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钻井装备手册-石油钻具简介

2017-10-07 09:32:56 qjjx

(一)、钻杆

钻杆是钻柱的基本组成部分,主要用于传递扭矩、输送钻井液,以及在钻井过程中不断连接钻杆,以达到不断加深井眼的深度。钻杆是钻井作业中条件最恶劣的,它除了承受扭矩以外,还受由钻柱本身重量而产生的拉应力,这种应力越往上越大。

钻杆可分为普通钻杆和加重钻杆等。

普通钻杆是钻柱的主要组成部分,上面连接方钻杆,下面连接钻铤,其作用是传递扭矩,使钻头向下钻进,加深井眼。

加重钻杆是普通钻杆与钻铤之间的过渡钻柱段,它能有效的缓解钻铤与钻杆在结合中过渡段的应力集中,提供钻压并能有效地减少钻柱与井壁的接触面积及外径磨损率。加重钻杆主要用在钻井的造斜曲率段和水平段进行动力传递,并利用其柔性保证钻井中测井和定向要求。

1、钻杆的整体结构说明

钻杆由钻杆公接头、母接头和钻杆管体三大部分通过摩擦焊接的方式连接而成。

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图一  钻杆机构示意图

     

2、高强度常规钻杆参数表见表2-1

3、高强度钻杆的管体、接头和焊区的力学性能应满足表2-2中的要求。

4、新钻杆接头和新高强度钻杆的机械性能见表2-3


(二)、钻铤

1、钻铤说明

钻铤处在钻柱的最下端,是下部钻具组合的主要组成部分。其主要特点是壁厚大,具有较大的重力和刚度。使用轧制或锻造的AISI4145H铬钼合金钢制造,对化学成分及微量元素的含量进行有效控制。

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。

钻铤一般分为三种:螺旋式钻铤、无磁钻铤、整体圆柱式钻铤。

⑴整体圆柱式钻铤为光滑的厚壁圆管,两端加工螺纹;

⑵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;

⑶无磁钻铤主要用于石油钻井过程中的检测,结构与整体钻铤相同。无磁钻铤是使用N1310低碳合金钢制造,该材料是经过严格的化学成分分析锻造而成,该材料经机械性能测试可以确保硬度、韧性、冲击值以及抗腐蚀性能符合标准,具有良好的低磁导率和良好的机械加工性能。

为了方便起下钻工作,可以在钻铤的内螺纹的外表面加工吊卡槽和卡瓦槽。根据钻井施工情况钻铤螺纹可选择应力释放机构和冷加工,应力释放机构和冷加工能有效降低螺纹的疲劳失效;钻铤螺纹和台肩面进行镀铜或磷化处理。

2-5 钻铤的机械性能

钻铤外径

屈服强度

MPa

抗拉强度

MPa

伸长率

%

布氏硬度

HB

夏比冲击功

J

mm

in

螺旋式钻铤和圆柱式钻铤机械性能

79.4171.4

36

758

965

13

285341

54

177.8279.4

711

689

930

13

285341

54

无磁钻铤机械性能

79.4171.4

36

758

827

18

285360

75

177.8279.4

711

689

758

20

285360

75









2-6  标准钻铤的尺寸规格

2-7 API 尺寸和非API尺寸内、外径组合的常规钻铤重量

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(三)、方钻杆

1、方钻杆用途

方钻杆位于钻柱的最上端,有四方形和六方形两种,在转盘钻井中,钻进时方钻杆与方补心、转盘补心配合,将地面转盘扭矩递给钻杆,以带动钻头旋转,并承受钻柱悬重重量;在涡轮和螺杆的钻井中,承受钻柱悬重重量和反扭矩。

(四)、钻杆工艺简介

1、钻杆管体毛坯进料检验

按照钻杆平端管检验规范及检验工艺卡对钻杆管体毛坯进行材料钢级、化学成分、几何尺寸、超声波探伤、外观质量等项目检验,并填写相关检验记录表。

化学成分检测:每钻杆炉次抽取两根钻杆进行化学成分检测,P(磷)的含量不超过0.02%S(硫)的含量不超过0.015%,满足API 5DP标准要求;

