钻井装备手册-钻杆的使用维护及失效分析

2017-11-08 13:19:21 qjjx 699

(一)、钻杆接头的使用和维护:

1、新接头的初次使用

   对于新接头的机械加工面,如螺纹及台肩等,要比用过数次的接头更易受磨损。用过数次的接头,接合表面经受一定的磨合后,更能抗磨损。

新钻杆接头初次使用,推荐采用以下预磨合步骤:

第一步:将接头上紧到最大推荐上扣扭矩值,然后卸扣。如果卸扣扭矩小于上扣扭矩,则不需要完全分开接头。

第二步:将接头再次上紧到相同上扣扭矩值,然后卸扣。分开内、外螺纹接头,重新涂抹螺纹脂。

第三步:再次按相同扭矩值上紧接头,新钻杆即可正常投入使用。

注:卸扣扭矩应当小于上扣扭矩,如果卸扣扭矩比上扣扭矩高,须将接头分开并检查损伤;公母接头的螺纹及密封台肩面在连接前必须彻底清理干净并且涂抹螺纹脂。

常规钻杆接头的推荐上扣扭矩值见表2-4

、清洗及检查

    公母接头的螺纹及密封台肩在连接前必须彻底擦拭干净,这样做的目的有三个:第一,由于清除污物,可以正确的紧扣,以减少螺纹磨损和松动;第二,提供了良好的检查条件;第三,由于清除了摩擦性污物,延长了接头使用寿命,清洗接头后,一定要把接头擦干,以保证丝扣油能良好的附着在接头表面。

清洗完接头后,详细检查螺纹及台肩,损坏了的接头绝对不能下井。即使是轻微的损坏,也可能造成接头连接漏失或松动。对于轻微损坏的接头,可以在现场用锉刀修复,对于松动或漏失过大的接头,应由修理车间进行修复,接头的这种损坏往往成对出现,这需要检查与修理时高度重视。

3、提升钻杆

当钻杆在移动和上架时,带上钻杆护丝可以防止大部分接头的损坏。不论是公扣或母扣的台肩和螺纹,在钻具提起或放下时,都应将它们保护好,不使受到损坏。

4、丝扣油

   钻杆接头在工作中会产生巨大的扭力,如果接头螺纹间没有分离油膜,那么,在这样高的单位扭力下,螺纹就会磨损或粘扣。

   在很高的扭力下,普通的润滑油脂将被挤掉,分离油膜就会消失或破裂,含有软金属充填料的丝扣油不会那么容易被挤掉,并且可以经受住较大的单位扭矩。

推荐使用含有重量比10:60的细锌粉丝扣油作为旋转接头台肩的丝扣油。

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5、钻杆下井

5.1 涂丝扣油

每个接头入井前必须将螺纹清洗干净并擦干,这项工作包括清洗原先涂抹在螺纹上的防锈油或丝扣油。每次下井时,母接头的螺纹和台肩面要均匀涂抹好丝扣油,最好用圆状硬毛刷来涂抹丝扣油,要保证丝扣油和刷子干净无杂物。

5.2 对扣

对扣时不许将公接头端部冲击到母接头台肩上。

5.3 旋扣

旋扣之前必须保证公母接头对中。当接头摇摆和有卡阻现象时,勿用高速旋扣,否则会烧坏螺纹。

5.4上扣

避免将结合不良的螺纹强行上扣,在对扣时,公扣牙顶可能坐落到相应的母扣牙顶上,引起卡紧作用,如果强行上扣,就会造成严重损坏,这时,可以用大钳以左旋方向稍稍回转一下,让公母接头松脱,提起立柱,轻微转动,然后再对扣。

5.5大钳紧扣

正确的用大钳紧扣是防止接头损坏的唯一最主要因素。必须运用扭矩测量仪表来控制紧扣扭矩,使扭矩不超过接头的扭矩强度。不能仅仅把扭坏接头的事故原因局限于井下,这种损坏事故往往由于紧扣扭矩过大或使用了不合规范的丝扣油而在地面发生。

应该强调,最低的紧扣扭矩不应低于规定紧扣扭矩的90%,低于这个最低紧扣扭矩,接头会因为连接不紧而发生下列问题:

