钻铤螺纹断裂失效分析及结构改进措施

钻铤螺纹断裂是钻铤失效的主要原因,在整个钻铤失效中占比较大,根据螺纹断口分析,疲劳是导致螺纹联接失效的主要原因。分析了螺纹轴向载荷分布,使用Solidworks软件建立了钻铤NC50螺纹联接模型,用有限元法分析了各螺纹的静应力分布。应力槽可以很好地解决螺纹应力集中的问题,但是会大幅度减少钻铤的使用寿命。通过改进应力槽的结构,并使用有限元分析了各螺纹的应力分布,有效地降低螺纹应力集中,且可以延长钻铤使用寿命。针对内螺纹后孔结构的缺陷,改进了后孔的尺寸,提高了螺纹联接的强度。结果表明,改进后的钻铤螺纹自使用以来没有出现断裂事故,成功解决了钻铤疲劳断裂的难题。

特深井井下等效冲击扭矩作用下钻铤接头三维力学特征分析

特深井钻井时钻柱在井下受到强烈的冲击扭矩作用,严重威胁着钻井施工安全,需要进行特深井钻柱井下冲击扭矩的测量和分析。首先,采用三维力学分析方法得到了不同扭矩作用下钻铤螺纹接头的受力特征,建立了内、外螺纹之间相对偏移量与井下等效冲击扭矩之间的对应关系;然后,以西部油田某特深井上部井段ϕ203.2 mm钻铤NC56接头为例,利用刻痕法测量内、外螺纹台肩的相对偏移量,反演得到与偏移量相对应的井下等效冲击扭矩,并用实际测得的钻铤接头卸扣扭矩进行了验证。实测数据表明,钻井过程中井下存在很大的冲击扭矩,使钻铤接头在井下发生二次上扣。根据实测偏移量反演计算的井下等效冲击扭矩与卸扣扭矩吻合程度高,表明该方法具有较好的可靠性。分析表明,上扣预紧状态对钻铤接头的井下二次上扣特性有很大影响,避免欠扭矩上扣是防止钻铤接头井下二次上扣的有效手段。

某随钻测井仪钻铤接头内螺纹裂纹失效分析

某随钻测井仪作业后发现钻铤接头内螺纹存在裂纹,造成该仪器无法作业;通过断口微观形貌分析、能谱分析、化学成分分析、硬度检验、金相组织分析来综合确定裂纹的产生机理并提出预防措施。分析结果表明:在腐蚀环境和复杂应力条件下,接头内螺纹裂纹始于齿顶侧壁的凹坑,开裂形式为穿晶解理断裂,兼具腐蚀疲劳断裂与应力腐蚀开裂;且钻铤材质沿晶界存在较多的沉淀,导致腐蚀敏感程度增加,也是裂纹产生机理之一。

基于钻铤伽马信息交会的随钻中子气层识别方法

基于数值模拟方法开展钻铤次生伽马气层识别方法研究。从总非弹和俘获伽马信息中获取钻铤次生伽马产额信息,分析其在气/水层的响应差异,提出了一种基于钻铤非弹伽马和俘获伽马产额信息交会的气层识别方法,并对环境影响因素进行了分析。研究结果表明,相比于总非弹和总俘获伽马信息,钻铤的非弹和俘获伽马产额在气层识别方面具有更高的灵敏度;基于钻铤非弹伽马和俘获伽马交会的气层识别方法不但摆脱了对孔隙度信息的依赖,而且几乎不受井径和泥质含量的影响。该研究可以为改善随钻气层识别效果提供新的思路。

