（机械工程专业论文）提高钻铤低温冲击性能的热处理工艺方法研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 提高钻铤低温冲击性能的热处理工艺方法研究 机械工程 贾永红( 签名) 彭海( 签名) 孙晓明( 签名) 摘要 石油钻铤是石油钻探过程中的重要工具。石油钻铤处在钻柱组合的最下部，位于钻 杆与钻头之间，是钻柱下部钻具组合的重要组成部分，受力情况极为复杂，其性能的好 坏直接影响到钻井工作的进行。随着钻井深度的增加及钻井环境的恶劣，使得采油环境 日益恶化，同时伴随着钻井技术的不断提高，对钻具的使用要求也不断提高，使得钻铤 必须不断提高性能以满足目前的钻井要求。本文针对钻铤工作状况的特点，分析了钻挺 的受力状况及钻挺的失效类型，并确定出影响钻铤性能的关键因素。根据钻挺冲击功性 能的要求，对钻挺原材料的冶炼工艺进行了优化处理，并取得了较好的优化效果。结合 实际情况，通过研究钻铤的热处理工艺设备和工艺方法，针对如何改善提高钻铤的低温 冲击韧性，对钻铤的热处理工艺设备和工艺方法进行改进，使石油钻铤满足了用户的订 货技术要求及当前开采环境的要求，填补了国产钻铤在低温条件不能实现较高的冲击性 能的空白，缩小了与国外钻铤产品的差距。 关键词：石油钻铤低温冲击功钻铤材料钻挺热处理工艺 论文类型：应用基础 s u b j e c t ： i m p r 0 v et h ed l lc o u a rl o w t e m p e r a t u ni m p a c tp e r f o m a n c e p r o c e s sm e t h o d r e s e a r c h s p e c i a l i 锣： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： j i ay - 0 n g h o n g i n s t r u c t o r ： p e n gh a i s u n ) ( i a o m i n g a b s t l a c t 0 i l “l lc o l l a ri sa i li l l l p o n a l l tt o o l i no i l “l l i n g ，d r i l lc o l l a r st h em o s tl o w e ri n 嘶l l s t r i n g ，l o c a t e di nt 1 1 ed r i l lp i p ea j l dd r i l l ，i sb e t w e e nt l l em a i nc o m p o n e n to fd o w n h o l ea s s e m b l v w i t l lt h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u ss h o r t a g eo fp e t r o l e 啪p r o d u c t i o ne n v i r o 胁e n t ，w o r s e l l i n gm u c o l l a r sm u s t l m p r o v ep e r f b m a l l c et om e e tc u n e n td r i l l i n gr e q u i r e m e n t s a i m i n ga tt l l e c h a r a c t e r i s t i c so fd r i l lc o l l a rj o b ，f i n do u tm e q u a l i 够o fi n n u e n c ed m lc o l l a r sk e yf a c t o r s ，a n d c o 皿e c t m g 、v i t l lt 1 1 ep r a c t i c e ，t h r o u g ht h er e s e a r c hd r i uc 0 1 l a r sh e a tt r e 纳m e n t p r o c e s s e q u l p m e n ta i l dp r o c e s sm e m o d s ，a n dd r i l lc o l l a r sh e a tt r e a t m e mp r o c e s se q u i p m e n ta 1 1 d p r o c e s sl m p m v e m e n t ，m a k eo u rc o m p a n yp r o d u c e st l l e p e t r o l e u md r i l lc o l l a r sc u r r e n t l y m i n j n gt oe n v i r o m n e n t a lr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ： d r i uc o a r sh e a tt r e a t m e n te q u i p m e td r i uc o l l a r sh e a tt r e a t m e n t p r o c e s s p e t m l e u md r i l lc o u a r s t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着我国经济的改革和发展，我国原有的经济结构和社会生活发生了深刻的变化， 能源进出口状况也发生了很大的改变。