（石油与天然气工程专业论文）无磁钻具磨损机理及防护措施研究.pdf

t h ew e a rm e c h a n i s ma n dp r o t e c t i v em e a s u r e s r e s e a r c h o fn o n - - m a g n e t i cd r i l l at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fe n g n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：m e n gq i n g y u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o rj i ny e q u a n s e n i o re n g i n e e rl iz e m i n g c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：垂丞堡日期：年月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交、赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段 保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：耋缝 指导教师签名：趣j 续一 日期： 日期： 年月日 年月日 摘要 无磁钻具耐磨性差，价格昂贵。随着水平井、大位移井、超深井等复杂结构井越来 越多，无磁钻具的磨损问题日益突出，因此开展无磁钻具的磨损机理及防护措施的研究 具有十分重要的工程应用价值。 无磁钻具具有导磁率低的特性，它能够使井下磁性测量仪器处于不受钻具磁性干扰 的无磁环境中，从而确保测得的数据真实。影响无磁钻具破坏的因素有疲劳破坏、腐蚀、 氢脆、纯强度破坏和刺穿等。本文以无磁钻具防护技术措施为研究目标，分析无磁钴具 磨损机理，对比无磁钻具抗磨材料特点，对无磁钻具等离子喷焊技术的应用进行了深入 研究。通过大量试验对比，提出了一套可行的等离子喷焊技术的工艺参数配合，以此工 艺参数所进行敷焊的无磁钻具的耐磨性在现场实际使用中得到验证。 本文的研究成果可以应用于无磁钻具的防护，延长无磁钻具使用寿命，对科学使用 和防护无磁钻具磨损具有一定的指导意义。 关键词：无磁钻具，磨损，机理，检测，喷焊 t h ew e a rm e c h a n i s ma n dp r o t e c t i v em e a s u r e sr e s e a r c ho f n o n m a g n e t i cd r i l l m e n gq i n g y u ( p e t r o l e u ma n dn a t u r a n lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rj i ny e q u a n a b s t r a c t n o n - m a l g n e t i cd r i l ln o to n l yh a v eap o o rw e a rr e s i s t a n c e ，b u ta l s oe x p e n s i v e w i t ht h e s n u c t i l r eo fh o r i z o n t a lw e l l s ，e x t e n d e dr e a c hw e l l s ，s u p e r d e e pw e l l sb e c o m em o r ea n dm o r e c o m p l e x , t h ew e a rp r o b l e mo fn o n - m a g n e t i cd r i l lb e c o m em o r ea n d m o r ep r o t r u s i o n t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho fn o n m a g n e t i cd r i l lw e a rm e c h a n i s ma n dp r o t e c t i v em e a s u r e sh a v eai m p o r t a n t v a l u ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n n o n - m a g n e t i cd r i l lh a sac h a r a c t e ro fl o wm a g n e t i ci tm a k e t h em a g n e t i ci