4145H石油钻铤钢示波冲击性能研究

对4145H钻铤钢纵向取样,研究了不同温度下的示波冲击特性。结果表明,取样钻铤的冲击功值满足《SYT5144-2007钻铤》和《API SPEC7》标准要求,并得出了4145H钻铤钢的冲击功随温度的降低而降低,起裂功与冲击功的比值随温度的降低而升高,裂纹扩展功以及裂纹扩展功与冲击功的比值随温度的降低而降低。在钻井工程中表现为常温下裂纹在钻铤中扩展速率较慢,钻铤不容易断;低温下裂纹在钻铤中扩展速率较快,钻铤更容易断。该研究成果为合理指导4145H钻铤的生产工艺和现场使用提供了依据,为分析4145H钻铤断裂机理提供了基础实验依据。

4145H钻铤钢的示波冲击性能及其动态断裂韧性

针对石油钻井中钻铤断裂以及北方油田在冬季石油钻铤下井起钻之后存在的冷脆现象,通过示波冲击实验,获得了4145H钻铤钢试样在冲击变形和断裂过程中的冲击力—位移曲线,并用实验得到的总冲击功、起裂功来计算其动态断裂韧度。结论认为:4145H钻铤钢的延性断裂韧度和动态断裂韧度均随温度的降低而降低,其冲击功随温度的降低而降低,起裂功与冲击功的比值随温度的降低而升高,裂纹扩展功及其与冲击功的比值随温度的降低而降低。在钻井工程中表现为:常温下裂纹在钻铤中扩展速率较慢,钻铤不容易断裂;低温下裂纹在钻铤中扩展速率较快,钻铤更容易断裂。该研究成果为合理指导4145H钻铤的生产工艺和现场正确使用钻铤提供了实验数据支撑。

钻铤结构对随钻声波测井响应的影响

为了有效提取随钻声波测井时的地层声波信息,采用有限差分法和时间慢度相关分析法,研究了钻铤外径、钻铤内径、钻铤内部变径和钻铤外壁刻槽等因素对钻铤波传播的影响。模拟计算结果显示,钻铤外半径变大时,即钻铤外壁和井壁的间隙较小时,接收波形里没有地层横波;钻铤内半径变小时,钻铤波、地层横波和斯通利波幅度变化不大,但是当钻铤壁厚变薄时斯通利波幅度明显增大;钻铤内变径对钻铤波幅度的影响,主要取决于声源频率是否在钻铤固有阻带频率范围内;钻铤外壁刻槽后,钻铤波幅度变小,可以从接收波形里提取出地层纵波。研究结果表明,钻铤的内径和外径变化会对地层横波和斯通利波的接收产生影响,而钻铤的内壁和外壁形状(如刻槽)会对钻铤波的幅度产生影响,钻铤结构与随钻声波测井响应的变化关系可以为随钻声波测井仪隔声体设计和随钻声波测井资料解释提供理论依据。

金属钻铤对随钻电磁波电阻率测井仪测量信号的影响

采用轴对称二维有限元方法分析了金属钻铤的电导率、凹槽及线圈尺寸等参数对随钻电磁波电阻率测井仪测量信号的影响规律。均匀介质中钻铤对仪器的响应没有影响,但非均匀介质中钻铤的存在可以减小井眼和侵入的影响;接收线圈电势随钻铤电导率的增大而减小,但增大到一定数值后电势基本保持不变;凹槽与线圈间距对信号的影响要大于凹槽长度对信号的影响程度,在仪器的实际研制中对凹槽与线圈尺寸要求严格,而对凹槽长度则只需满足工程要求即可。

高性能4145H钢石油钻铤生产工艺优化

因塔里木油田底层复杂,钻井深度超过7000m,客户对4145H钻具产品材料的冲击吸收能量、晶粒度、夹杂物含量等技术指标提出很高要求。通过对材料化学成分进行优化设计,并对冶炼、锻造、中频感应热处理等关键工序进行优化改进,使4145H钢达到钻铤高性能要求。