从1 9 9 3 年起，我国从单一的石油及其制品输出国， 改变成石油制品进口国，开始进口石油制品：从1 9 9 6 年起，从单一的石油出口国变成了 石油进口国。据预测，到2 0 2 0 年，石油的对外依赖度将有可能接近6 0 。在中国，石油 安全问题已经引起高度关注，正在实施国际上采取的几乎所有对策，来保障石油安全。 包括：加强国内油气资源勘探开发；提高开采、加工和利用效率；加速油气行业市场化 改革；进口来源多元化；参与国外油气资源勘探开发；发展合成液体燃料和替代燃料汽 车；建立战略石油储备。 随着全球性石油短缺的日益严重，采油环境日益恶化。从目前石油开采的现状来看， 地表浅层的矿产资源都已经探明或正在开采，今后石油钻探无疑将向更深、更复杂地层 和区域拓展，如深海、极地等。同时如海洋钻井、高速钻井、大位移钻井、定向钻井、 水平钻井等勘探开采技术不断发展，钻具必须提高性能以满足目前的钻井要求。钻铤( d r i u c o l l 神是钻柱的重要组成部分之一。钻铤处在钻柱的最下部，位于钻杆与钻头之间，是 下部钻具组合的主要组成部分。钻铤在工作中的受力状态非常复杂，在复杂载荷作用下， 钻铤失效时有发生。据对国内对各油田钻具失效的调查，钻铤占钻具失效事故的5 1 1 因此，研究如何提高钻铤性能，防止失效事故的发生是非常重要的，也是非常必要的。 本课题所研究的钻铤冲击功是钻铤性能中非常重要的参数之一，是钻铤韧性指标的综合 体现，通过热处理工艺的研究可有效提高钻铤的冲击功。 1 1 1 课题来源 塔里木油田钻具使用环境的主要特点是：地质条件复杂，钻井过程中井下蹩跳钻严 重，上部井眼井身质量难以控制，固井质量难以保证，井下的各种复杂工况交织在一起， 导致钻具的使用环境非常恶劣。具体体现如下：( 1 ) 井深、钻井周期长，油气藏大多分 布于4 0 0 0 6 0 0 0 米深处，井深平均在5 2 0 0 米以上，甚至深达7 0 0 0 米，最深达到8 0 0 0 米以上。( 2 ) 山前井软硬变化快，软硬交错频繁，地层各向异性，倾角大，防斜与提高 钻速之间存在难以调和的矛盾。( 3 ) 山前井上部井眼井身质量差，狗腿度大。钻柱侧向 力和铁矿粉对钻具和套管的磨损效应常常导致钻具和套管报废。( 4 ) 山前构造带地层夹 层多、断层分布广、有巨厚的砾石层，井下蹩、跳钻严重，恶化了钻具的受力状况，在 钻进过程中经常发生蹩停转盘的情况。( 5 ) 井壁稳定问题突出，特别是山前高陡构造破 碎性地层和新区沙岩地层的垮塌缺乏有效解决办法。( 6 ) 大钻压、高转速的大尺寸p d c 钻头钻进的井段长，钻具在高负荷状态下持续作业时间长。( 7 ) 山前冬季气温低，有时 西安石油大学硕士学位论文 温度低于3 0 ，对钻具材料的低温冲击性能提出了较高要求。( 8 ) 高压盐水层和盐膏层 分布广泛，有些地区地质环境中有h 2 s 、c 0 2 ，盐水泥浆和地层水均为强酸环境，腐蚀性 强。( 9 ) 山前井大都井眼不畅通，起下钻阻卡严重，使钻具、工具承受较高的应力变化 幅度。( 1 0 ) 5 ”钻杆内水眼水力损失大，限制了在深部井段或重泥桨时井底动力钻具的使 用。 近年来随着塔里木油田山前井的增多，使得钻具的使用环境越来越恶劣：近年来部分 山前井受地质条件限制，大尺寸井段不得不加深，1 6 ”( 1 71 2 ”) 井段达3 0 0 0 米以上， 主要使用的p d c 钻头，山前井的井下工况本就非常复杂，再加上如此强化的钻井参数， 钻具在井下的受力状况已超出其本身的承受极限，多次发生断裂失效事故。 塔里木油田开发井大都采用水平井，在水平井钻井过程中，特别是在造斜段和水平 段钻具受力复杂，对于钻具质量要求高，如果在水平段出现钻具事故，打捞困难，严重 的会导致整井报废，损失巨大。 旋转地质导向钻井增加了储层的钻遇率，也加大了钻井风险，如果出现钻具事故， 造成的损失可能会导致整个区块报废。 现在山前钻井普遍采用的防斜打快技术以及钻井提速采用的井底动力钻具，对钻具 质量提出了特殊要求，需要钻具具有更高的抗拉、抗扭强度、冲击韧性，较高的排量和 较小的水马力损耗。 2 0 1 0 年，山西风雷钻具公司在塔里木油田接到一批钻铤订单，其中对冲击功有特 殊要求：( 1 ) 夏比冲击功7 0 j ；( 2 ) 2 0 条件下夏比冲击功6 5 j 。 1 1 2 课题研究的意义 在国标s y 厂r 5 1 4 4 2 0 0 7 钻铤及a p i 规范中，夏比冲击功试验温度为2 5 士5 时，对低温冷冲未做要求，夏比冲击功5 4 j ，特殊工况下，根据供求双方协商可将夏比冲 击功确定为7 0 j 。