n s t r u m e n t si n t h en om a g n e t i ce n v i r o n m e n tw i t h o u ta n yi n t e r f e r e n c ef r o md r i l l i n gt o o l ，t h e r e b ye n s u r i n gt h e r e a lm e a s u r e dd a t a , t h e r ea r em a n yf a c t o r si n f l u e n c ed e s t r u c t i o no fn o n - m a g n e t i cd r i l l ，s u c ha s f a t i g u ec o r r o s i o n , h y d r o g e ne m b r i t t l e m e n t ，p u r es t r e n g t ha n dp i e r c i n gd a m a g ea n d s oo n t h i s t e x t 谢mt h er e s e a r c ho b j e c t i v e s f o r p r o t e c t i o n t e c h n o l o g y f o rn o n m a g n e t i cd r i l l t 0 0 1 , c o m p a r a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n m a g n e t i cd r i l lw e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l s ，t h e nf o c u s o n t h ea n a l y s i so fw e a rm e c h a n i s mo fn o n m a g n e t i ca n dt h et e c h n o l o g yo fp l a s m as p r a yw e l d i n g w h i c ha d p l i c a t i o ni nt h ef i e l d ，b yc o m p a r i n gal a r g en u m b e ro ft e s t s ，w eg e ta f e a s i b l ep r o c e s s p a r a m e t e r sf o rp l a s m aw e l d i n gt e c h n o l o g y , t h e na p p l y t h i sw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sb yt h e n o n m a g n e t i cd r i l lw e a r a c t u a lu s ei nt h ef i e l dh a v e b e e nt e s t e d t h er e s u l t so ft h i st e s tn o to n l yc a nb ea p p l i e dt on o n m a g n e t i cd r i l lp r o t e c t i o n , e x t e n d e d s e n ，i c e1 i f eo fn o n m a g n e t i cd r i l l ，b u ta l s oh a sc e r t a i ns i g n i f i c a n c eo nu s ea n dw e r ep r o t e c t i v e n o n m a g n e t i cd r i l l k e yw o r d s ：n o n m a g n e t i cd r i l l ，w e a r ，m e c h a n i s m ，d e t e c t i o n ，s p r a y 目录 第一章前言1 1 1 研究背景及意义：一1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 国外对无磁钻具的研究1 1 2 2 国内对无磁钴具的研究：2 1 3 研究内容与思路2 第二章无磁钻具及其作用一4 2 1 无磁钻具在定向井作用4 2 2 常用的无磁钻具6 2 2 1 无磁钻铤7 2 2 2 无磁承压杆l1 2 2 3 无磁稳定器1 1 第三章无磁钻具磨损机理分析1 3 3 1 无磁钻具磨损分析1 4 3 2 钻具疲劳破坏寿命的分析1 5 3 2 1 钻杆疲劳破坏分析16 3 2 2 钻铤疲劳破坏分析16 第四章无磁钻具材料及检验18 4 1 无磁钻具材料1 8 4 2 无磁钻具检测方法研究2 0 4 2 1 无磁钻杆的检验。