石油钻杆介绍讲解

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1、石油钻杆 制作： 2009年2月1日 主要内容 一.钻杆的组成和规格 二.钻杆的制造工艺 三.钻杆的质量控制及检验 四.BHNK钻杆新产品新技术 五.钻杆的失效类型、原因和预防措施 一.钻杆的组成及规格 1.钻杆的用途 (1)向下部钻具传递驱动扭矩。 (2)传输钻井液。 (3)处理井下事故时悬挂工具。 2.在钻柱中的位置 顶驱钻井时不使用 方钻杆 3.钻杆组成 4.钻杆规格 (1)按钢级分:(最小屈服强度KSi) E75 75 X95 95 G105 105 S135 135 V150 150（API标准中没有，厂家开发） (2)按管端加厚形式分: (3)API钻杆尺寸（管体外径） 2-3/8

2、”、 2-7/8”、 3-1/2”、 4”、 4-1/2”、 5”、 5-1/2”、 6-5/8” 有些用户要求生产非API标准的5-7/8”钻杆。 国内用户定货一般使用米制单位书写钻杆规格 API钻杆规定了3个长度级别 1级 18-22FT 2级 27-30FT 3级 38-45FT 我国油田使用2级长度钻杆 API钻杆同一尺寸还规定了不同的公称重量，壁 厚是不同的，通过接头刻槽来标识。 (4)API钻杆接头尺寸 API要求钻杆接头抗扭强度与管体抗扭强度比不能低于0.8， 接头钢级为120KSi，所以不同钢级和尺寸钻杆所配接头尺寸 不同。 二.钻杆制造工艺 轧管和管端加厚 钻杆接头制造 钻杆

3、摩擦压接过程 三.钻杆质量控制及检验 1.质量控制 (1)API对钻杆钢材的化学成分没有做明确的规定,只是对硫(S)和磷(P)含量 规定不能大于0.030%，其他元素由钢厂决定，炼钢水平、工艺控制和元素配 比直接影响到钢的纯净度和钢的淬透性，最终影响钻杆的综合性能。 (2)管体的轧管、管端加厚和接头的机械加工（主要是螺纹加工）工艺、设 备和质量控制水平决定钻杆的几何尺寸。 (3)管体轧管和管端加厚过程中的加热控制、管体整体热处理、接头热处理 和焊缝热处理控制水平直接影响钻杆成品的综合机械性能，比如冲击韧性、 硬度分布和抗疲劳性能。 (4)管端加厚内过渡带成型控制水平是影响钻杆管体疲劳刺穿的主要

4、因素。 2.BHNK钻杆生产的质量控制 BHNK钻杆生产设备和技术是在1995年从有30多年钻杆生产经验的 日本NKK(现JFE钢铁株式会社)引进的，在世界属于一流。管体全部 从NKK采购，接头大部分采购日本大同特钢和理研锻造公司通过精密 模锻工艺制造的毛坯，在公司生产过程中严格控制各种工艺参数， 保证产品质量。 关键工序质量控制简介： （1）接头热处理 钻杆接头热处理：采用可控气氛保护辊底炉进行，根据工件尺寸 制定热处理制度，自动控制炉膛温度、滞炉时间、淬火回火时间， 保证工件批量性能均匀，不脱、渗碳，变形小。 自动布式硬度机100%检查硬度，电脑自动判定，避免了人为误差 接头热处理炉 (2

5、)接头螺纹加工：使用日立精机生产的钻杆接头专用数控机床，双刀 架加工，生产效率高，使用日本东芝成型刀片，保证螺纹单项参数稳 定。 100%基准距检查，10%螺距、锥 度、牙高检查，保证产品螺纹连接的 互换性和可靠性。 (3)摩擦压接：连续推进式摩擦压接机， 自动记忆压接参数，经多次优化的压接工艺 参数，保证了焊缝熔接质量。 (4)焊区热处理：使用中频线圈加热，采用NKK独创的焊区热处理窄化技术 ，减小热影响宽度，保证了每一道焊缝的质量。 自动控制升温、加热时间、风冷时 间，自动控制温度，保证了焊区机械 性能和金相组织的稳定。 (5)焊区无损检测：100%进行磁粉和超声波检测，全自动超声波探伤仪