超声检测:采用按照规定基准指示器(样管)校准的设备对管体进行超声波探伤;对于钢级X、G,无径向深度大于规定壁厚5%的线性缺陷样管带有N5级内、外周向和轴向刻槽,深度为规定壁厚的5%(超过API 5DP钻杆规范),刻槽长度不大于50.8mm,最大宽度为1.0mm,缺口是矩形或U型;对于钢级S,无径向深度大于规定壁厚5%的线性缺陷,样管带有N5级内、外周向和轴向刻槽,深度为规定壁厚的5%,刻槽长度不大于50.8mm,最大宽度为1.0mm,缺口是矩形或U型;

本质量控制过程提到的所有NDE(无损检测)操作,都由按照国际标准ISO 11484鉴定的无损检测人员进行;钻杆外观检验的光照度不低于500 lux

2、钻杆接头检验

按照钻杆接头检验规范及图纸对钻杆接头进行化学成分、几何尺寸、无损探伤(磁粉和超声波)、外观质量、螺纹单项参数等项目检验,并填写相关的检验记录表。

化学成分检测:外螺纹接头和内螺纹接头分别抽取一个做化学成分检测,P(磷)的含量不超过0.02%S(硫)的含量不超过0.015%,满足API 5DP标准要求;

螺纹单项参数:锥度测量、螺距测量、牙高测量、基面螺纹中径测量和紧密距测量符合API Spec 7-2标准要求。

力学性能:每炉或每200个接头抽取一个做拉伸试验、冲击试验和硬度试验,其结果满足API 5DP标准要求。

3、钻杆管端镦粗

按照钻杆加厚作业指导书进行钻杆管端镦粗加工,其加厚尺寸、外管质量等符合钻杆加厚工艺卡要求,并填写加厚尺寸检验记录。

加厚端内外表面无凹坑、折皱等修复后达不到要求的缺陷;内外加厚过渡段光滑,无可引起90°钩形工具挂住的任何锐角或截面突变。

4、钻杆整体热处理

按照钻杆整体热处理作业指导书及钻杆热处理工艺卡对钻杆进行整体热处理(淬火+回火)加工,并按照钻杆理化试验作业指导书进行力学性能试验,力学性能结果满足相关文件要求,填写理化试验记录及调质炉温度记录。

按照国际标准API 5DP及其它标准对热处理方法、设备及人员进行工艺评定,工艺评定记录包括热处理工艺、热处理设备、力学性能试样取样位置、尺寸大小及试验结果,其力学性能取样位置、尺寸大小及试验结果符合API 5DP要求。

5、钻杆热矫直

按照钻杆加厚作业指导书及钻杆热矫直工艺卡对钻杆进行热矫直加工,并按相关检验规范检验其直度、椭圆度等几何尺寸和外观质量,填写检验记录及钻杆矫直记录。

钻杆直度采用拉线法或直尺法测量,偏离直线值或弦高不得超出以下规定:

a ) 从管子一端测量到另一端的总长的0.1%(超过API 5DP钻杆规范)

b ) 在每端1500mm范围内,沿横向的最大下降值为2mm(超过API 5DP钻杆规范)

6、钻杆管体水浸超声波探伤

按照钻杆管体水浸超声波探伤检验规范对钻杆管体进行全长超声探伤,钻杆管体无淬火裂纹、无超过规定深度的缺陷等,填写超声探伤校验记录、超声探伤检验记录和超声探伤检验报告。

根据需检验的管子选择样管,样管与被检管子相同曲率(管径)、相同壁厚、钢级、相同声速、衰减系数、相同表面状况的材料;

对于钢级X、G,无径向深度大于规定壁厚5%的线性缺陷样管带有N5级内、外周向和轴向刻槽,深度为规定壁厚的5%(超过API 5DP钻杆规范),刻槽长度不大于50.8mm,最大宽度为1.0mm,缺口是矩形或U型;对于钢级S,无径向深度大于规定壁厚5%的线性缺陷,样管带有N5级内、外周向和轴向刻槽,深度为规定壁厚的5%,刻槽长度不大于50.8mm,最大宽度为1.0mm,缺口是矩形或U型;

按照国际标准ISO 9303(纵向)、标准ISO9305(横向)及ISO 11484对超声检测方法、设备、人员进行工艺评定,工艺评定记录包括NDE设备检验能力参数、NDE系统操作参数、NDE设备描述、NDE人员资格评定信息等