2 0 4 2 2 无磁钻铤的检验2 1 第五章无磁钻具防护措施2 7 5 1 无磁钻具作业期间保护措施2 7 5 1 1 避免钻具疲劳破坏的方法2 7 5 1 2 钻具组合预防失效技术2 8 5 2 无磁钻具喷焊工艺研究及应用3 0 5 2 1 无磁钻具保护技术方案的优选3 0 5 2 2 等离子喷焊工艺技术3 l 5 2 3 等离子喷焊实验及设备的技术改造3 4 第六章现场应用分析j 0 1 无磁钻具现场应用数据分析3 7 6 2 无磁钻具耐磨带性能试验3 9 6 3 无磁钻具井场试验3 9 结论5 【j 参考文献，l 攻读硕士学位期间取得的学术成果“5 3 致谢一，4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章前言 随着石油勘探开发向着高深度和复杂地层的发展，超深井和大斜度井、大位移水平 井等钻井技术的应用越来越多，对钻具的要求也越来越高，具有导磁率较低且保证测斜 器读数真实的无磁钻具的应用也越来越多。由于钻具在井下的工作条件复杂、恶劣，因 此钻具因磨损导致的钻具其它事故十分常见，给油田造成了巨大的经济损失。所以无磁 钻具的磨损机理及防护措施研究十分重要。 在钻井时井眼的方位和垂直度是用磁性测量仪器( 以下简称罗盘) 通过钻铤部位测 定的。由于所有罗盘在测量井眼的方向时，感应的是井眼的大地磁场，因而罗盘必须是 一个无磁环境。然而在钻井过程中，钻具往住具有磁性，影响罗盘，不能得到正确的井 眼轨迹测量信息数据，此时如果应用无磁钻具可实施无磁环境，保证了罗盘测到的数据 为真实大地磁场信息【lj 。由于无磁钻具由磁导率很低的不锈合金钢制造，不仅具有普通 钻具功能，还可以利用其导磁率很低的特点，将钻井测斜仪器下入井下，通过为钻井测 斜仪器创造的无磁环境，保证钻井测斜仪器测到真实的大地磁场信息，为井下造斜提供 依据【2 】。 无磁钻具在使用中，由于井深、井别、地层岩性的不同，每口井对无磁钻具的外径 磨损量不同，一般情况下，深井、井斜大、地层坚硬对无磁钻具的磨损较为严重。有的 钻完一口井无磁钻具外径磨损1 m m - - 2 m m ，有的钻完一口井无磁钻具外径磨损3 m m - - 4 m m ，磨损相当严重，因此每年都补充相当数量的新的无磁钻具。无磁钻具本体硬度 较低，抗磨性差，使用寿命短。特别是在坚硬地层，大量早期报废，造成了巨大的经 济损失，并且随着定向井数量的激增，无磁钻具的使用量也越来越大，由此产生的费 用也不断上升。因此无磁钻具的保护十分重要。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外对无磁钻具的研究 早在上世纪7 0 年代，国外的s h e l l 石油公司和s m f i 公司共同提出了无磁钻铤的磁性 检验标准。在耐磨材料上，法国和日本提出蒙乃尔合金，奥氏体钢，s m f i 无磁钢，s m f i 公司研制了一种u b 3 0 1 的无磁钢【3 】，制成s m f i 型合金钢，作为无磁钻具首选用钢它具有 三个特点： ( 1 ) 提高在钻井液中( 氯化物环境) 的耐腐蚀性； ( 2 ) 提高抗应力腐蚀裂纹的敏感性； ( 3 ) 提高丝扣接头的耐磨损强度。 检测技术方面，国外最早提出无磁钻具的超声波检测方法，在防护措施方面，国外 的钻具涂镀技术研究也很成熟，其中化学镀在钻具保护上起到了非常好的效果。 1 2 2 国内对无磁钻具的研究 国内对无磁钻具的研究主要集中在对无磁钻具耐磨材料的选取和防护技术应用方 面。如国产锰铬镍钢，这种钢含锰1 6 5 9 ，含铬1 3 1 2 ，含镍1 9 1 ，相对导磁率较低， 这种钢的耐磨性能不亚于s m f i 无磁钢。中原特钢股份有限公司与华北油田钻井工艺研 究所、西北工业大学等单位，共同合作开发研制w 1 8 1 3 n 钢精锻无磁钻铤，开辟了无磁钻 具国产化的新局面。此外，渤海钻探无磁钻具等离子喷焊耐磨带技术在现场也得到了极 大应用，取得了非常好的效果。等离子喷焊是应用氩气等离子弧作高温热源，采用合 金粉末作填充金属的一种表面熔敷焊合金的技术，用来表面硬化或材料保护。等离子 弧温度高、能量集中，稳定性和可控性好。等离子喷焊生产率高，母材对合金冲淡率 低，喷焊层成形平整、光滑，成形尺寸范围宽并可精确控制，喷焊层质量和工艺稳定 性好，热影响区小，自动化程度高。常采用铁基粉末在钻杆接头( 合金钢) 上喷焊耐 磨带。用等离子喷焊技术在无磁钻具上喷焊耐磨材料还从来没有做过。经过分析、研 究，等离子弧是压缩电弧【4 】，用氩气做工作气和保护气，氩气离子对不锈钢没有损害， 用等离子喷焊技术在不锈钢上喷焊是可行的。 目前国内外对无磁钻具中的无磁钴铤防护措施研究尚不够多，此外无磁钴具的修 复技术的研究也不成熟，国内外对无磁钻具的修复研究尚处于起步阶段，国内胜利油 田和中原油田对此技术研究较早，取得了一定的成绩，无磁钻具修复技术将成为钻具 保护的新方向。 