6、钻杆出井

6.1 卸扣

扣卸松后,慢慢旋转钻杆使扣退出,这时要使钻杆承受一定的拉力,以保证被卸开钻杆螺纹不受到压力,并且当接头卸开后,有足够的拉力以防止公接头端部冲击的母接头台肩上。如卸扣扭矩过高,可能意味着井下扭矩负荷太大,对于这种接头要检查是否已损坏。

6.2 排放立柱

   排放立柱时,要把钻杆盒清洗干净,如果排放立柱时发生错位现象,不要用钳子爪或其他具有尖端的工具来撬移,若要移动立柱应该采用专门的工具,以防止接头台肩受伤。

6.3 拉下钻杆

拉下钻杆时,必须按下列规定操作:

要用清水洗净接头和钻杆的外表和内部,以清除对钻杆有快速腐蚀的盐类及其他腐蚀性物质。

在接头螺纹和台肩上要涂防锈油,对于准备要长期存放的钻杆尤为重要。

在钻杆移动前要戴好护丝。

检查钻杆是否排放平直,两层钻杆之间要用木板隔开,每根钻杆要有三处隔离。一处在中间,其他两处分别在公母接头的后边,钻杆的前后端部,隔离木板要有足够厚度,滚动钻杆时,不能使钻杆上下层钻杆接头相碰。

(二)、旋转台肩式螺纹的粘扣问题分析

     旋转台肩式螺纹广泛应用于各种钻具的连接。钻具在施工中受力情况非常复杂,在正常的旋转钻井中,不仅要承受拉压、扭转、弯曲,还要承受内压、外热、热循环等综合应力的作用,而在整个钻具中螺纹连接部位是最薄弱的环节,在现场使用中钻具失效形式之一便是螺纹粘扣,此类失效约占整个钻具失效的50%以上。

2.2.1  粘扣的形式

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螺纹粘扣的宏观形貌

粘扣是一种发生在相互接触金属表面间的冷焊。根据粘扣的程度,可分为轻度粘扣、中度粘扣和严重粘扣。轻度粘扣时,螺纹牙型出现轻微变形或局部牙型磨损、掉块,但不影响螺纹的拆卸和使用;中度粘扣时,螺纹拆卸困难,强力拆卸后可见明显的螺纹损伤,如大面积牙型磨损等,如不修复,无法按原设计紧密距使用;严重粘扣时,螺纹副无法卸开,采用破坏手段抛开后,可见螺纹牙侧撕裂,公母螺纹相互嵌入,即冷焊在一起。按粘扣发生的部位,可分为螺纹中部粘扣、台肩面损伤和其他部位粘扣,螺纹中部(即在螺纹母线中部)粘扣比较常见,约占粘扣现象的80%,其余两种发生的概率较少。

2.2.2   粘扣产生的原因

影响螺纹粘扣的因素是多方面的,甚至是几个因素的综合结果,但导致螺纹粘扣的根本原因是钻具在连接过程中,相互接触的公母螺纹螺旋表面存在一定的粗糙度或形状误差,在摩擦力的作用下从点接触开始,造成局部接触点上的应力非常高,超过螺纹基体屈服点的许用接触应力,从而产生塑性变形,达到一定程度,螺纹接触点两侧会发生局部再结晶、扩散或熔化等变化,表面之间极易粘合形成冷焊。

2.2.2.1  材料因素

许用接触应力与材料的强度、硬度有关,按API SPEC 5DP规定,钻杆接头内螺纹的硬度应在285341HBW,屈服强度在8271138MPa,拉伸强度965MPa,如上述指标没有达到,螺纹表面的接触应力就会降低。

2.2.2.2  加工因素造成的螺纹副几何偏差

钻具螺纹一般为特梯形螺纹,牙型角、牙侧角、锥度、螺距等均影响螺纹副的几何精度,理想的状态是,除牙顶与牙底留有间隙外,牙侧工作面全接触,但加工中的偏差是必然的。例如:牙型角与牙侧角偏差、螺距偏差、锥度偏差、紧密距偏差等。