7、钻杆管端矫直

按照钻杆管端矫直作业指导书及钻杆管端矫直工艺卡对钻杆管端进行矫直,用鞍型仪等量具检验管端平直度和同轴度,填写钻杆管端矫直记录。

按照工艺卡对钻杆加厚端进行矫直,读数不超过1.5mm(超过API 5DP钻杆规范)

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8、钻杆管端加工

按照钻杆管端加工作业指导书及管端加工工艺卡对钻杆管端内外径进行车削加工,加厚表面无凹坑、折皱等缺陷,用游标卡尺等量具检验管端加工尺寸,填写钻杆管端加工记录。

9、钻杆管端无损探伤

按照钻杆加厚端磁粉探伤检验规范和钻杆加厚端超声探伤检验规范对钻杆加厚端进行磁粉、超声探伤检验,其磁悬液浓度、A型标准试片、超声试块、超声探头等符合相关文件要求,填写钻杆加厚端磁粉探伤检验记录、磁粉探伤检验报告、超声探伤检验记录和超声探伤检验报告。

超声波检测:对于钢级X、G、S,无径向深度大于规定壁厚5%的线性缺陷;超声试块带有N5级内、外周向和轴向刻槽,刻槽长度不大于50.8mm,最大宽度为1.0mm,深度为规定壁厚的5%,缺口是矩形或U型;

磁粉检测: A型(15/50)标准试片,从具备权威机构认可的生产厂家采购,并附有合格证书;黑光灯强度应大于1000μw/cm2 ;退磁后剩磁强度小于3GS。

按照国际标准ISO 9303(纵向)、标准ISO 9305(横向)、ISO13665(磁粉)及ISO 11484对NDE检测方法、设备、人员进行工艺评定,工艺评定记录包括NDE设备检验能力参数、NDE系统操作参数、NDE设备描述、NDE人员资格评定信息等

10、钻杆管体、接头平端面

按照钻杆管体和接头平端面作业指导书及钻杆管体和接头平端面工艺卡对钻杆管体和接头端面进行车削加工,表面保持清洁无油污等缺陷,填写管体、接头平端面记录。

13、钻杆摩擦焊

按照钻杆摩擦焊作业指导书及钻杆摩擦焊工艺卡对钻杆和接头进行摩擦焊接,用鞍型仪测量摩擦焊后的同轴度和角偏差,同轴度和角偏差满足工艺卡要求,填写同轴度、角偏差检验记录。

钻杆接头和钻杆管体同轴度偏差不大于2.4mm(超过API 5DP钻杆规范),角偏差不大于0.7mm/100mm(超过API 5DP钻杆规范)

按照国际标准ASME锅炉及压力容器规范,制定WPS(焊接工艺规范)和WPQ(焊机性能和焊工技能鉴定)对焊接设备、焊接工艺及焊接人员进行工艺评定,其工艺评定记录包括焊接设备性能、焊接工艺参数及焊后热处理的所有力学试验结果。

14、钻杆焊区退火热处理

按照钻杆焊区退火作业指导书及钻杆焊区退火工艺卡对钻杆摩擦焊区进行退火热处理,定时用测温仪校准退火温度,填写钻杆焊区退火热处理记录。

按照钻杆焊区作业指导书及工艺卡对钻杆焊区热处理设备、退火工艺及热处理人员进行工艺评定,工艺评定记录包括设备信息、工艺参数及人员信息等。

15、钻杆焊区飞边加工

按照钻杆焊区飞边加工作业指导书及钻杆焊区飞边加工工艺卡对钻杆焊区飞边进行车削加工,钻杆焊区不允许有台阶,填写钻杆焊区飞边加工记录。

16、钻杆焊区调质热处理

按照钻杆焊区调质热处理作业指导书及钻杆焊区调质处理工艺卡对钻杆焊区进行淬火加回火热处理,定时用折光仪校准淬火液浓度,用测温仪校准淬火和回火温度,填写钻杆焊区淬火和回火热处理记录。