塔里木油田此次钻铤订货冲击功要求的高于标准，其中，2 0 低温条 件下的冲击性能为6 5 j ，风雷公司在之前与塔里木油田的钻铤订货及其他国内外客户的 订货中均没有体现过，其要求来自于为塔里木油田钻具的使用环境恶劣，尤其是山前冬 季气温低，有时温度低于3 0 ，钻具在陆上油田的井下作业过程中，由于地层温度梯度 的影响，在地层表面的服役温度环境在o 以上，对低温冲击功没有特别的要求，但在 提升钻具及处理井下事故的过程中，钻具在地表的时间达可达1 0 小时以上，钻具本身的 温度将于地表环境温度一致或接近。塔里木油田地处南疆，油田作业区是温带大陆性气 候。全年降水稀少，夏季高温少雨，冬季寒冷干燥，在山区里油区作业环境的冬季气温 可低至一2 甚至一3 0 ，在此低温环境下，钻具在地表的运输吊装，起下钻具时在井口附 近的撞击达到一定程度时发生冷脆损伤甚至断裂，如果造成事故，由于现场补给困难及 深井本身的高额成本，可给钻井作业带来极大麻烦及重大经济损失，由此对钻具材料的 低温冲击性能提出了较高要求。 第一章绪论 之前风雷公司的国外订货中用户对钻铤提出过2 0 条件下夏比冲击功2 3 0 j 的要求， 风雷公司之前的工艺不用做任何调整就可满足。国际上只有德国曼内斯曼公司等极少数 厂家可生产出2 0 条件下夏比冲击功兰6 5 j 要求的钻铤，国内厂家订货中此项要求为首次 提出，无先例可循。为满足用户要求，提升国产钻铤的研发水平，增强竞争力，缩小与 国际一流厂商的差距，风雷公司就此进行了提高钻铤低温冲击功的热处理工艺方法的研 究试验。 1 2国内外钻铤制造技术发展概述 在1 9 7 8 年之前，我国的钻井中所使用的石油钻铤均为国外进口产品，进口钻铤的主 要生产厂家为日本n k k 、日本大同、法国s f m i 、美国t i m k e n 、美国格兰特，当时国 内年总需求量为5 0 0 0 8 0 0 0 根，价格昂贵，消耗了国家有限的外汇储备。1 9 7 7 年，山西 北方风雷工业集团积极响应国家军转民的生产号召，根据工厂的生产能力、设备能力、 技术特点通过对石油产品目录的检索，确定钴铤的产品特征符合公司的生产转型发展方 向，在兵器工业部立项后进行科研试制。首先经过解剖国外钻铤，对钻铤用钢的成分进 行了分析，确定其所用钢材为4 2 c r m o 合金钢，风雷机械厂利用自己拥有炼钢能力的条 件，成功炼出满足钻铤用钢的4 2 c r m o 合金钢，利用公司离心铸造优势，用离心铸造的 方式浇铸成厚壁圆钢坯料，每根长度约为3 5 0 0 m m ，在离心铸造的厚壁钢管中空部放入 芯棒进行锻造，经过感应热处理后进行了力学分析，达到了国外钻铤的力学性能指标。 进口的钻铤均为整体加工，长度为9 1 5 0 m m ，受离心铸造的设备能力所限，无法进行整 体浇铸，而工厂拥有较强的焊接手段，将3 个短节焊接为整体钻铤，焊缝部分的强度达 到本体强度的9 5 以上，经过力学实验也满足了钻铤的力学性能指标，按照钻铤标准的 几何尺寸完成了后续的机械加工，在华北油田钻井公司的大力支持与配合下，在华北油 田与法国s f m i 生产的钻铤进行钻具组合进行了井下试验，经过现场的使用分析，得出 使用合格的结论，诞生了中国第一根石油钻铤。通过了现场评价，鼓舞了风雷机械厂及 国家主管部门的信心，为实现钻铤替代进口的工业化量产再做努力。从解决钻铤用钢的 原材料上入手，风雷机械厂向国家科委申请专项资金，与长城特钢厂合作进行了整体钻 铤的钢材研发，成功的研制出适合工业化量产钻铤的4 2 c r m o 合金钢锻材及轧材。其后， 风雷公司通过对热处理设备的改进、机械加工手段及检测手段的完善进行了长期的努力， 在市场开拓上也进行了长期的艰辛努力，在满足使用条件的前提下，因为性价比的突出 优势，使得进口钻铤逐渐退出了国内市场，国产的风雷钻铤最终通过了中海油及塔里木 油田的现场使用评价，标志着中国制造的钻铤成功跻入国内高端市场，填补了国内市场 空白，从此中国的钻铤制造业进入技术成熟及市场成熟期，历年来已为国家节省了大量 的外汇，在出口方面上通过近十年来艰苦努力，已大踏步进入国际市场，成为全球钻铤 产品的最大出口国。 但是从历史的角度来看全球的钻铤生产及研发，钻铤的国际市场通用制造标准a p i 、 西安石油大学硕士学位论文 n s 1 等均为西方国家制定，中国众多的钻铤制造厂家，为取得市场准入资格，花费相当 的人力物力进行认证、复审。国内钻铤产品的研发均由制造厂家各自独立承担，在市场 要求的拉动下亦步亦趋，国内厂家与曼内斯曼、n k k 、格兰特、铁姆肯等国际著名钻具 制造商相比较，处于跟踪追赶阶段，占领市场主要靠价格优势，研发投入低，产品附加 值低。国内外钻铤的高端产品市场基本被国外厂家占领，如高抗扭钻铤、高低温冲击功 钻铤、高抗硫钻铤等等。国产钻铤与国外钻铤存在以下差距： ( 1 ) 原材料的差距，中国与发达国家钢铁工业的差距使得钻铤原材料的纯净度不如 国外钢材，导致平均失效时间较国外钻铤提前了将近3 0 ； ( 2 ) 研发的差距，国内企业投入不足，国外公司在市场运做中注重市场的差异化需 求，在产品研发上投入巨资，引领行业发展，以德国曼内斯曼，在兼并s m f i 后，完成 了强强联合，其核心竞争力来源于公司拥有的6 0 0 多名研发人员深入细致的贴近市场的 持续研发 ( 3 ) 高端产品的差距，超深井项目、高开发成本项目、高风险项目等钻井高端市场 所使用的如高抗扭钻铤、高低温冲击功钻铤、高抗硫钻铤均由国外产品垄断，国产钻铤 较国外钻铤仍然存在不小的差距。 