2.2.3  使用因素

2.2.3.1  螺纹脂使用不当

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由于缺乏螺纹脂而使螺纹粘扣

螺纹脂的作用除了降低螺纹旋合过程中的摩擦系数,在螺纹台肩面之间形成一层致密的油膜,防止螺纹副干摩擦而损伤表面之外,还有一个更重要的作用是当公母接头上紧后,螺纹脂中的金属颗粒受到压力变形,填充了螺纹副及台肩之间的间隙,形成“金属圈”,使接触面受载均匀。但在使用时经常发生螺纹脂涂抹不均匀,出现空白处,那么在形成的“金属圈”上就会有间隙和凹凸,这样就会使高压钻井液漏失,刺坏台肩和螺纹,冲走螺纹脂及其中的金属填充剂,,当继续钻井时,会发生粘扣现象。另外,在多年的现场实践中,经常发生有人认为泥浆就可以做润滑液,这种认识是非常错误的,事实上泥浆不但不能做润滑液,而且由于泥浆中的岩液颗粒在螺纹副中扮演了磨粒作用,反而加快了螺纹表面损伤的速度。

2.2.3.2  操作不当

螺纹副的旋合有2个要禁忌,一是未对正,二是旋速太高。现场作业中处于旋接状态的钻杆均由游动滑车(大钩)悬吊,滑车中心与转盘中心中(或司钻放绳量太大),都将使公、母螺纹的中心线处于斜交状态,此时若强力拧紧,势必造成接触牙型的损伤,更不必说公母对扣瞬间的冲击对螺纹副的损伤了。现场操作中,凡有规律的螺纹中部粘扣均与上述原因直接相关。旋速太高时,即便已对正的螺纹也会发生咬牙现象,严重时,其中一螺纹的齿顶就会损伤耦合螺纹的齿面。

2.2.3.3  旋转扭矩不合理

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扭矩过小,螺纹被反复研磨变尖

每一对旋转台肩式螺纹都有其设定的旋紧扭矩,当扭矩过小时,螺纹副之间没有达到预紧状态,在公母接头相互接触的台肩处没有形成足够的负荷,无法产生足够的弹性压缩变形,当钻具受压、振动或发生弯曲时,接头反复摆动,螺纹就会被反复松紧而研磨,导致螺纹变尖,或者台肩面分离,失去密封作用而发生被刺漏事故,公螺纹也会因为失去台肩面支撑致使在公接头根部与母接头啮合的第一扣附近出现应力集中区而发生根部折断。

当旋紧扭矩过大时,牙型侧面和台肩面得载荷都会增大,如超过允用应力,就会发生挤毁现象,如继续下井使用则会产生粘扣。

2.2.3.4  维护保养不当

在运输、吊装过程中钻具螺纹很容易被磕碰,不管是牙型面还是台肩面,受到损伤的螺纹副再旋紧时,都会对耦合面产生破坏作用,严重时咬入对方体内。即产生粘扣现象。另外,发生锈蚀的螺纹表面摩擦系数增大后,旋合时也容易造成表面损伤。

2.2.4  预防粘扣的措施

2.2.4.1  适当提高材料硬度,做好表面处理工作

    目前制造接头的材料有4137H35CrMo40Cr等,应降低其中PS含量,这样材料的硬度就能提高。根据经验,当P含量<0.020%S含量<0.015%时,材料的淬透性增强,螺纹副中径处的硬度可增加2HRC,而屈服强度、拉伸强度等物理性能均不降低。此外,螺纹副的表面处理对于防止粘扣起着至关重要的作用,目前有物理和化学两种手段。物理主要是采用冷滚压、激光或等离子淬火等,目的在于改善表面的粗糙度,并提高硬度。化学手段有渗氮、磷化和镀铜等。

2.2.4.2   提高螺纹的几何精度,例如:正确选择加工设备和刀具、缩小螺纹加工公差等。

2.2.4.3   提高现场操作水平

多年的实践证明,新螺纹比旧螺纹更容易发生粘扣现象,广大钻探工作者也发明了许多行之有效的办法来减少粘扣现象,如钻具螺纹下井之前的三紧三松办法,即新钻具入井之前,有意识的按上紧力矩上紧3次、松开3次,然后下井;还有的井场上使用了专用的丝扣膜,在新钻具下井前套在公螺纹上。这些方法都是有益的尝试,但还应注意以下几点。

