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1、 克拉玛依职业技术学院学生毕业设计（论文）克拉玛依职业技术学院 毕业设计（论文） 学 校：克拉玛依职业技术学院专 业：钻井技术 姓 名：邵武锋论文题目：钻具正常使用与维护 指导教师： 谷凤贤 设计地点： 完成日期： 摘要油气钻井作业就原理上来讲并不复杂，就是利用钻铤或加重钻杆给破碎岩石的钻头上施加一定的压力，使钻头的牙齿吃入地层，然后利用钻柱的旋转带动钻头旋转，利用钻头旋转来切削地层，并依靠循环的钻井液将钻屑带出井眼，以保证持续钻进。但是油气钻井所面临的任务是艰巨的，它需要把覆盖在油气层以上数百米至数千米的岩石钻开，而且还要沿着预先设计好的井眼轴线把井眼钻的笔直，或向预定的方向倾斜钻到目的层。
2、在此过程中钻具的合理使用和日常科学的维护有着至关重要的作用，它将直接影响着钻井速度以及钻井安全。及早的发现钻具的问题以及提前预防钻具发生问题对整个钻井过程都十分重要。关键词：失效，预防，使用目录摘要2前言4鄂北钻具失效探索51.钻具断落事故的原因81.1疲劳破坏的原因81.2腐蚀破坏的原因91.3机械破坏的原因112.钻具事故的预防措施122.1、 采用最佳紧扣扭矩122.2、使用加重钻杆132.3、钻具进行定期探伤132.4、使用减震器等具有减震功能的井下工具132.5、严格钻具检查制度142.6、遵守钻具使用要求143螺杆钻具的正常使用和维护153.1螺杆钻具的选择153.2.做好螺杆钻具
3、的检查163.2.1、 检查螺杆钻具163.2.2、 安装钻头163.2.3、 检查旁通阀的开启和关闭163.2.4、 试运转173.3螺杆钻具常见故障的判断及处理方法173.3.1泵压升高173.3.2泵压降低183.3.3钻时慢19参考文献20致谢词21前言钻井中的钻具失效是一个世界性难题，全球每年因此产生的损失高达亿元。华北石油管理局的施工队伍为解决中国石化重要的石油产地鄂尔多斯气田的钻具失效难题，进行了不懈探索。 钻具失效是钻具在使用过程发生刺漏、折断、裂纹而引起损坏的现象，钻具早期失效是指钻具在使用初期就发生这种损坏现象。钻具失效在世界各大油田普遍存在，原因各不相同。 美国的统计和估
4、算表明，钻具断裂事故在14%的油气井上发生，平均发生一次损失10.6万美元，这是正常成本以外的巨额费用。我国油田每年发生钻具事故约五六百起，经济损失巨大，每年必须用数千万美元的外汇购置各种钻杆和钻铤。 据不完全统计，2002至2005年间，中国鄂尔多斯气田工区每年发生十几次甚至几十次钻具失效事件，最高的一年达50多次；严重时，一口井就发生钻具事件十多次，一套价值200多万元的钻具，使用两口井就接近报废。钻具失效还使钻井周期显著延长，并对井壁稳定和井眼规则带来影响。 如何解决钻具早期失效难题，降低气田钻探开发成本，考验着许多队伍的生存发展能力，更制约着鄂尔多斯气田这个边际油田的开发效益。 失效客
5、观规律开展钻具失效分析，必须先掌握钻具失效的客观规律，即钻具在各种外加载荷和环境下发生的变形、断裂、表面损伤等现象及其发展过程，以及随外部服务条件和材料等因素变化的规律。钻具的工作环境一般比较恶劣，工作状况受载荷性质、加载次序、压力、温度等影响比较大，工作时所处的钻井液一般是由固体、液体等化学处理剂组成的复杂混合液，具有一定的腐蚀性。钻井液和其他腐蚀介质与钻具相互作用，会严重缩短钻具的使用寿命，导致钻具早期失效。 钻具服务条件复杂，失效形式也多样，比如断裂、刺穿、表面损伤和过量变形等，其中断裂在钻具失效事故中所占的比例较大，约占50%左右；刺穿、脱扣和胀扣失效是仅次于断裂失效的失效形式，在钻杆