1 3 研究内容与思路 本文以提出无磁钻具防护技术措施为研究目标，分析了无磁钻具磨损机理并对无磁 钻具等离子喷焊喷焊技术的现场应用进行了深入研究。 研究内容可以概括为以下四个方面： 2 ( 1 ) 通过对现场无磁钻具的磨损情况进行调研，完成对无磁钻具磨损机理及其因素 分析的研究； ( 2 ) 对无磁钻具材料进行优选，分析各种无磁钢材的成分和性能； ( 3 ) 对等离子喷焊技术进行分析，在进行大量实验后改进了喷焊材料的成分及性能； ( 4 ) 研究适合无磁钻具等离子喷焊的粉末合金材料，完成无磁钻具等离子喷焊设备 的技术改造、喷焊工艺的研究及参数制定，从实际使用效果出发，分析确定了耐磨带的 喷焊位置。 提出切实可行的无磁钻具防护措施方案，首先对国内外无磁钻具技术发展进行了调 研，把钻具技术的相关理论和钻具失效机理的研究与渤海钻探无磁钻具现场应用遇到的 问题及现场数据相结合，提出了无磁钻具的保护措施。 研究的思路如图1 1 。 图1 - 1 无磁钻具研究思路 f 喀1 - 1 r e s e a r c hi d e a so fn o n - m a g n e t i cd r i l l ( 1 ) 统计大量的无磁钻具现场磨损数据，完成对无磁钻具的保护技术的研究； ( 2 ) 对保护技术的方案进行优选，对等离子喷焊合金材料进行分析，在进行大量实 验后改进了喷焊材料的成分及性能； ( 3 ) 研究适合无磁钻具喷焊的粉末合金材料，完成无磁钻具等离子喷焊设备的技术 改造、喷焊工艺的研究及参数制定，从实际使用效果出发，通过分析确定耐磨带的喷焊 位置。 拟解决的关键问题： ( 1 ) 分析钻具失效形式与机理，找出原因； ( 2 ) 通过实验分析改良焊接工艺及保护。 3 第二章无磁钻具及其作用 第二章无磁钻具及其作用 随着国内外石油钻井技术的不断发展和进步，定向井、水平井、丛式井越来越多， 无磁钻具的使用量也随之增大。在钻井时要时刻知道井眼的方位和垂直度，这是用磁性 测量仪器( 以下简称罗盘) 通过钴铤部位测定的。由于所有罗盘在测量井眼的方向时，感 应的是井眼的大地磁场，因而罗盘必须是一个无磁环境。然而在钻井过程中，钻具往住 具有磁性，具有磁场，影响罗盘，不能得到正确的井眼轨迹测量信息数据，利用无磁钻 铤可实施无磁环境，保证了罗盘测到的数据为真实的大地磁场信息。 2 1 无磁钻具在定向井作用 无磁钻具在钻井中，应用在钻柱的底部。定向钻井工程作业中用磁性罗盘进行随 钻测斜，测斜罗盘处于无磁钻具的适当位置，使罗盘不受附近铁磁钻柱的影响。如果使 罗盘处于铁磁钻柱的水眼中，由于铁磁性钻具的导磁力极高，地磁场磁力线沿钻具绕行， 钻具内部处于磁屏蔽状态，水眼部分的地球磁场强度趋于零，罗盘不能分辨南北极。而 处于无磁钻具水眼中的罗盘，由于其周围的钻具是无磁性的，即它的导磁率与空气的导 磁率大致相同，水眼空间的地磁场与当地原来的地磁场相同，罗盘便可以照常指示当地 原来的地磁方向，测斜仪器就可以准确的测出井眼的轨迹。因此，无磁钻具在钻井作业 中起着很重要的作用。下面介绍无磁钻具在定向井中的应用。 在定向钻井作业中，用罗盘进行随钻测斜时，在罗盘所处的位置附近安装无磁钻铤， 其目的不是给罗盘提供一个无磁场的环境，而是使罗盘摆脱贴近的铁磁性钻柱的影响。 如果让罗盘处于铁磁性钻柱的水眼中，由于铁磁性钻具的导磁率极高，水眼部分的地球 磁场强度趋于零，罗盘便不能正确指示南北极。而无磁钻铤水眼中的罗盘，情况就大不 一样了，由于钻铤无磁性( 按物理学定义是顺磁性的) ，即无磁钻铤的导磁率与空气的导 磁率大致相同。水跟空间的地磁场与当地原来的地磁场相同，罗盘便可以正常指示当地 原来的地球磁场。 如果想降低磁力干扰，就必须调整无磁钻铤的长度与罗盘在钻铤中的位置。图2 1 是地磁水平磁场强度区域图，全球磁场强度分了3 个区域，我国大部分地区处于图中1 区 位置，再利用经验的井斜角和方位角关系图( 见图2 2 ) ，就可以确定无磁钻铤的长度和 罗盘在钻铤中的最适位置。 4 第二章无磁钻具及其作用 用是通过它把电缆送入钻具直至井底t 6 1 。无磁钻铤的作用一是避免由于使用钢钻铤而对 测量仪器产生的磁影响；二是屏蔽上下钻具及井壁周围的磁场，以保证磁性测量仪器测 量结果的准确性。 这种钻具组合，完善了在各区块单弯双稳钻具结构的应用。该套钻具在常规定向井 中实现了直井段定向段稳斜段的一趟钻工程，简化了施工工序，缩短了钻井周期；但 在实现快速钻井的同时也出现了一些局限性，主要包括以下两个方面： ( 1 ) 在易缩径、易垮塌等复杂地层钻井施工中，双扶正器易引起井下复杂和事故发 生： ( 2 ) 在大井眼、大井斜定向井中，上扶正器托压严重滑动困难。 为了解决以上矛盾，试验应用了单弯单稳钻具组合，取得了理想的效果。 