6、 具有自动判定和报警功能，保证不放过一个超标缺陷。 (6)检验和试验制度 公司根据产品特点，制定了如下制度： （1）对采购的原材料进行按比例抽检，项目包括外观尺寸、探伤检查、 化学元素、机械性能、金相组织以及特殊要求的性能指标。 （2）对岗位实行巡检制度，按5%的比例进行抽检，发现不合格立即纠 正。 （3）接头、焊区严格按标准要求的频次进行破坏性试验，定期统计、分 析试验数据，评价产品质量稳定性。 （4）对检测设备和计量仪器定期校准。 3.钻杆检验 (1)管体部分 BHNK与原管厂家签定供货技术协议,规定各钢级和各种尺寸管体 的化学成分、尺寸公差、机械性能指标、非金属夹杂物指标、无损 检测要求

7、以及产品标识，在到货后进行按比例抽检。 A.化学成分、非金属夹杂物、机械性能执行定期抽检，不进行每批 抽检。 B.几何尺寸每批按10%抽检。 C.无损检测按每批5%抽检。 API SPEC 5D重点检测方法介绍： 重量验证 用电子称称量与管体所喷重量对比。 标准规定重量上限 通过公式计算整批和单根重量 WL=（WpeXL）Xew 壁厚：用超声波测厚仪测量，每根管子多测几点，尤其打磨凹坑 部位，不能低于壁厚的87.5%。 API标准用壁厚下限和重量上限来约束轧管水平。 直径：用外径游标卡尺测量。 偏心：用鞍型规测量，要测量180度方向的最大值，不能大于2.36 。 直度:用拉钢丝的方法在加厚以外

8、部分找最大炫高，不能大于0.2%， 管端5FT范围内不能大于0.125in，一般用5FT的钢板尺测量。 管端尺寸用游标卡尺和钢板尺测量，最难测量的是内过渡带消失（ Miu）尺寸，用轮廓仪划曲线的方法测量，但也不够准确，尤其要求的 R300mm，目前没有好的方法测量。 无损检测：标准规定使用几种能够检测缺陷的方法，主要是在生产 过程中使用自动探伤设备检测，到货抽检人工超声波探伤，用N5刻槽校 对仪器，纵向缺陷比较容易发现，横向缺陷工作量太大。 (2)接头部分 接头毛坯日本厂家采用精密模锻制造，国内厂家采用冲压方法制造 ，相比之下精锻的方法毛坯金属流线分布合理，提高了接头的抗疲劳性 能。国产接头毛

9、坯质量已经过关，并且产量很大，有很大的出口量。 接头机械性能：通过选用优质的原材料，经过适合的热处理（淬火+ 回火及调制处理）保证。 APISPEC 7中只规定了拉伸性能和硬度检查要求，国内标准增加了 冲击韧性指标，并且开始对母接头的横向冲击功进行要求。 钻杆接头取样和试验位置图 几何尺寸：在API SPEC 7标准表-7中，对各种规格接头尺寸做了规 定，并且规定了公差，在机械加工过程中，比较容易保证。表中的大钳 区长度是标准的，用户定货时为了接头修扣，一般进行加长要求，最多 的要求加长7”。 标准中母接头内径尺寸由生产厂选定。 接头螺纹尺寸和形式在标准中有明确的规定，见表-25 表-26 螺

10、纹形式有：内平（IF） 贯眼（FH） 正规（REG） 数字（NC） 螺纹形式不同，牙形和尺寸不同，其中部分IF 与NC可以等效连接 。 在螺纹加工中重点控制的三项参数是： 螺距 锥度 紧密距 螺距测量方法： PIN BOX 锥度测量方法： PIN BOX 量规量值传递 紧密距测量：把校对合格的工作 量规用适当的扭矩旋合在产品螺纹上 ，测量量规测量面与产品密封面之间 的距离，要求测量180度方向两点， 测量值小于下限时，可以车密封面， 大于上限值时，重新加工螺纹。 标准规定：测量紧密矩应该在螺 纹加工后没有进行涂层处理前进行， 由于镀铜或磷化引起的紧密矩变化不 能作为拒收的理由。 量规量值传递系

11、统要求是非常严格 的。 （3）压接部：在API SPEC 7 -39版以前，对压接部没有要求，40版 开始做出要求，厂家对摩擦压接作为特殊过程进行控制。 A.对工艺进行评定、对人员资格进行鉴定、对过程参数进行监控。 B.对压接部力学性能、弯曲试验、冲击韧性、硬度上限进行规定。 C.对压接部无损检测方法进行规定。 拉伸试样 冲击试验 硬度试验（ HRC） 压接部尺寸重点控制是外径尺寸，不能超过尺寸上限，因为母扣端 要在起下钻时与吊卡配合，不规则容易造成吊卡打开困难。 对焊同轴度也是一项重点控制指标，不大于3.18mm。 四.BHNK钻杆新产品新技术 1. 5”内平外加厚钻杆 此新产品是2006年