(1)每次下井前,加强钻具的探伤和检验,钻具的检验和探伤可分为3个层次进行:第一是井队在起下钻时快速目测检测;第二是专门人员在现场管架上进行目测及使用仪器检验;第三是在管子站进行全面严格的分级检验。要做到损坏了的钻具坚决不能下井,即使轻微损坏,也有可能造成螺纹连接的漏失或松动,对于轻微损坏的钻具可以使用专用工具在现场修复,对于损坏严重的钻具应有修理车间进行修复。

(2)      要保证对扣前丝扣的清洁度,用清水、毛刷去掉丝扣表面的泥浆污物,再均匀涂抹螺纹脂。选用合适的螺纹脂是非常关键的,螺纹脂作为螺纹连接中的一种必不可少的物质,不仅可增强螺纹的润滑性、提高螺纹的密封性,更重要的是合适的螺纹脂有助于减轻螺纹过度上紧,从而起到防止螺纹粘结的作用。在很高的扭力负荷下,普通的润滑脂将被挤出,螺纹副之间的分离油膜就会被破坏,然而含有软金属填充料的螺纹脂,不会那么容易被挤出,而且可以承受较大的扭力。根据对年经验,推荐锌基螺纹脂,此种螺纹脂含40%60%(质量比)的细锌粉,这些固体填料的软金属在螺纹脂接触压力的挤压下,形成固体颗粒的聚结,并堵塞了存在于啮合螺纹牙侧间的泄露管道而形成密封,同时改变了螺纹之间的接触表面状态,降低了齿面的接触应力,从而对螺纹粘扣起到很好的预防作用。值得注意的是,按照API BULL 5A2生产的螺纹密封脂不能用于旋转台肩式螺纹,这种螺纹脂是用于油管和套管的,它是一种低摩擦系数螺纹脂,仅适用于低扭力。这种螺纹脂在施工现场很常见,钻井人员一定要避免误用,否则会由于紧扣扭矩不足导致钻具事故。

(3)     要严禁上扣时的野蛮操作,避免将公接头端部冲击到母接头台肩上,否则容易造成公接头碰损、母接头台肩面凹陷而影响台肩面密封性。另外,旋扣之前必须保证公母接头对中,如果有接头摇摆或卡阻现象,勿用高速旋紧强行上扣,否则会严重损坏螺纹。

(4)     要正确使用大钳紧扣。

(5)     在钻杆移动和上架时,要保证护丝帽的完整,防止丝扣及台肩面损伤,钻杆在现场放置时要用木垫块卡紧接头,避免钻杆滚动;同时要做好钻杆停用期间的螺纹防护工作,避免氧化和锈蚀。

3  几点认知

钻柱是快速优质钻井的重要工具和手段,是联通地面与井下的枢纽。在转盘钻井时依靠它来传递破碎岩石所需的能量,给井底施加钻压,以及向井内输送钻井液等。在井下动力钻井时,井底动力机是用钻柱送到井底的。同时动力钻具所需的液体能量也是通过钻柱输送到井底的。在钻井过程中,钻头的工作,井眼的状态,甚至地层的各种变化,往往是通过钻柱及各种仪表才能反映到地面上来。合理的钻井参数和其他的技术措施,也只能在正确使用钻柱的条件下才能实现。

随着钻井深度的不断增加和钻井难度的加大,对钻柱性能的要求越来越高。实践证明。几千米甚至近万米长的钻柱在井下的工作条件是非常复杂的,它往往是钻井设备和工具中比较薄弱的环节。为了快速优质钻达预定井深达到勘探开发油气等矿藏的目的,必须选用可靠的钻柱。

加强钻具的订货和到货管理,配备必要的检测设备,从源头把好质量关。

使用方面,根据所钻区块成熟的经验,正确选取钻具的规格型号及钻具组合。

做好优化工作,在满足强度的条件下,尽量不选用高钢级的钻杆。严格执行各项操作规程。

预防钻具事故方面,做好并加强探伤工作。学习交流预防钻具事故好的经验和做法,特别要做好钻具使用中后期的腐蚀应力疲劳失效的预防工作。

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