6、和钻铤上都有发生；表面损伤包括腐蚀、磨损和机械损伤三方面；过量变形是由工作应力过大引起，如钻杆接头螺纹部分拉长、钻杆本体弯曲和扭转等。 鄂北钻具失效探索鄂尔多斯工区钻具失效原因既有普遍性又有特殊性。统计2002年2005年间的失效案例发现，鄂尔多斯地区钻具失效主要表现在两个方面：一是钻具的断裂和刺穿；二是钻具特别是钻杆的磨损严重。分析发现，钻具断裂主要以钻铤接头断裂为主，刺穿主要发生在钻杆加厚过渡区。 鄂北工区下部地层坚硬，可钻性差，机械钻压施加过大，是导致钻具自身应力集中引起钻具失效的主要原因。为此，华北石油局的施工队伍对鄂尔多斯工区的钻具失效难题进行了探索研究。由于断裂、刺穿失效属于应力集
7、中导致疲劳和腐蚀疲劳失效，华北石油局采用了不同螺纹脂、降低螺纹尾端螺纹牙高度、开应力减轻槽及螺纹表面处理等措施。介质中的腐蚀成分对疲劳及腐蚀疲劳有很大的催化及参与作用，为此，他们根据介质中的腐蚀成分，提出了预防化学腐蚀的多种具体措施。 钻具失效是一系列复杂作用力的结果，科学的管理和合理使用钻具，是提高钻具效率、减少钻具失效的重要措施。因此，他们在钻具下部增加减震器装置，减轻钻具应力集中造成的疲劳失效；通过使用具有快速钻进性能的PDC钻头，有效减轻了钻具负荷，PDC钻头的快速钻进，也使钻井液浸泡井壁的时间缩短，井径扩大率降低，进一步减轻了钻具阻力，减少了硫化氢对钻具腐蚀的机会；加密对钻具的探伤，
8、钻具使用两口井进行一次全面“体检”，并按照钻井规程，及时对钻具上下部分进行倒换，避免下部钻具长期处于负重状态；在钻进过程中，做到均匀送钻，控制转盘转速，防止钻具产生共振；对钻具采取及时的补救措施，钻具使用两口井，在易损的接头部位铺焊一层耐磨环，增加钻具强度，寿命延长。 通过以上措施，华北石油局2006年在鄂尔多斯工区的钻具早期失效现象大幅减少，在部分井队得到了根本性控制，不仅降低了钻井企业的钻井成本，也在一定程度上保证了大牛地气田的开发效益。失效原因与预防 导致钻具断裂的主要原因是疲劳，也有一定数量的脆性断裂。疲劳断裂的原因，一是钻具使用时间久，达到正常使用寿命；二是井下载荷复杂，钻具受力苛刻
9、，导致钻具发生早期疲劳失效。脆性断裂与材料、质量、环境和使用方法有极大关系。 在钻具的疲劳失效中，钻铤失效尤为突出。1992年全国钻具失效总况的统计表明，钻铤的失效次数大致占钻具总失效事故的48.7%。中国石化华北石油局也不例外，鄂尔多斯盆地2002年2005年钻铤失效达78起。研究表明，为了减少钻具振动带来的钻具疲劳失效，可以从以下三方面做起：一是根据地层特点，选用合适的钻头；二是优化钻井参数，控制转盘转速，避免发生共振；三是研究井径与振动关系，减小钻具振动。 对于钻具的刺穿失效分析，原因很多，失效机理复杂，比如钻杆加厚过渡区间的截面突变，引起应力集中，导致钻杆产生微裂纹，带有腐蚀性的高压钻
10、井液侵入微裂纹引起钻具腐蚀疲劳；钻井液中的硫化氢、二氧化碳、溶解氧对钻杆的腐蚀损伤造成壁厚减薄，也会引起腐蚀疲劳失效；带有固体颗粒的钻井液高速流经突变截面的过渡区间，对截面产生冲击和摩擦。 钻具的腐蚀失效原因与钻井液中的腐蚀源有直接关系，其主要危害是硫化氢。保持较高的酸碱值以中和硫化氢浓度，对于控制腐蚀速率很重要，它能阻止来自地层、钻井液处理剂、热降解等的硫化氢侵入钻井液系统；加入碳酸铜、碱式碳酸锌、海绵铁等也可迅速降低硫化氢含量；地面脱气处理也是消除硫化氢的有效办法。下列为各个钻具的损坏图表图1-1图1-2图1-3图1-41.钻具断落事故的原因钻具断落是钻井过程中经常碰到的事故。有的情况比较