1 3国内外对提高钻铤冲击功及低温冲击功的研究 目前国内外有关提高钻铤冲击功的研究主要集中在原材料改进方面。 李伟、李桂变等人研究了冶炼工艺对钢力学性能的影响，特别是对钻铤用钢的冲击 性能的影响。通过优化冶炼工艺降低钢中影响冲击功的有害元素以控制夹杂物形态来提 高a i s l 4 1 4 5 h 钻铤用钢1 0 横向冲击功。原有钻铤用钢生产工艺流程为：e b t ( 偏心炉 底电炉) + l f ( 钢包精炼) + v d ( 真空脱气) + i c ( 铸模) + 锻造。用这种材料制造的钻 铤冲击功较低，分析其主要原因是有害元素p 、s 含量较高，以及夹杂物种类、数量、 分布、形态影响所致。改进的思路为：1 降低磷、硫及t o 的含量；2 使硫化物球化，利 用夹杂物的形态特性提高冲击功；3 利用夹杂物的物化特性，使夹杂物弥散化，减小偏 析。具体改进工艺措施为：( 1 ) 优化成分设计。( 2 ) 控制钢水。( 3 ) 控制钢中s 、t o 及材质偏析。( 4 ) 夹杂物变性处理。通过这样对原材料的改进，钻铤的冲击功提高了2 2 以上，韧性得到了明显的改善。 樊治海、安丙尧、李鹤林等人研究了提高国产4 1 4 5 h 钻铤用钢的性能改善的方法。 研究表明：钻铤用钢淬透性的高低直接影响着钻铤的强韧性。通过严格控制钢中铬、锰、 钼等元素含量波动范围：铬由0 7 5 控制到1 2 0 ，锰由0 6 5 控制到1 2 0 ，钼由0 2 5 控制到0 3 0 ；降低硫、磷含量：硫由0 0 3 5 下降到o 0 2 0 ，磷由0 0 3 5 下降到o 0 2 0 ； 并采用炉外精炼钢降低硫化物、氧化物含量等手段，大大的提高了钢的淬透性，改善了 调质处理后的钻铤性能。 胡进重点研究了轧制工艺及其后的热处理工艺对钻铤用棒料的影响。研究表明：1 4 第一章绪论 终轧温度过高、冷却速度较快导致大规格4 1 4 5 h 产生大量魏氏体组织是苏醒指标变差的 主要因素。对于热轧态交货钢控制终轧温度，采取成堆堆放、降低冷速可以减少魏氏体 组织的产生机会，从而有效地提高钢材塑性，提高钢材的成材率。2 通过热轧缓冷，可 使大规格钢材整个组织分布均匀，无魏氏组织产生，使整个钢材的塑性分布均匀化，对 于提高机械性能合格率有较大的帮助，同时降低钢材的表面硬度，易于加工，符合用户 的使用要求，提高了钢材的内在质量。在他的论文中提到：对正常钢材，在调整热处理 工艺改善塑性时，下调淬火温度对4 1 4 5 h 的塑性、韧性提高贡献不大；对于淬火淬透的 钢材，通过提高回火温度和延长回火时间使回火更加充分对提高塑性、韧性帮助更大。 通过阅读大量文献发现，有人通过不同的热处理工艺试验，研究了3 5 c r m o a 钢的 力学性能与淬火温度、回火温度之间的关系，得出了以下结论：( 1 ) 有效截面不大于 2 5 m m 的3 5 c r m o a 材料在油中能够完全淬透，并得到单一的马氏体组织，而且具有良好 的综合力学性能和低温冲击韧性，采用常规热处理工艺是可行的。( 2 ) 有效截面大于 2 5 m m 的3 5 c r m o a 材料采用常规的热处理工艺能够达到力学性能要求，但无法达到夏比 低温冲击( 6 0 ) 。采用亚温淬火热处理工艺，在不降低强度的情况下，能够满足夏比 低温冲击( 6 0 ) ，并且强度、塑性指标均较调质状态要好。( 3 ) 3 5 c r m o a 钢亚温淬火 前的金相组织中铁素体以呈细小的针状为好，即亚温淬火前无大块铁素体存在可直接亚 温淬火，否则需采取预备热处理方可进行亚温淬火。 可见，对于钻铤的原材料改进，前人已做了比较多的研究，而通过热处理工艺设备 和工艺方法的研究来提高钻铤的冲击功仍存在研究盲区。 1 4 课题研究的内容 风雷公司钻铤的调质工艺采用工频感应加热。工频感应加热原理是将5 0 h z 的工频 电流通入感应圈内，在其内部和周围同时产生于电流频率相同的交变磁场，使置于感应 线圈内的工件受到电流交变磁场的作用，依靠电流热效应将工件迅速加热。工频感应加 热具有电流透入深度比较大，加热速度比较快，加热过程容易控制的优点。但风雷公司 的设备比较陈旧，存在着功率因数低，电热总效率低，热处理后产品的残余应力较大等 问题。为了解决上述问题，并改善设备工作状况使之适应热处理工艺试验的要求，我们 需要对热处理感应器进行改进。 项目的研究内容主要是在吸纳前人研究成果的基础上对钻挺原材料成分及冶炼工艺 进行改进和优化处理；对铤热处理工艺设备进行改进，并对钻挺热处理工艺方法进行分 析与改进，通过相关的试验与分析，确定出可提高钻挺低温冲击性能热处理工艺参数， 从而实现课题研究的目的。 西安石油大学硕士学位论文 第二章钻铤及钻铤工作情况 2 1 典型钻柱组合方式 2 3 2 1 8 3 1 7 1 6 1 5 1 3 1 2 1 1 1 0 2 3 2 9 8 。 