按照钻杆焊区热处理作业指导书及工艺卡对钻杆焊区热处理设备、热处理工艺及热处理人员进行工艺评定,工艺评定记录包括热处理设备信息、热处理工艺参数及热处理后的所有力学试验结果等。同一规格、同一炉号、同一批次每400个焊缝抽取一个焊缝做拉伸、冲击、全壁厚硬度、侧弯及金相试验,其试验结果满足国际标准API5DP要求。

17、钻杆焊区内外修磨

按照钻杆焊区内外修磨作业指导书及钻杆焊区内外修磨工艺卡对钻杆焊区进行内外修磨处理,焊区内外表面不允许有任何尖角和台阶,并用通径规检验焊区通径,填写钻杆焊区内、外修磨记录。

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18、钻杆焊区弯曲、表面硬度检验

按照钻杆焊区弯曲、表面硬度检验规范及钻杆焊区弯曲、硬度检验工艺卡对钻杆焊区弯曲、硬度进行检验,每相隔120°测一次焊区表面硬度,其硬度值不超过37HRC,填写钻杆焊区弯曲检验记录、钻杆焊区表面硬度检验记录。

19、钻杆焊区无损探伤检验

按照钻杆焊区磁粉探伤检验规范和钻杆焊区超声波探伤检验规范对钻杆焊区进行磁粉、超声探伤检验,磁悬液浓度、试片、超声试块、探头等符合相关文件要求,并用游标卡尺、超声测厚仪检测钻杆焊区焊颈和壁厚,填写钻杆焊区磁粉探伤检验记录和钻杆焊区超声探伤检验记录。

超声波检测:钻杆焊区标准试块与被检验焊区具有相同的规定直径、壁厚、相同的声性能及表面粗糙度,并具有按照国际标准API 5DP规定的φ1.6通孔

磁粉检测:A型(15/50)标准试片,从具备权威机构认可的生产厂家采购,并附有合格证书;黑光灯强度应大于1000μw/cm2 ;退磁后剩磁强度小于3GS。

按照国际标准ISO 9303(纵向)、标准ISO9305(横向)、ISO13665(磁粉)及ISO 11484对NDE检测方法、设备、人员进行工艺评定,工艺评定记录包括NDE设备检验能力参数、NDE系统操作参数、NDE设备描述及NDE人员资格评定信息等

18、钻杆耐磨带焊接

按照钻杆耐磨带焊接作业指导书及耐磨带焊接工艺卡对钻杆接头进行耐磨带堆焊,用卡尺测量检验耐磨带尺寸,填写钻杆耐磨带堆焊及检验记录。

耐磨带分为凸起型和平齐型两种,凸起型耐磨带又分为普通凸起型耐磨带和含台肩凸起型耐磨带,耐磨带由多个焊道组成,每个焊道宽度为25mm,也可根据客户需要。

按照钻杆耐磨带相关标准及作业指导书,对焊接设备、焊接工艺及焊接人员进行工艺评定,其工艺评定记录包括焊机设备性能、堆焊工艺参数及堆焊后的所有力学试验结果;

耐磨带力学性能试验包括硬度、耐磨带与基体的结合强度、金相及磁粉检验。耐磨带截面硬度值超过55HRC(超过耐磨带标准);圆环试样压扁试验:圆环试样宽度=焊道宽度-3mm×2,逐渐增大压缩载荷,直到距加载点90°位置耐磨带及部分母材开裂,观察其开裂部位,耐磨带与基体没有分离,结合强度满足要求;金相试验观察堆焊热影响区深度不超过10mm

19、钻杆测长、称重、标识

按照钻杆测长、称重和标识作业指导书及钻杆测长、称重和标识工艺卡对每根钻杆进行测长、称重及模印标识,标识包括管体表面漆印标识和外螺纹根部可追溯性标识,填写钻杆测长、称重记录。

20、钻杆最终成品检验

按照钻杆成品最终检验规范对钻杆进行工序流转卡核对、外观质量、产品标识等项目检验,外观检验包括钻杆管体喷漆、接头螺纹和密封面、钻杆焊区及钻杆内孔等,产品标识包括钻杆管体漆印标识和钻杆接头外螺纹根部可追溯性标识,填写钻杆成品检验记录。

21、钻杆成品打包

按照钻杆成品包装作业指导书对不同钢级、不同规格、不同批次的钻杆进行打包,填写钻杆成品打包记录。

22、钻杆制造的工艺流程

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