钻头+ 螺杆+ 无磁钻铤( m w d ) + 钻铤( 加重钻杆) + 钻杆【7 】 特点：钻具结构简单，减少复杂与事故的发生，滑动钻进可以避免拖压现象的发生 概率。 2 2 常用的无磁钻具 无磁钻具指由磁导率很低的不锈合金钢制造的石油钻具( 含无磁钻铤见图2 - 3 、无磁 钻杆见图2 - 4 、无磁稳定器等) ，具有普通钻具功能，同时利用其导磁率很低的特点，将 钻井测斜仪器下入并下，通过为钻井测斜仪器创造无磁环境，保证钻井测斜仪器测到数 据为真实大地磁场信息，为井下造斜提供依据。 图2 - 3 无磁钻铤 f i 9 2 - 3n o n - m a g n e t i cd r i l lc o l l a r 6 图2 - 4 无磁钴杆 f i 9 2 - 4n o n - m a g n e t i cd r i l lp i p e 2 2 1 无磁钻铤 ( i ) 无磁钻铤作用及工作原理 无磁钻铤的干扰磁场线不会对测量仪器部位产生影响，因此无磁钻铤使磁性测量仪 器处于无干扰磁场的环境，确保磁性测量仪器测得的数据就是真实大地磁场信息。 钻柱实质上是一个长而薄的磁体，靠近并底部分则是两个磁极中的一个。钻柱会产 生磁场，任何时候都几乎等于地球磁场的水平分力，因为钻柱产生的磁场会干挠所在地 的地磁场，即井斜越大，罗盘读数误差也越大，这样导致罗盘读数失实。当井筒方位靠 南或靠北时，钻柱产生的磁场和地球磁场则相同，此时的井斜读数是正确的。但当钻柱 产生的磁场偏离正南或正北，罗盘可能指北，但实际方位却是偏离正北的。井筒的纬度 会增加读数误差。随着测斜技术发展，为了获得真实大地磁场信息，特别当靠北极钻井 时，加长无磁钻挺是很有必要的，由于磁性测量仪器感应的是井眼的大地磁场，所以测 量仪器工作时应该处于无其它干扰磁场的环境。利用无磁钻铤就可以实现无干扰磁场的 环境，以便获得真实大地磁场信息。 无磁钻铤在作业时，和普通钻铤一样也承受着相当大的冲击力和扭转力，因此需要 高的强度和疲劳性能。由于在无磁钻铤作业中经常会遇到盐岩层，这样会导致钻井液的 含盐量提高，这也是晶间腐蚀的原因，所以应确保无磁钻铤有较好的抗晶间腐蚀性能。 无磁钻铤工作原理【8 j 如图2 5 所示： 7 地磁场线：磁性测量仪：钢钴铤；干扰磁场线；钻头接头；无磁钻铤 图2 5 无磁钻铤的作用原理示意图 f i 9 2 - 5 t h er o l eo fn o n - m a g n e t i cd r i l lc o l l a rs c h e m a t i c 无磁钻铤首尾的干扰磁场线对测量仪器的感应门没有影响，这样无磁钻铤为磁性测 量仪器创造了一个无磁环境，所以磁性测量仪器更容易测到精确数据。 ( 2 ) 无磁钻铤规格见表2 - 1 。 表2 - 1 无磁钻铤规格 t a b l e2 - 1 s p e c i f i c a t i o n so fn o n - m a g n e t i cd r i l lc o l l a r 重量( 埏) 外径( n h n )内径( m m )连接螺纹 长度7 6 2 0 m m长度7 6 2 0 m m 8 8 93 8 1n c 2 63 0 23 6 2 1 2 0 6 55 7 1 5n c 3 55 3 l6 6 2 1 5 8 7 57 1 4 4n c 4 6 9 4 7 11 7 8 1 5 8 7 55 7 1 5n c 4 61 0 3 41 2 4 5 1 6 5 1 7 1 4 4 n c 4 61 0 4 3 1 2 9 8 1 6 5 15 7 1 5n c 4 61 1 3 01 4 0 7 1 7 7 87 1 4 4n c 5 01 2 4 91 5 5 4 1 7 7 85 7 1 5n c 5 01 3 3 51 6 6 3 2 0 3 2 7 1 4 4 6 5 8 r e g17 0 i 2 “6 2 2 8 67 1 4 46 5 8 r e g2 2 1 72 7 6 0 2 4 1 - 37 6 2 7 5 8 r e g 2 4 6 8 3 0 6 4 ( 3 ) 无磁钻铤安放位置及长度的确定 8 无磁钻铤的安放位置应根据钻具组合的特性( 造斜、增斜、稳斜或降斜) 的具体尺 寸和连接螺纹类型，使之尽可能接近钻头。具体步骤如下： 无磁钻铤长度和测量仪器处在无磁钻铤中的位置的确定； 根据地球水平磁场强度分区图确定所在井位所属的区域； 确定无磁钻铤长度及测量仪器安放位置的确定方法： a 根据井位确定地磁水平磁场强度区域，我国都处在1 区； b 在“无磁钻铤长度及仪器位置选择图表”中，选择使用区域的图表； c 在使用区域图表中，根据是否有井底动力钻具选择图形； d 根据井斜角和井斜方位角的正交点，在图中确定无磁钻铤长度和测量仪器处在无 磁钻铤中的位置( 如图2 - 6 ) 。 9 p 援 霭 欺 没有动力钻具 区 有动力钻具 井斜方位角，( 9 ) f 嫒 碡 畚 井斜方位角，( 。) 