7 6 5 1 图例 1 钻头7 外螺纹钻杆接头1 3 方钻杆驱动部分 2 旋转台肩式外螺纹连接8 钻杆1 4 方钻杆上加厚端 3 旋转台肩式内螺纹连接 9内螺纹钻杆接头1 5 方钻杆上端阀 4 钻头短接1 0 橡胶护箍1 6 水龙头短接 5 钻铤 11 方钻杆下端阀或方钻杆保护短 1 7 水龙头中心管 6 转换短接1 2 方钻杆下加厚端1 8 水龙头 注：方钻杆下加厚端以下的连接均为右旋：方钻杆上加厚端以上的连接均为左旋 图2 一l 典型钻柱组合方式 图2 1 所示的典型钻柱组合方式中可以看出钻铤的工作位置在近钻头处，位于整个 钻柱的下部，通常钻柱的钻铤用量为9 根1 8 根，总长度为8 0 m 1 6 0 m 。 2 2 钻铤的种类和作用 钻铤一般分为3 种：螺旋钻铤，无磁钻铤，整体钻铤。 6 3 2 2 3 2 3 第二章钻铤及钻铤工作情况 整体钻铤为光滑的厚壁圆管，两端加工连接螺纹；螺旋钻铤在圆钻铤外圆柱面上加 工3 条右旋的螺旋槽，以减少与井壁的接触面积，能有效的防止压差卡钻；无磁钻铤使 用n 1 3 1 0 低碳合金钢制造，具有良好的低磁导率和良好的机械加工性能，主要用于石油 钻井过程中的监测，结构与整体钻铤相同。 钻具必须不断提高性能以适应当今钻井环境的要求。钻铤( “uc o l l 岫是钻柱的重要 组成部分之一。钻铤处在钻柱的最下部，位于钻杆与钻头之间，是下部钻具组合的主要 组成部分。在钻进时，一方面因为下部钻柱受到很大的压力容易发生弯曲，为了安全和 不打“斜眼”使，需要加强下部钻柱的强度。另一方面，为了使钻头获得较大的钻压而提 高钻速，需要增加下部钻柱的重量。因此，钻铤通常使用用轧制或锻造的a i s l 4 1 4 5 h 铬 钼合金钢制造。其主要特点是壁厚大( 一般为3 8 5 3 m m ，相当于钻杆壁厚的“倍) ，直 径粗，具有较大的重力和刚度。它在钻井过程中主要起以下几方面的作用： ( 1 ) 给钻头施加钻压； ( 2 ) 保证压缩条件下的必要强度； ( 3 ) 减轻钻头的振动、摆动、和跳动等，使钻头工作平稳； ( 4 ) 控制井斜。 2 3 钻铤的制造工艺及技术要求 2 3 1 钻铤的制造工艺 钻铤产品应采用整体热轧或锻造坯料机械加工成型。 钻铤在加工螺纹和螺旋槽以前，应进行全截面正火、淬火与回火热处理或淬火与回 火热处理。 钻铤螺纹以及内螺纹、外螺纹台肩面应镀铜或磷化处理，但必须在紧密距检验合格 后进行。如需方要求，螺纹根部应进行滚压强化。 螺纹连接部位应力分散槽，根据需方的要求可以进行冷滚压，冷滚压应在螺纹检验 合格后进行。 2 3 2 钻铤的技术要求 ( 1 ) 表面质量 钻铤管体表面不得有裂纹、折叠、凹坑和结疤等缺陷，内表面不得有台肩和螺旋沟 槽。若有缺陷，应修磨消除，修磨处与钻铤表面呈圆弧过度，修磨深度不得超过表2 1 的规定。距螺纹台肩面5 0 0 姗内不允许修磨，钻铤表面不允许补焊。 西安石油大学硕士学位论文 表2 1 钻铤允许修磨深度 外径范围最大修磨深度 m ml nm ml n 31 2 4l 22 2 90 0 9 0 1 1 4 3 1 3 9 7 41 ，2 51 22 7 90 1 1 0 1 3 9 7 1 6 5 1 51 2 61 23 1 80 1 2 5 1 6 5 1 2 0 9 6 61 2 8l 43 9 40 1 5 5 2 0 9 6 2 4 1 3 81 4 9l 2 5 1 6 0 2 0 3 2 4 1 3 91 2 1 2 1 90 4 8 0 ( 2 ) 化学成分 钻铤应采用供需双方认可的钢种制造，化学成分中硫、磷的含量均不超过0 0 2 5 。 ( 3 ) 机械性能 钻铤的机械性能应符合表2 2 、表2 3 的规定，这些性能应以每炉一根试样或该炉 的陪伴试样( 具有代表最终制品的性能) 进行机械性能实验来检验。 另外，应在每一根钻铤上进行硬度实验，作为符合性的见证数据。 表2 2 表面粗糙度r a单位为微米 内、外螺纹台肩面螺纹工作面螺纹牙顶面 3 2 1 1 0 9 6 5 1 4 0 1 32 8 5 3 4 l 5 4 17 7 8 2 7 9 47 1 1 6 8 9 1 0 0 9 3 0 1 3 5 1 32 8 5 3 4 l 5 4 在特殊工况下，根据供求双方协商，可将夏比冲击功确定为大于7 0 j 。 第二章钻铤及钻铤工作情况 2 4 钻铤受力情况分析 钻铤受力情况分析： ( 1 ) 钻柱反转。按钻柱强度计算，钻铤的应力并不很大，一般达不到破坏的程度。 但在钻井实践中( 尤其是气体钻井中) ，断钻铤时有发生。通过力学分析可以发现断钻铤 是在交变弯曲应力作用下疲劳所致。钻铤管体比其螺纹部分的刚度大，并且螺纹本身就 是缺口，钻铤弯曲多发生在连接螺纹部分，所以产生应力集中，在交变弯曲应力作用下 易发生疲劳，这与钻井实践相符。根据理论分析表明，钻柱交变弯曲应力频率( 次数m i n ) 为反转转速和正转转速之和。由于交变弯曲应力的存在，加速了钻柱的弯曲疲劳破坏和 造成钻杆柱大量冲蚀破坏以及造成各类钻头先期损坏。根据“处于小环隙下工作的钻铤 和下部钻具组合以及钻头，由于反转转速比钻杆高，有过早损坏的危险。”针对气体钻井 中钻铤和下部钻具组合处于小环隙的工作环境，由于其反转转速比钻杆高，钻铤比钻杆 容易发生断落事故是可想而知的了。 ( 2 ) 钻柱扭转振动。由于钻柱与井壁的摩阻和钻头与地层的作用产生无规律的非线 性摩擦扭矩，且钻柱的扭转刚度相对低，从而导致扭转振动。