給顯示儀表,然后顯示輸出。應(yīng)用表明,該裝置測(cè)量誤差小于50μm,操作方便,可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需要。

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

介紹了石油鉆桿接頭采用自由鍛造的工藝方式存在毛坯余量大、材料利用率低、生產(chǎn)成本較高等缺點(diǎn)。為了提高鉆桿接頭毛坯精化程度和降低生產(chǎn)成本,提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,需要更高效的加工方式。通過對(duì)鉆桿接頭模鍛工藝參數(shù)摸索,合理地選擇了鋼坯感應(yīng)加熱、毛坯加工率、加工設(shè)備選擇、模具設(shè)計(jì)、鍛后緩冷等工序工藝參數(shù),最終實(shí)現(xiàn)了鉆桿接頭一次模鍛成形的工藝。石油鉆桿接頭模鍛后,降低了毛坯的下料質(zhì)量,減少了機(jī)械加工余量,提高了材料利用率,降低了生產(chǎn)成本。

采用功率為2kw、掃描速度為100mm/min的工藝參數(shù)對(duì)鉆桿接頭材料30crmnsia鋼進(jìn)行了表面相變硬化處理,研究了相變層的組織和硬度特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,30crmnsia鋼表面相變硬化層分為完全淬硬層、過渡層和受熱影響的基體組織,硬化層的顯微組織明顯細(xì)化,其表面層的硬度比高頻淬火的硬度提高了30%,淬硬層深度達(dá)17mm,比高頻淬火深度提高近1倍。

為實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭耐磨帶的自動(dòng)焊接,利用現(xiàn)代可編程控制器plc控制技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了針對(duì)鉆桿接頭的耐磨帶自動(dòng)堆焊設(shè)備。該設(shè)備采用plc技術(shù),實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭和18°臺(tái)肩耐磨帶的自動(dòng)焊接功能,設(shè)備體積小,易于運(yùn)輸和安裝,達(dá)到節(jié)約成本、提高效率的目的?？刂葡到y(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。