12、公司与塔里木油田、西南石油学院共同合作 开发的高性能钻杆，主要特点是: (1）改变过渡带形状，减小应力集中，降低过渡带处的疲劳失效 事故。 （2）增大接头水眼和加厚区尺寸，降低泥浆水马力损失，提高循环 效率。 （3）接头和管体采用特殊材料，增加了钻杆的综合机械性能。 本批638支钻杆在塔里木油田轮南632井（完井深度6400m）和大北 3井（完井深度7090m）完成了井上试验，使用效果很好，满足了设 计和使用要求，今后将大面积推广。 产品设计方案经过多次优化，最终方案如下图： API标准加厚过渡带Von Mises等效应力分布 新型内外加厚过渡带Von Mises等效应力分布 水力损失对比 流

13、速变化对比 产品尺寸对比表： 单位：mm 规格接头压接部管体 外径公扣内径母扣内径焊径外径外径内径外径内径 5”内平外加厚171.588.9101.6136136100127108 5”普通S135168.369.988.9130.2130.294.7127108.6 产品机械性能对比表 规格接头压接部管体 抗拉强度屈服强度冲击功单件冲击功平均冲击功 MpaMpa JJ J 5”内平外加厚 1000931-1138458090 5”普通S135965827203847 与普通5” S135钻杆对比 2.高抗扭双台肩接头(DSTJ) DSTJ系列产品（NC26-NC50和5-1/2FH）是公司

14、的成熟技术，已经生产销售了很多批。 1)选用双台肩接头的原因 API标准接头外径和螺纹形式一定的情况下， 母接头的抗扭强度不变，公接头的抗扭强度随着 水眼尺寸的增大而减小，在钻杆强度设计中要求 接头与管体的抗扭强度比大于0.8，为满足这一要 求,钢级高的钻杆,接头水眼尺寸设计就小,最终造 成钻井过程中的水马力损失增大,影响泥浆循环。 双台肩接头可以很好地解决这一矛盾。 2)提高抗扭强度的原理 DSTJ接头在公母扣螺纹端部各增加一个台 肩,两个台肩的距离公差控制在0.05mm内，在 旋合后内台肩有一定间隙,当达到上扣扭矩时,内 台肩接触顶住，由此改变接头螺纹区的应力分布 形式，从而增大接头的抗扭

15、强度。 3)DSTJ接头的优点 （1）接头水眼可以适当增大，也能保证与管 体强度匹配，例如5”S135钻杆接头水眼可以由2 -3/4”增大到3-1/4”。 （2）可有效防止母扣胀扣事故。 （3）在酸性井况可以保护接头螺纹不受腐蚀 。 （4）由于尺寸设计合理，可与API普通螺纹互 换。 与API接头互换 3.抗硫钻杆 1)开发背景： 在国内含硫油气井开发过程中主要使用低钢级钻杆，采用控 制泥浆PH大于10、加除硫剂、使用油基泥浆的做法来保证钻井 安全，存在很大风险。用户开始提出抗硫钻杆的需求，并且随 着井深的增加，C95SS抗硫钻杆不能满足使用要求，公司从2003 年开始研制开发C105SS抗硫

16、钻杆，经过多次的材料和工艺试验 ，2007年已经开始批量生产。 2)产品要求： 抗硫钻杆比普通钻杆有了更高的要求： （1）严格控制化学成分：降低S、P含量，提高Cr、Mo等合金元素的 含量。 （2）严格控制接头、管体和焊区的机械性能、硬度、金相组织指标 。 （3）NACE（A）试验加载比例更高。 3)抗SSC试验 根据NACE TM0177-2000标准的A法，试样在按要求加载后在 饱和硫化氢的环境中720小时不断裂。 抗硫试验报告 4、符合NS-1标准钻杆 辽河油田与壳牌公司合作开发的苏里格气田项目，需要满足NS-1标 准要求的钻杆，公司通过选用特殊材料和应用新技术（螺纹冷辊压和上 卸扣）满足了用户要求。 冷辊压为消除螺 纹根部的机加工残 余应力；上卸扣为 减少新螺纹井上联 接的磨扣工作,同 时起到检查螺纹的 作用。 5.BHNK钻杆研发方向 1)更高钢级的抗硫钻杆 目前开发含硫井的深度在不断增加，C105SS钢级钻杆不能满足要求 ，现在已经开始进行C12