严重的扭振会引发“滑动 一粘滞”振动，即大幅度扭振引起b h a 和钻头暂时制动( 粘滞情况) ，但钻柱仍继续扭转， 直到克服了钻头和b h a 的静摩擦扭矩后，钻头又自由旋转( 滑动情况) 。“滑动一粘滞”振 动又引起井下碰撞，从而造成钻具结构损坏，使得钻具接头螺纹过载或松扣，钻柱加速 疲劳以及钻头过早磨损等。根据交变弯曲应力理论，“滑动一粘滞”振动其实就是钻头正 转运动和反转运动造成的一种表征或结果。 ( 3 ) 钻柱横向振动。横向振动其实是钻柱在转动过程中由于离心力的作用使得钻柱 与井壁之间发生碰撞形成的振动。在常规钻井中，钻井液润滑性有助于减少摩擦扭矩， 也相应减少了“滑动一粘滞”的发生，并且钻井液具有水力动力阻尼作用，在一定程度 影响了钻头和钻柱的横向振动，有利于避免钻柱的过早损坏。由此，在气体钻井中，循 环流体为气体，其产生的动力阻尼作用很小，钻头和钻柱的横向振动和纵向振动极易发 生，从而造成钻柱的过早损坏：另外气体与液体相比，其对于钻头和钻柱( 特别是螺纹) 的冷却效果差异较大，从而造成由于钻柱与井壁的摩阻和钻头与地层的作用产生无规律 的扭矩形成的扭振使得摩擦生热加速钻柱的损坏。 钻铤在井眼中承受非常复杂的载荷，钻铤几乎同时承受内压、外压、轴力、弯矩和扭 矩作用，在钻井过程中因泥浆的循环和钻柱的振动使得这些载荷都属于动载。 2 5 钻柱卡钻及解卡 钻柱发生卡钻及解卡时，钻铤要承受更大的载荷，对钻铤的冲击韧性有更高的要求。 钻柱解卡的方法有： ( 1 ) 降低井液面法解卡：当压差造成粘附卡钻时，有效的解方法是把压差降低到小 于卡钻前的值。具体做法是把钻杆外环空内的泥浆液面降到安全值范围，使钻杆内的液 9 西安石油大学硕士学位论文 柱压力等于钻外的环空的压力。这种方法的优点是能迅速应用，并且不需要专用液。因 为使用的是卡钻前裸眼段内原有的泥浆，用此方法之前要特别注意棵眼段的情况例如裸 眼内卡钻段上方是否存在产层、产层的地层压力、以及卡钻段对钻柱的压力等。 ( 2 ) 水力脉冲洼解卡：水力脉冲法适用于解除压差一粘缝卡钻、泥包卡钻、键槽卡 钻以及硬质碎屑卡钻。 ( 3 ) 冲击波法解卡的基础是把弹性冲击波从井口沿钻柱发送到卡钻段。其冲击流产 生机械力沿钴杆柱轴线可达2 1 0 0 千牛顿。冲击波以声速向下冲击到卡钻点而解除之。冲 击段越长，钻柱解卡所需要的冲击力越大。 ( 4 ) 用导爆索制成的炸弹可以解除钻柱粘饼卡钻。其原理是用爆炸使管柱“震动”。 当井下炸弹在卡钻区爆炸时。冲击波促使钻杆离开井壁或脱离泥包等。“ ( 5 ) 用撞击( 水力、振击、震击) 法解卡：撞击机构( 震击器) ，被广泛地用来解除键 槽和钻头泥包造成的卡钻。使用最广泛的有水力撞击机构和振动振击机构。每个油气生 产区，部有加式厂或地方工厂制造适用于本地区的震击器。在复杂条件下钻进时，为了 一卡钻就能解卡，最好能在钻柱组合中装上振击机构，以便在出现卡点时震击器可以立 即投入工作。撞击法解卡是在其它解卡方法未奏效，而钻柱又没有折断的情况下使用。 ( 6 ) 国外广泛刊用地层测试器来解除压差卡钻。使用此方法时，地层测试器的封隔 器下面层段中的流体静压力会大大降低，因此地层测试器要安放在卡钻段之上，尽可能 接近匕界。 1 0 第三章钻铤失效分析 第三章钻铤失效分析 在复杂载荷作用下，钻铤失效时有发生。因钻铤本体的刚性远远大于接头，钻铤失 效大多数发生在接头上。据1 9 8 8 年对各油田钻具失效的调查，钻铤失效事故2 7 6 起，占 钻具失效事故的5 1 1 。钻具失效是近年来大庆油田深井遇到的问题之一，其中尤以钻 铤失效最为严重，冲击韧性不够是钻铤失效的主要原因之一。经统计大庆油田钻铤损坏 占钻具失效总数的8 8 4 。钻具的早期破坏失效，严重地影响了钻进速度，拖延钻井周 期，以至造成巨大的经济浪费。 3 1多冲碰撞载荷下钻具的失效 在工程机械中广泛存在着多次碰撞冲击载荷下工作的零构件。其二者接触表面容易 出现各种形式的损伤，严重时将导致机件失效。多冲碰撞载荷，是指碰撞面上的力和能 量远小于材料的强度极限和冲击韧性，且两对冲零件的相对运动垂直于冲击面。一般认 为当载荷作用时间小于被冲击体的自振周期或小于其一半左右时就称为冲击载荷。工程 中由两个作相对运动的零构件发生碰撞而产生的载荷大多可归为冲击载荷，多冲碰撞载 荷就是一个冲击载荷反复作用的过程。 观察多冲碰撞载荷下服役零构件的失效特点：一是具有表面( 表层) 特征，即失效一 般从表面( 表层) 起源，并大都局限在表面( 表层) 内扩展；二是具有累积损伤特征，即无 论是断裂、形变或是磨损，都有一个逐步积累的过程。 一般来说，多冲碰撞载荷下零件的失效形式可归纳为以下几类：( 1 ) 开裂。常见于 脆性或高硬度材料。但韧性较好的材料在经历累积塑性变形后，其终极失效形式也表现 为开裂。裂纹一般起源于表面，垂直于冲击面向纵深扩展。裂纹形状有河流状、放射状、 龟壳状等。若零件具有表面强化层，其界面一般能起到阻碍裂纹进一步扩展的作用。( 如 表面喷焊层、熔覆层，裂纹只在涂层内部扩展) 对整体强化的特别硬、脆的材料，裂纹也 可一直沿纵深裂到底部，造成零件的整体断裂。( 2 ) 镦粗。在反复多冲载荷作用下，零 件碰撞面端部尺寸会逐步变粗，成为蘑菇头状。钎杆头的镦粗也是这种失效的典型例子。 ( 3 ) 凹陷。对塑性材料而言，凹陷是指经一定的冲击次数以后，受冲击载荷的表面相对 于周边材料的凹陷变形。除了几何失效，这种凹陷会引起原有冲击面力的重新分布，也 会引起其与周边材料之间的变形失衡，从而产生应力集中导致裂纹的产生。( 4 ) 表层剥 落。这种失效形式常见于带涂层的零件表面。如热喷涂、火焰喷焊、等离子喷焊等强化 的表面。当结合面强度不够时，在多冲载荷作用下，涂层与基体开始分离并沿结合面扩 展，最后造成表层剥落。剥层现象也常见于经热处理的表面，如渗碳层、氮化层等。剥 层一般都伴随表面裂纹，剥层形状也与裂纹走向有关。剥层面积一般较大。( 5 ) 表面蚀 坑。当碰撞次数很高时，碰撞表面常会出现一些随机分布的麻点。在体视显微镜下可观 察到这些麻点实际上是一个个形状不规则的小蚀坑，有面积较小的点蚀，也有面积较大 西安石油大学硕士学位论文 些的片蚀。这些小蚀坑的形成可能与赫兹应力有关。( 6 ) 崩落。崩落是硬质合金、高碳 钢等高强度材料的常见失效形式。一般从碰撞面的边缘开始，当边缘处裂纹逐步发展至 贯通，则有一小块金属呈山体滑坡状滚落，以后的碰撞过程中又形成新的贯通裂纹，崩 落逐步往中部发展。( 7 ) 磨损。当碰撞表面问有磨粒存在时，由于冲击和磨损的作用， 两碰撞面间会产生磨痕。例如泥浆泵的阀芯与阀座，在一定冲击次数后其表面会形成很 深的磨损沟槽。 以上的各种失效形式从机理上可归结为两种。一是累积损伤类型，如开裂、剥层、 蚀坑等；二是累积塑性变形类型，如镦粗、凹陷等。观察认为，多冲碰撞载荷下的塑性 变形与静力下的塑性变形有很大不同。在多冲碰撞载荷下，很小的冲击力( 指远小于材料 的屈服强度) 就可产生明显的宏观塑性变形。因为各种失效都具有累积性，可以认为多 冲碰撞失效属于疲劳范畴，但应与通常的“静疲劳”区别开来。 对多次碰撞冲击的研究可追溯到上个世纪初。s t a n t o n 和b a i r s t o w 最早涉足该领域， 他们较深入地考察了化学成分对铁素体珠光体钢冲击破断周次的影响。国内外对多次冲 击问题的研究在上个世纪中叶比较活跃。其中l a y l a n d 对1 5 种典型结构钢在多冲载荷 下的行为进行了考查，给出了每种材料的冲击能量a 和破断周次n 间的关系曲线。周惠 久等人系统、全面地对小能量多次冲击破断问题进行了研究，并由试验得出了多种材料 呈两两相交的a n ( 能量一循环周次) 曲线。这一时期的研究主要集中在材料承受小能量多 次冲击载荷时其整体的破断规律。其主要结论为：多冲属于疲劳范畴，但也有其自身的 特点。当冲击能量极高时多冲寿命主要取决于材料的韧性，当冲击能量较低时则其主要 取决于材料的强度；冲击应力在材料内部以波的形式传递，由于应力波的透射、反射并 产生叠加，在有限尺寸的材料内部将形成复杂应力；材料在多冲载荷下有明显不同于静 疲劳的尺寸效应等。从材料的选用、成分的设计及冶炼过程的控制、热处理工艺的改进 等方面可以有效提高零件的多冲碰撞抗力。 3 2 粘扣失效 3 2 1粘扣介绍 粘扣是钻具的主要失效形式之一，在海外油田及国内油田中，钻铤均存在粘扣问题。 1 9 9 2 年全国钻柱失效情况的统计结果表明 1 ，钻铤的失效频数大致为钻柱总失效事 故的4 8 7 ，失效事故中，9 8 5 2 由接头螺纹造成。其中接头螺纹刺漏5 2 5 ，接头螺 纹磨损2 2 2 ，螺纹密封面损伤2 2 2 ，脱螺纹牙2 2 2 等，这些都和螺纹的粘结有关。 据陕北气田1 9 9 2 年资料统计，1 9 9 2 年陕北气田钻具失效1 3 6 根次，其中钻铤5 5 根 次，由台肩面粘着、刺漏的2 2 根次，占钻具失效比例约1 6 2 ；1 9 9 3 年，钻具失效5 0 根次，其中钻铤3 2 根次，由台肩面粘着、刺漏的1 0 根次，占钻具失效比例约2 0 。 四川川东地区1 9 9 6 年1 9 9 7 年发生的3 0 3 起钻具失效事故中，钻铤失效达1 3 7 次， 占4 5 2 ：在失效类型中，螺纹刺漏失效达1 1 2 次，占失效总事故的3 7 ，据失效位置 第三章钻铤失效分析 统计，密封面处3 8 次，占失效总事故的1 2 5 。 据长庆石油勘探局对1 9 9 8 年到1 9 9 9 年初钻具失效情况的统计结果，钻具失效1 0 0 多 次，其中台肩面粘结1 7 次，占钻具失效比例1 7 。 2 0 0 0 年长庆石油勘探局第三钻井工程公司钻具损坏严重，8 个钻井队半年来损坏钻 具总数8 4 起，其中，钻铤密封面粘结、刺漏达3 8 次，加重钻杆密封面粘结、刺漏6 次， 这两者就占了总失效次数的5 2 3 。 据不完全统计，截止2 0 0 5 年中石化华北石油局系统在陕北油田已钻井8 0 0 余口， 钻井过程中钻具失效的主要形式为钻铤螺纹粘刺、内外螺纹断裂、涨扣；钻杆台肩刺穿、 管体刺穿；接头内外螺纹断裂。其中钻铤螺纹粘、刺站2 9 。 以上资料表明，钻铤的粘扣失效是一个长期困扰油田用户和生产厂家的技术难题， 此问题在大多数工厂都没有得到解决。 北方风雷机械制造集团生产的钻铤在延长、长庆、中原等油田使用过程中发生过大 量严重粘扣失效，这些失效事故的发生一方面给油田钻井带来直接和间接经济损失，另 一方面为工厂处理事故带来很大负担，对工厂声誉带来负面影响。