钻具断落事故的预防与处理

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1、钻具断落事故的预防 与处理孟繁强目 录一、钻具事故发生的起因 二、钻具事故的预防措施 三、钻具的维护与管理 四、打捞断落钻具的工具 五、钻具断落事故实例分析钻具断落事故的预防与处理钻具断落是钻井过程中经常碰到的 事故。有的情况比较简单，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。钻具事故发生的起因 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

2、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。钻具事故发生的起因一、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

3、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。钻具事故发生的起因 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。 各种钢质钻 杆的临界转速及两种振动重合时的井深列 于下表 作为参考。钻具事故发生的起因 钻具事故发生的起因 钢质钻杆的临界转速及两种振动重合时的井深钻进时的跳钻、别钻，即使钻具产生纵 向振动，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

4、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 。钻具事故发生的起因 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。钻具事故发生的起因 二、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

5、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。钻具事故发生的起因 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。 在很低的浓 度%低于百万分之一。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。 氧的腐蚀机理可写 成：钻具事故发生的起因 由以上反应式可以看出，铁在阳极释放电子 ，生成二价铁离子，氧在阴

6、极 接受电子与水反应 生成氢氧离子，以后二价铁离子被氧化成三价铁 离子%即又 被氧夺去一个电子。与氢氧离子反应 生成氢氧化铁，从溶液中沉淀出来。钻具事故发生的起因 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 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。 它的 反应式 如下 ：钻具事故发生的起因 如果钻井液中或水中溶有重碳酸盐， 在较低的PH 值下，碳酸氢根与氢离 子结合也可生成碳酸。 它的反应式如 下：如果

7、溶液的PH 值较高，没有过多 的氢离子参与碳酸氢根的反应，则 不会 生成碳酸，腐蚀性就会降低。钻具事故发生的起因 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。钻具事故发生的起因 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

8、 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，这种现象称为脆化。 对 氢脆的敏感性由下列因素决定。钻具事故发生的起因 钢材的屈服强度 屈服强度低于630Mpa 的普通碳素钢一般不会发生氢脆断裂。强 度越高。产生破坏的时间越短$ 钢材的硬度 合金钢的硬度大于 RC22 时容易遭到破坏 $ 硫化氢的浓度 硫化氢浓度越高。氢脆破坏的时间越短$钻具事故发生的起因 溶液的PH 值 随着PH 值的降低。氢脆断裂的趋势增长 。如果 PH 值维持在 9

9、.0以上，则氢脆破坏 可显著减少。 温度 温度超过83 ，氢脆断裂的敏感 性降低。 应力 外载施于钢材的应力越大，氢脆 断裂的时间越短。钻具事故发生的起因 4、溶解盐类的腐蚀氯化物、碳酸盐、硫酸盐都对钢材 有腐蚀作用，它们的腐蚀过程都有显 著地电化学作用，由于它增强了钻井 液的导电性，促使其他形式的腐蚀作 用增 强$ 溶解盐类的腐蚀有如下规律 ：钻具事故发生的起因 与钻井液的PH 值有关，PH值越低，腐蚀作用 越强； 与温度有关，温度越高，分子活动能力越强 。腐蚀速度加快； 与溶解盐浓度有关，溶解盐浓度越大，腐蚀 速度越快； 与钻井液的流速有关，流速越大，腐蚀越快 。 所以钻具内壁的腐蚀要比

10、外壁的腐蚀快，而这 一点往往是人们注意不到的。钻具事故发生的起因 5、各种酸类的腐蚀酸类的腐蚀作用 是 由 于 它 降 低 了 钻 井 液 的 PH 值 和 损 害 了 管 材 的 保 护 膜，同时也加强了钻井液的导电性，使电 化学腐蚀作用增强，并且还会产生氢 原子 ，如果有硫化物同时存在的话，就会产生 氢脆作用。 溶解于钻井液中的氧 气，也会 显著的加强酸类的腐蚀作用。钻具事故发生的起因 6、电化学腐蚀 钻具在钻井液中类似于电极在电解液 中，也可以产生导电反应，不同金属之间 ，不同的钢材化学成分之间，就会产生导 电现象。 如铜和钢连在一起放入水中，则 铜为阴极，钢为阳极产生电流，钢被腐蚀 ；

11、但钢与易反应的金属如铝和 镁等连在一 起放入水中，则钢为阴极，铝镁成为阳极 产生电流，铝镁被腐蚀，而 钢得到了保护 。 新钻杆与旧钻杆连接在一起。钻具事故发生的起因 则新钻杆起阳极作用，旧钻杆起 阴极 作用，新钻杆先被腐蚀。 钻具的氧化皮与 钢材本身之间的差异，也会产生 电流，使 钢本身进一步遭到腐蚀。 受应力的金属相 对于不受应力的金属呈负 电位，也可形成 电池效应。 当电流流过钢材时，会带走微 量的金属分子，并沉 积于电流的另一端， 这样就会形成疤痕，引起应力集中或造成 疲劳破坏。钻具事故发生的起因 三、机械破坏的原因钻具制造中形成的缺陷，如：轧制 过程形成的夹层，调制过程发生结晶 组织