夏甭萄砑钻具 区 井斜方位角，( 。) 产 鼍 震 霭 兼 有动力钻具 井斜方位角，( 。) 图2 - 6 无磁钻铤长度及测量仪器位置选择图表 f i 9 2 - 6 n o n - m a g n e t i cd r i l lc o l l a rl e n g t ha n dt h el o c a t i o n s e l e c tac h a r tm e a s u r i gm s t r u m e n t s ( 4 ) 无磁钻铤的使用要求 无磁钻铤使用长度要根据井斜和方位的不同情况进行合理选择； 测量时，测斜仪位置必须按要求放在无磁钻铤中下部； 由于无磁钻铤比普通钻铤硬度低，上扣时注意不要错扣。 1 0 无磁承压钻杆即是无磁加重钻杆，它的壁厚介于钻杆和钻铤之间，能承受拉伸载荷， 也允许承受压缩载荷。 ( 2 ) 无磁承压杆用途 替代无磁钻铤的功用，使磁性测量仪器不受钻具磁场的影响，确保磁性测量仪器数 据准确。 ( 3 ) 无磁承压杆规格见表2 2 。 表2 - 2 无磁钻杆规格 t a b l e 2 - 2 n o n - m a g n e t i cd r i l ls p e c i f i c a t i o n s 外径内径 重量( k g ) 紧扣扭矩 连接螺纹 长度 ( f i l m )( m m )k n m 9 3 0 0 m m 8 8 9 5 2 4n c 3 83 4 51 3 4 1 2 77 6 2n c 5 06 7 34 0 ( 4 ) 无磁承压杆使用要求 。 无磁承压钻杆使用长度要根据井斜和方位的不同情况进行合理选择； 测量时，测斜仪位置必须按要求放在无磁承压钻杆中下部； 由于无磁承压钻杆比普通加重钻杆硬度高，上扣时注意不要错扣。 2 2 3 无磁稳定器 无磁钻铤全长即为均匀、连续的无磁环境。显然，在两个无磁钻挺之间的钢稳定器 或钢件间，存在导致影响罗盘读数精度的微量线性力( 图2 7 为稳定器有害效应示意图) 。 为了获得良好的测量精度，在两根无磁钻挺之间或在无磁钻挺的顶端或下端，使用的稳 定器必须具备无磁特征，也即稳定器没有干扰地球磁场，因此，它应采用无磁钢制造【9 1 。 图2 7 无磁钻铤间钢稳定器的有害效应 f i 9 2 7n o n m a g n e t i c d r i l lc o l l a rb e t w e e nt h eh a r m f u le f f e c t so f s t e e lc e n t r a i i z e r 为了使无磁钻具的磁导率低于空气，一般采用奥氏体不锈钢制造。这种材料的韧 性和塑性好，强度和硬度较低，不能通过热处理使之相变提高强度和硬度，价格昂贵。 无磁钻具在钻井过程中承受的是压力，在钻柱的压力下，无磁钻具与井壁相贴，由于 无磁钻具的硬度低，抗耐磨能力差，无磁钻具在旋转过程中，易发生较快的磨损，外 径变小，当钻具的外径低于一定值后，钻具的强度达不到要求，钻具将无法再使用l l 叭。 为掌握无磁钻具外径磨损情况，我们调研了华北油田4 0 6 9 4 ，5 0 5 1 0 钻井队部分 在用无磁钻具，测量外径尺寸，了解钻具磨损情况。无磁钻具磨损情况见表3 1 。 表3 - 1 无磁钻具磨损情况表 t a b l e 3 - it h ew e a ro fn o n m a g n e t i cd r i l l 钻具( 接头) 外径 钻具( 接头) 本体 序号 钻具名称 实际最小外径 外径最大磨损量 ( m m ) ( m m ) ( r a m ) l 无磁钻铤 1 6 5 11 5 41 1 1 2无磁钻铤1 6 5 11 6 0 24 9 3无磁钻铤1 6 5 11 5 69 1 4 无磁钻铤 1 6 5 11 5 21 3 1 5无磁钻铤1 6 5 11 6 05 1 6无磁钻铤1 6 5 11 5 3 5 11 6 7 无磁钴铤 1 6 5 11 5 51 0 1 8无磁钴铤1 6 5 11 6 5o 1 9无磁钻铤 1 6 5 11 6 1 53 6 l o 无磁钻铤 】6 5 11 5 9 55 6 1 】 无磁钻铤 1 2 】11 6 5 1 2 无磁加重钻杆 1 6 8 31 5 1 81 6 5 1 3无磁加重钻杆1 6 8 31 5 11 7 3 1 4 无磁加重钻杆 1 6 8 31 5 21 6 3 通过测量数据说明无磁钻具的磨损是比较严重的，尤其是无磁加重钻杆接头外径 磨损更快。 1 3 第三章无磁钻具磨损机理分析 3 1 无磁钻具磨损分析 无磁钻具比普通钻具更容易磨损，因为无磁钻具工作的地层更加复杂，钻进深度大 且工作环境恶劣，疲劳破坏，氢脆、腐蚀、磨损破坏等都会造成无磁钻具的损坏，其中 疲劳破坏是无磁钻具磨损的最主要因素i l 。钻进过程中，钻柱受到交变应力作用，丝扣 和钻柱表面会不断的磨损，当磨损到达一定程度时，会导致钻具的破坏【l2 1 。