因此，为确保钻井生 产工作，需要进行钻铤螺纹粘扣机理和粘扣原因方面的研究，以便寻求各种技术和方法 来改善钻铤的抗粘扣能力，提高其使用时的安全可靠性。 粘扣是内外螺纹配合面金属由于摩擦干涉，表面温度急剧上升达到了焊接相变温度， 使内外螺纹表面发生粘结。由于上卸扣过程中内外螺纹有相对位移，粘扣常伴有金属迁 移。粘扣通常表现为粘着磨损，但是如果有沙粒、铁屑夹在内外螺纹之间，也会形成磨 料磨损。一旦发生粘扣，表现轻者损伤螺纹表面，影响产品的上卸扣能力和上扣扭矩， 严重时会降低整个钻柱系统的密封性和连接强度，使之在螺纹连接处发生泄漏，甚至发 生脱扣事故，影响钻井生产的正常进行。图1 即为钻铤常见粘扣类型。 图3 1 ( a ) 为钻铤外螺纹接头发生粘扣，可见其上某些部位的金属已经发生迁移， 螺纹已不存在，图3 1 ( b ) 可见加重钻杆接头的部分外螺纹应经被捋平，这会影响其与 内螺纹接头连接时的连接强度和密封性能；图3 1 ( c ) 为加重钻杆接头内螺纹发生粘扣； 图3 1 ( d ) 为钻铤接头内螺纹发生粘扣；图3 1 ( e ) 和( f ) 为钻铤台肩发生粘扣，台肩 面因粘扣而呈现凹凸不平，形成挤入和挤出痕迹，这也是由于局部区域的金属发生迁移 的缘故。钻铤台肩面发生粘扣很容易造成其在以后使用过程中的台肩面腐蚀、密封性能 下降等。 西安石油大学硕士学位论文 ( a ) 钻铤外螺纹接头粘扣( b ) 加重钻杆外螺纹粘扣 ( c ) 加重钻杆内螺纹接头粘扣( d ) 钻铤内螺纹接头粘扣 ( e ) 钻铤台肩面粘扣( f ) 钻铤台肩面粘扣 图3 1 钻铤常见粘扣图例 3 2 2 粘扣现象及分类 美国材料和测试协会( a m 嘶c a i ls o c i e 哆f o rt e s t i n ga i l dm a t e r i a l s ) 这样定义粘扣：当两 个固体表面产生相对滑移时，由于局部的宏观材料转移、脱落或者表面突起物引起的一 种严重的磨损形式”as e v e r ef o mo fw e a rc h a r a c t e r i z e db yl o c a l i z - e d ，m a c o s c o p i cm a t e r i a l 咖l s f e r ，r e m o v a l ，o rf o m a t i o no fs u r f k ep r o t n j s i o n sw h e nt 、os o l i ds u r f | a c e se x p e r i e n c e r e l a t i v es l i d i i l gu i l d e rl o a d ”【9 】。根据i s o1 3 6 7 9 标准的定义：粘扣是一种发生在相互接触 金属表面间的冷焊。对钻具材料来说，就是指螺纹或台肩面的金属粘结在一起。简单描 述粘扣现象如下：钻具的公母两个螺纹在啮合过程中，由于摩擦界面受到的接触应力超 1 4 第三章钻铤失效分析 过螺纹材料的弹性极限而发生屈服变形后，在金属表面发生撕裂、碾轧、犁划、冷焊、 嵌入等现象，表现为机械磨损或粘合磨损，造成螺纹损坏、变形，甚至撸平，最后造成 螺纹的连接强度下降，密封性能变差，严重影响到钻具的使用，甚至发生滑扣、脱扣导 致钻具掉井事故，给油田带来巨大损失。 在钻具材料中，根据粘结的部位不同，粘扣可以分为：丝粘扣，台肩粘，螺纹、台 肩全粘。i s 01 3 6 7 9 标准中，根据用粘扣面积与螺纹表面之比，同时结合螺纹可否修磨再 利用和修磨后的品质，将粘扣分为四个等级：( 1 ) 轻度粘扣，粘扣面积不超过螺纹表面 积2 ，可用砂纸对粘扣处进行修磨，且修磨后上扣，接头的使用性能没有影响：( 2 ) 中 度粘扣，粘扣面积不超过接头螺纹表面积的1 0 ，可用锉刀和砂纸修磨，修磨后对螺纹 几何形状和使用性能没有损害；( 3 ) 严重粘扣，粘扣面积超过1 0 的螺纹表面，需要大 范围的修整和除去大量金属，不能保证使用性能；( 4 ) 极其严重粘扣。螺纹表面相对滑 动造成啮合处齿形被剪切以至于发生螺纹撕裂，无法修复而且接头使用性能大大降低。 张毅等指出了这种分类的可操作性虽然比较强，但明显存在以下两点不足之处：第一， 每种规格、扣型的螺纹的表面积的计算方法都不同，而且非常复杂，这是a p i 标准中没 有给出的；第二，螺纹的使用性能包括抗粘扣能力、连接强度和密封性能等，i s o1 3 6 7 9 给出按粘扣面积与螺纹表面的比值进行判定，但2 或1 0 的损伤面与螺纹的连接强度、 密封性能( 特别是气密封性能) 有无必然的对应关系尚需研究。因此，他们参考i s o1 3 6 7 9 标准，同时结合螺纹的损伤机理和对使用性能的影响，将螺纹粘扣分为如下四种情况： ( 1 ) 表面擦伤，损伤面积一般不超过螺纹表面积的2 ，即一扣单齿面的3 4 周长。经砂 纸或油石修磨后为合格品使用，对密封性及连接强度没有任何影响；( 2 ) 轻度粘扣，粘 扣面积不超过螺纹表面积1 0 ，可用锉刀和砂纸修磨后断续使用，这种粘扣特征以表面 损伤、产生冷焊为主，而且可根据损伤的变形方向判断是上扣粘扣还是卸扣粘扣。粘扣 螺纹一般不降低连接强度，但对气密封性有影响；( 3 ) 中度粘扣，