钻铤涡动模拟和钻铤接头累积疲劳损伤评估

大多数的钻铤接头失效归因于弯曲振动引起的累积疲劳,其中旋转钻铤偏心引起的涡动是最重要的弯曲振动之一。钻铤和井壁之间的接触引起极度有害的反向涡动,甚至是无序涡动。挪威科技大学的研究人员使用集中质量模型表示钻铤,采用修正Karnopp摩擦模型模拟BHA的黏滑旋转振动。基于涡动时域响应,使用雨流计数法将连续弯曲应力历史分解为若干个应力范围,计算了相关的循环次数,并采用Miner方法评估了累积疲劳损伤。研究结果表明:增大稳定器间隙可能会引起钻铤侧向振动和动力学模拟的不稳定;如果稳定器间隙超过一定值,钻铤会无序侧向间歇撞击井壁;振动是接头疲劳的重要原因,当考虑黏滑振动时,稳定的正向涡动变为无序侧向振动,甚至在较低钻速下,黏滑振动都可能会引起无序侧向振动;在240 h内,无序侧向振动引起钻铤接头累积损伤达1.9%;虽然每小时损伤率仅为0.008%,但如果考虑其他恶劣井下环境,该值可能更大。研究结果有助于缓解钻铤疲劳损伤。

随钻四极子横波测井钻铤尺寸优化设计的理论研究

随钻声波测井主要是采用四极子技术来测量软地层的横波速度,但在超软地层的横波测量方面仍然面临挑战.随钻四极子声源会分别激发出沿着钻铤和地层传播的螺旋模式导波,其中四极子钻铤波存在截止频率,即只有在该频率以上才能激发出钻铤波.当钻铤波截止频率降低到与地层波测量频段接近时,会干扰地层波信号的测量,尤其是在疏松的软地层这一干扰现象相当严重.数值模拟和现场实测数据分析结果表明:四极子钻铤波的截止频率主要取决于仪器接收器阵列位置的钻铤壁厚,而对声源与接收器之间的刻槽隔声体以及钻铤外地层介质不敏感.在此基础上,本文利用一种等效的随钻声波测井简化模型来分析与设计钻铤波截止频率与钻铤尺寸关系的理论图版.该理论图版可用于指导随钻四极子横波测井仪器钻铤尺寸的优化设计和数据处理,进而获得高质量的地层波信号以及准确的横波速度.

钻铤接头的强度分析及延长使用寿命的措施

钻铤接头因应力集中和受钻井液腐蚀而引起应力疲劳和腐蚀疲劳,在公接头螺纹根部产生应力腐蚀疲劳断裂。为提高钻铤使用寿命,可对接头根部螺纹进行冷滚压,提高其疲劳强度,也可在钻铤接头处涂防腐剂,提高其抗腐蚀疲劳能力。

钻铤螺纹连接疲劳失效研究

钻铤螺纹连接失效是钻铤失效的主要形式,在整个钻具失效事故中占很大比重。从分析螺纹载荷分布和螺纹应力分布入手,得出造成钻铤螺纹连接疲劳失效的原因是螺纹连接载荷分布极不均匀和应力局部集中,并据此提出了通过降低啮合区螺纹牙高度和采用不同摩擦系数的螺纹脂使载荷分布更合理、加工应力减轻槽改善应力分布和对螺纹表面进行处理预防钻铤连接疲劳失效的工艺技术措施。

石油钻铤断裂原因分析

为查明某油井钻铤断裂原因,对钻铤断口形貌、材料化学成分、力学性能和显微组织进行了分析。结果表明:钻铤断裂属于疲劳断裂;断裂原因主要是材料韧性不足及螺纹形状不规则(存在尖角),存在应力集中,易在此处形成疲劳裂纹源。