另外，无磁 钻铤在钻井时，承受着很大扭转力和冲击力，需要高的强度和疲劳性能。由于在钻井过 程中经常会遇到盐岩层，导致钻井液的含盐量达到很高的程度，这是晶间腐蚀的原因， 因此应确保无磁钻铤有较好的抗晶间腐蚀性能是很重要的。 ( 1 ) 井下钻具受力分析 在石油开发的初期，石油钻井的开发手段比较单一，主要是垂直井，这样的钻井技 术，对于井下的钻具而言，风险相对要小，因为这种并眼中的钻具受力比较单一，只有 一种以钻具中一t l , 为轴一t l , 的剪切力，轴向拉应力( 或压应力) ，剪应力通过钻盘给出的这种 力量通过井下钻具为导体，把这种力量传送给井底的钻头，从而达到钻进的目的。处于 钻头附近的底部钻具受力较复杂，除了剪应力外，还承受着一种上下的交变应力。然而 随着井眼轨迹复杂，如绕障，水平井、大位移井、分支井等，井下钻具的受力就要比常 规直井的钻具受力复杂的多，底部钻具承受的钻具轴向垂直剪应力会更复杂，有时在狗 腿度大、地层硬、送钻急的几种不利情况综合下，会使底部钴具承受超负荷破坏载荷而 在其薄弱处断裂。就目前的大井斜定向井( 包括水平井) 而言，底部钻具承受的力有如 下几种： 轴向的压力( 拉力) ，这种力来自钻井过程中钻具本身的重量和送钻钻压，轴向压 缩不可能使接头的台阶面产生分离，且接头的抗压能力高于抗拉能力，故在轴向压缩和 扭矩共同作用下，只要作用扭矩低于上扣扭矩，接头不致产生破坏。但轴向力随着钻头 上承受的钻压而变化，这种轴向压力、拉力交替变化对于处于中和点附近的钻具破坏最 大，从而影响着底部钻具使用寿命，在定向过程中的滑动钻进的时候，这种力最为突出。 以井眼轴心为中心扭矩，通过钻具作为力量的导体把井口的动力传送给井底的 钻头，达到旋转钻进的目的。 与钻具轴一t l , 垂直的横行弯曲力，即横向剪切力，这种力体现在并眼轨迹变化较 大的位置，如增斜井段。这个位置的钻具受力除了上述几种力外，横向剪切力较为明显， 也是钻具疲劳断裂的主要因素。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 在井下有造斜钴具组合的情况下，处于弯接头部位的钻具承受着特殊的横行交 变应力，这种力也是造成弯曲部位钻具疲劳断裂的主要因素。 ( 2 ) 地层可钻性分析 在同样工况下，钻具所受摩阻和扭矩与地层软硬有很大关系，地层越硬，尤其是软 硬交错和有砂砾岩、玄武岩的地层，使钻头在井底产生跳动，底部钻具震动加大，钻具 受力不稳，各种力相互交错，大大加速了钻具的疲劳损坏。地层的可钻性好，钻具的疲 劳损坏小；地层的可钻性差，钻具的疲劳损坏大。 ( 3 ) 磨损数据分析 统计每根钻具使用状况，包括磨损、破坏程度，使井上技术人员、管理人员对上井 前钻具有一个清楚了解。但由于钻具磨损受地层、工作环境、工作内容影响，如一个无 磁钴铤可能先后要在不同区块工作，但每个区块由于钻遇地层不同，在同样的工作时间 内钻具所受磨损和疲劳破坏会不一样，同时钻具在定向段、6 0 度以后及水平井段工作， 工作时间相同而受磨损和疲劳破坏也不一样，所以，要靠跟踪统计钻具工作时间对钻具 磨损程度和疲劳破坏进行评估的方式是一个复杂且工作量很大的工作，很难确定钻具在 可钻性好和差的地层使用多长时间应该报废，或多长时间探伤。目前人员与统计手段很 难实现，而如果简单统计每根无磁钻具的工作时间与进尺，结果与实际差别会很大。目 前钻铤没有按“吨公里”报废标准，一般c1 5 9 m m 磨细到口1 4 6 m m 不再使用，钻具探伤根 据经验浅井可钻性好的井2 - - 3 口进行一次探伤，可钻性差的一口井至少1 2 次；国外公 司仪器外壳体使用2 年就报废。仪器施工主要在造斜井段，施工井段虽然短，但是狗腿 度大、钴具受力复杂，疲劳断裂相对严重。目前只有加大探伤力度来保证仪器施工安全。 对使用了2 年的仪器外壳体不再使用目前还办不到。 ( 4 ) 无磁钻具螺纹疲劳磨损分析 在钻井作业过程中，和常规钻具一样，无磁钻具处于井部的最下端，不仅连接钻 头为其提供钻压，而且长时间处于交变应力作用状态，非常容易磨损，产生裂纹1 1 引。 无磁钻具的价格昂贵，且大多来源国外进口，由于经济原因，很多油田的无磁钻 具常常处于反复使用状态，长时间的钻井作业使钴具磨损。 无磁钻具的操作人员使用不规范和缺乏维护保养措施，也是造成无磁钻具表面裂 纹的一个原因。 3 2 钻具疲劳破坏寿命的分析 1 5 第三章无磁钻具磨损机理分析 钻具的破坏磨损原因有很多，此处我们主要分析钻具疲劳破坏，即钻具拉伸和弯曲 引起的疲劳破坏。 3 2 1 钻杆疲劳破坏分析 ， ( 1 ) 钻杆体不接触井壁时，当轴向载荷为拉力时，最大弯曲应力在钻杆的接头处； 当轴向载荷为压力时，钻杆中间弯曲应力最大。 ( 2 ) 当钻杆与井壁接触后，在拉伸载荷作用下，最大弯曲应力在靠近与井壁接触处； 在压缩载荷作用下，最大的弯曲应力在钴杆的其它部分而不在与井壁接处的地方。 