11、简单，处理起来 比较容易，往往会一次成功。 有的处理起来就比较麻烦，因为钻具断落之后，往往伴随着卡钻事故的发生。 如果处理不慎，还会带来新的事故。 如果造成 事故摞事故的局面，那就很难收拾了。 因此，我们必须慎重地对待这个问题。造成钻具断落事故的原因不外乎疲劳破坏、腐蚀破坏、机械破坏及事故破 坏，但它们之间不是独立存在的，往往是互相关联互相促进的，但就某一具体事故来说，可能是一种或一种以上的原因造成的。1.1疲劳破坏的原因 这是钢材破坏的最基本最主要的形式。金属在足够大的交变应力作用下，会在局部区域产生热能，使金属结构的聚合力降低，形成微观裂纹，这些微 裂纹又沿着晶体平面滑动发展，逐渐连通成可
12、见的裂纹。一般来说，裂纹的方向与应力的方向垂直，故钻具疲劳破坏的断面是沿圆周方向的。形成疲劳破 坏的原因有以下几种。钻具在长期工作中承受拉伸、压缩、弯曲、扭切等复杂应力，而且在某些 区域还产生频繁的交变应力，如正常钻进中中和点附近的钻具、处理卡钻事故时的自由段钻具以及在弯曲井眼中运转的钻具，当这种应力达到足够的强度 和足够的交变次数时，便产生疲劳破坏。 临界转速引起的振动破坏。 钻柱旋转速度达到临界转速时，会使钻具 产生振动，有纵向振动和横向摆动两种形式，同时在一定的井深这两种形式的 振动还会重合在一起，这种振动会使钻具承受交变应力，促使钻具过早地疲劳。 钻进时的跳钻、别钻，即使钻具产生纵向振
13、动，又使钻具产生横向振动， 对受压部分的钻具破坏极为严重，所以在砾石层中钻进，最容易发生钻铤事故。 钻具在弯曲的井眼中转动，必然以自身的轴线为中心进行旋转，这部分钻杆靠井壁的一边受压力，离井壁的一边受拉力，每旋转一圈，拉压应力交变 一次，如此形成频繁的交变应力，促使钻具早期破坏。天车、转盘、井口不在一条中心上，转盘本身形成了一个拐点，井口附近的钻具就好像在弯曲井眼中转动一样，产生了交变应力。将弯钻杆接入钻柱中间，弯钻杆本身与与其上下相连接的钻杆都要产生弯曲应力。如这段钻具和狗腿井段相遇时，所产生的交变应力将是相当大的。1.2腐蚀破坏的原因 钻具在恶劣的环境中储存或工作，都会产生腐蚀，这是钻具提
14、前损坏的普 遍原因。 有时几种腐蚀会同时发生，但是总是以某一种腐蚀形式为主要破坏 原因。 由于腐蚀使管壁变薄，表面产生凹痕，甚至使钢材变质，降低了钢材的 使用价值和使用寿命。 造成钢材腐蚀的因素有以下几种1、 氧气的腐蚀 氧气可以说是无处不在，它存在于空气中，也存在于水中和钻井液中，钻具无论存放或使用，都要接触氧气，它是最常见的腐蚀剂。即使在其浓度低于百万分之一的情况下，就能产生严重的腐蚀。如果水中含有二氧化碳或硫化氢时，其腐蚀性急剧增加。这就是经常可以看到的铁锈。氧的浓度越大，反应越快，腐蚀就越严重。氧的腐蚀首先是坑蚀，然后由点到面发展，覆盖整个钻具表面。2、 二氧化碳的腐蚀 二氧化碳可能由
15、地层产生，也可能由钻井液处理剂的分解而产生。二氧化碳与水反应形成一种弱酸即碳酸，也会在钻具表面造成蚀疤。 3、硫化氢的腐蚀 硫化氢主要由地层产生，但也可以由含硫有机处理剂的热分解而产生。 硫化氢溶解于水形成一种弱酸，对钻具有腐蚀作用。 但它的主要作用不在于 腐蚀，而在于使钢材发生氢脆破坏。 氢原子有个特性，在有硫化物的环境中以 原子形式存在，在其他的环境中以分子形式存在。 氢原子是所有原子中最小 的原子，它能渗入钢材或其他金属材料并扩散到材料内部。（如图2-1）图2-1 而且最容易集中到 材料受力最大的区域，但当氢原子脱离了硫化物的环境后，很快结合成氢分 子，氢分子的体积要比氢原子大许多倍，它能破坏钢材的组织结构，降低钢材 的韧性，产生各种微小的裂纹。 氢原子又继续聚积到裂纹尖端并使裂纹发展，直至钢材不能承受外界负荷时，会突然发生断裂，这种现象称