无磁钻铤用Cr-Mn-N奥氏体不锈钢组织性能研究

研究了热处理工艺以及N元素含量对无磁钻铤用Cr-Mn-N奥氏体不锈钢再结晶过程、析出行为和力学性能的影响，为防止CrzN型析出物的产生加入了少量的稳定化元素Nb。微观形貌观察结果表明：N含量为0．62wt％的热轧态样品经950℃退火处理2～3min后再结晶过程完成，退火时间超过5min会导致等轴晶晶粒长大。基体中观察到大量纳米级弥散分布的点状Nb氮化物。同时还有平均颗粒尺寸1～2μm的Nb．Cr．Fe金属间化合物型析出物，该型析出物经1050℃保温5min后可充分固溶。在600-900℃保温均可造成该型析出物的产生。N含量为0．78wt％的样品室温屈服强度和抗拉强度分别达到880和1100MPa，比N含量为0．62wt％的样品均高100MPa左右，表明N含量从0．62wt％提高至0．78wt％后具有显著的强化作用。Nb-Cr-Fe型析出物所导致的室温韧性显著恶化问题可以通过对其充分固溶处理来解决。

气体钻井API钻铤螺纹多轴疲劳寿命研究

据现场钻具失效统计,气体钻井在大钻压作用下,常发生钻铤螺纹疲劳断裂失效。因此,引入多轴疲劳强度理论到气体钻井钻铤疲劳寿命研究,借助Pro/E软件建立API钻铤螺纹三维实体模型,并在气体钻井钻铤螺纹模型计算结果的基础上分析了API钻铤螺纹的应力分布规律,根据多轴疲劳寿命理论预测得到气体钻井钻铤螺纹的疲劳寿命值约为2×105次。研究结果为气体钻井API钻铤螺纹快速失效机理研究提供了参考。

随钻声波测井钻铤模式波衰减规律研究与隔声体设计

随钻声波测井技术近年来发展很快,这门技术的关键技术之一是随钻仪器的隔声设计,以保证在随钻条件下有效地测量地层的声波信号.针对普遍采用的刻槽隔声技术,本文利用三维有限差分弹性波场模拟对钻铤刻槽前、后的声波响应进行了数值模拟和理论研究.通过模拟结果的理论分析给出了钻铤波固有阻带分布规律与钻铤尺寸关系和钻铤波衰减频段与刻槽宽度、深度的关系.在此基础上,设计了一种随钻声波测井隔声体结构,给出了理论声衰减曲线和典型地层井孔中的响应特征.现场实验井测试结果表明,本文没计的隔声体结构有效地消除了钻铤直达波的干扰,能够测量到高质量地层纵波的波形和时差.

无磁钻铤用高氮不锈钢的研究和发展

对国内外无磁钻铤制造所使用的特殊钢材料进行分析。通过对无磁钻铤材料发展历程的概括,对其成分体系和综合性能的发展规律进行了总结。对研发、工业生产和市场营销等环节进行调查。结合当前高性能无磁钻铤用高氮钢材料的发展趋势,阐述了我国发展此类材料应重点关注的合金体系设计、热加工和耐腐蚀以及力学性能指标等关键技术难题。

45MnCrMo钻铤管内壁裂纹成因分析

在生产45MnCrMo钻铤管时,钢管内壁常出现较多裂纹,影响了钢管质量及成材率。通过采用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪、热模拟试验机、低倍热酸浸分析测试手段,分析研究了钻铤管内壁缺陷特征和形成原因。结果表明:45MnCrMo钻铤管的内壁缺陷,是由于管坯穿孔过程中,内壁金属与顶头在摩擦和扭转变形等复杂应力作用下产生了较高的温升,从而导致毛管局部区域过热失塑、晶界弱化所形成,与管坯的冶金质量无关。提出了改进钻铤管内壁质量的有效措施。

钻铤螺纹联接处载荷分布规律研究

根据弹性力学理论，通过对钻铤接头螺纹的受力分析，分别建立了上扣扭矩、轴向外载和内外水压力作用下的螺纹载荷计算模型。依据此模型，详细分析了钻铤螺纹的载荷分布规律，提出了改进钻铤接头受力状态，减少应力集中的主要措施。