12、变化，公母接头连接螺纹的强度配比不合 理，不是母强公弱，就是公强母 弱；钻杆 加厚过渡带几何形状设计不合理，因为这 里是最容易造成应力集中的 地方；钻铤公 螺纹未车应力减轻槽。 这些先天不足，往 往会导致 钻 具 早 期 损 坏。钻具事故发生的起因 钻具在长期使用中的腐蚀与磨损，使某 些区域管壁变薄或存在微细裂 纹。强度大 为减弱，在外力的作用下，钻杆最容易从 最薄弱的地方被拉断或扭 断。 处理卡钻事故时，不恰当地用大力活动 ，当应力超过其屈服极限时。就 产生变形 。把钻杆拉细拉长， 当应力超过其强度极 限时。就会把钻杆拉断。钻具事故发生的起因 在搬运或使用过程中造成了外伤， 如卡瓦牙痕，井下

13、落物（钻头牙齿、钳 牙 ）卡瓦牙造成的横向刻痕，以及撞伤、砸 伤等，这些外伤往往成 为 应 力 集 中 点。 由此而向外扩展。 而且各种腐蚀也容易从 这里开始。造成钻 具 的 局 部 损 坏。钻具事故发生的起因 上扣不紧，不按规定扭矩上扣，接头台 肩未靠紧，一方面台肩失去密封 作用。螺 纹容易被钻井液刺坏。另一方面，由于失 去台肩的支撑力，公母螺纹产 生频繁地交 变应力，会使螺纹疲劳折断。 钻进时加压过大，或发生连续别钻，或 在遇阻遇卡时强扭，把钻杆母螺 纹胀大、 胀裂，造成钻具脱落。钻具事故发生的起因 对各种连接螺纹特别是配合接头的连接 螺纹长期使用而不定期卸开检 查，以致螺 纹磨损造成钻具

14、脱落。 要知道，连接着的 螺纹也经常 处 于 变 化 之 中，不可不查。 在接头或钻杆加厚部分的内径突变处， 流动的钻井液形成涡流，冲蚀管 壁。甚至 会把管壁刺穿，降低了钻杆的抗拉抗扭强 度，钻具事故发生的起因 将连接螺纹的规范搞错，把尺寸相近而 又不是同一规范的公母螺纹连 接在一起， 因为它们咬合不紧，在运转过程中容易磨 损而造成钻具脱落， 中途测试挤坏钻杆， 为了进行地层测 试，测试工具要用钻杆连接下到 测试层位 ，在测试阀打开之前，钻杆内是空的，底 部钻杆处于钻井液的静压下， 如超过了钻 杆的抗挤强度，就会把钻杆挤坏。 下面把 各种钻杆的最小抗挤压 力列于 表钻具事故发生的起因 新钻杆和

15、一级钻杆的最小抗挤压力（Mpa）二、三级钻杆最小抗挤压力 单位：Mpa四、事故破坏的原因 把不同钢级、不同壁厚、不同等级的钻杆混 同使用，强度最弱的钻杆总 是首先遭到破坏的。顿钻造成钻具折断。 如因顶天车、刹车失灵 、井口工具失效、单吊环提 钻、井口上部钻具倒 扣、都有可能把钻具顿入井中，这种事故是非常 恶性的事 故，它有可能把钻具顿弯，有可能把钻 头顿掉，也有可能把钻具顿成几截，处理 起来是 比较困难的。钻具事故发生的起因 事故倒扣。 在处理卡钻事故中，为了 套铣或侧钻，不得不将一部分钻具 倒入井 中。 过失倒扣。 由于操作者的失误，在下 列三种情况下有可能将钻具倒入 井中：（a ）在下反扣

16、工具的过程中，甩转盘正转的 办法给反螺纹钻杆上扣，把转 盘以下的反 螺纹钻具倒入井中 ；钻具事故发生的起因 （b）在钻进或划眼时，钻头遇阻遇卡，上面的 钻具继续旋转，储存了很大的能量，一旦摘开转 盘离合器而不加控制，整个钻 柱要飞速地倒转， 在惯性力的作用下，把下部钻具倒开，在这种时 候，越是靠近 钻头的地方，所受的反扭矩的冲击 力越大，所以最容易把钻头倒掉；（c）在钻进 或 划眼时，钻头遇阻遇卡，上面的钻具继续旋转， 储存了很大能量，一旦阻力被 克服，整个钻柱要 飞速正转，但转盘的转速不可能与钻柱的转速同 步，反而起 到了制动作用，在惯性力的作用下， 把上部的钻具倒开。钻具事故发生的起因 钻具事故的预防措施一、钻具事故的具体特征 1、钻具的疲劳破坏 大量资料表明，疲劳 破坏是钻具破坏的最常见形式，也是发生 钻具事故的最重要原因。钻具疲劳破坏一 般包括纯疲劳破坏、伤痕疲劳破坏、腐蚀 疲劳破 坏三种基本类型。钻具事故的预防措施钻杆的疲劳破坏 在钻井施工中，钻杆承受拉伸、压缩、扭 转与弯曲的高