当弯曲应力小于疲劳强度极限时，就不会出现疲劳破坏；当弯曲应力大于疲劳强度 极限时，疲劳破坏就会发生。钻杆受到的弯曲应变力与钻杆外径成正比，与井斜角成反 比。 3 2 2 钻铤疲劳破坏分析 钻铤的疲劳破坏与钻杆不同，由于钻杆的刚度随接头强度的增高而增大，因此弯曲 最大值常在接头附近的钻杆体上，钻铤的接头没有钻铤本身大，所以应力最大值常在接 头上，这也是大部分钻铤在接头发生断裂的原因【1 卯。 当钻铤受到弯曲应力时，应力集中在钻铤接头上公接头和母接头处。从母接头到公 接头抗弯截面突然减小，。这就产生了弯曲应力集中。该处螺纹的切口作用，加深了应力 的集中。为了避免这样的疲劳破坏，必须要有紧扣扭矩，这样在受到弯曲应力作用时， 肩面不会产生分离。其次，钻铤的接头疲劳破坏也应防护，如果公接头强度大于母接头 强度，这会使母接头不能承受公接头的弯曲导致同时断裂。与此相反，母接头强度大时， 弯曲就仅发生在公接头处，导致公接头断裂，所以使公母接头的强度必须达到一定的平 衡 】6 1 。 钻铤疲劳的防护措施： ( 1 ) 采用最佳紧扣扭矩( 低转矩面结构如图3 1 ，减小接头处钻铤外径【1 7 】) ： ( 2 ) 采用适当的弯曲强度比( 强度比应该在2 2 5 2 7 52 _ 1 日- j t l 8 】) d 4 一b 4 弯曲强度比= 尚 ( 3 - 1 ) a 。一d 。 口 式中， 口瑚头外径，m m ； 图3 - 1 低转钜面结构图 f i g3 - 1 s t r u c t u r eo fl o wt u r nh u g es u r f a c e 1 7 4 1 无磁钻具材料 第四章无磁钻具材料及检验 无磁钴具应用于井下特殊工况，选用的钢材直接影响无磁钻具的使用寿命，本文在 此介绍常用的几种无磁钻具用钢材料【2 0 】： ( 1 ) 蒙乃尔合金 蒙乃尔合金的化学成分及机械性能见表4 1 。 表4 - 1 蒙乃尔合金化学成分及机械性能 t a b l e4 - 1m o n e la l l o yc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 化学成分( 重量)机械性能 抗张屈服 强度 延伸率 布氏导磁 碳锰镍硅铜钛铝 强度( m v a ) ( m p 小 ( ) 硬度 蛊 0 1 50 86 6 7o 0 62 7 8o 63 11 0 3 4 4 8 7 8 6 21 8 3 4 4 82 03 0 0 s 1 0 1 蒙乃尔合金虽然具有不易腐蚀的优点，但是由于镍含量高所以价格昂贵且易磨损。 ( 2 ) 铬- 镍钢 这种钢约含1 8 的铬和镍，这种钢易于塑性变形导致螺纹过早损坏，特别对需要扭 矩高的大钻铤更为不利。具体成分见表4 2 。 表4 2 非磁性铁合金化学成分 t a b l e4 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fn o n m a g n e t i ca l l o y 化学成分( 重量) 合金名称 碳硅硫磷氮铬镍钼锰钛 铬镍合金0 0 6 s 1 o 0 3o 0 4 5o 21 5 ，1 81 3 1 52 5 32 铬镍锰合金 0 0 6 50 50 0 0 40 0 41 4 一1 61 0 1 20 21 0 1 2 铬锰合金郢0 7o 6 50 0 0 30 。0 3o 2 0 31 1 ，1 42 s 1 】8 n i p p o n e l12 8 0 o o l183 4o 8 ， - ( 3 ) 以铬和锰为基础的奥氏体钢 其制造方法为半热锻形变强化方法，这种钢的缺点是对盐水钻井液应力腐蚀很敏 1 8 式： 伍铁或纯铁体；铁磁态( 无磁态达7 6 8 c ，不溶解碳) ； q 铁或奥氏体的无磁态达1 4 0 0 。c ，溶于碳。由于原子的运动，使电子不可能瞬时 自转定向，因而铁磁体变为顺磁体； 超过1 4 0 0 ，铁为无磁体，不溶解碳。 。 ( 4 ) 铍铜合金 用铍铜巴氏合金2 5 制造的无磁钻铤钻井液腐蚀性好，尤其对硫化物应力破坏抵抗 性更好。磁化率低，接头不易磨损，机加工性能好，由于其成分为重量百分数铜占9 8 ， 铍占2 ，所以价格很贵。 ( 5 ) s m f i 无磁钢 s m f i n m 钻铤采用高抗腐蚀、高磁特性的优质无磁材料制造。s m f i n m d c 无磁材 料化学成分见表4 3 。 表禾3s m f i 无磁材料化学成分 t a b l e4 - 3s m f ic h e m i c a lc o m p o s i t i o no fn o b m a g n e t i cm a t e r i a l s 化学成分 cs im n n ic rm o o 0 6o 51 7 1 92 5 01 21 1 5 ( 5 ) 国产锰铬镍钢