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1、1钻柱标准在预防失效中的作用2汇报主要内容1.钻柱标准2.常见钻柱构件失效形式3.失效与接收判据4.产品规范要求5.钻柱设计方法6.钻柱构件检验方法7.钻柱标准的作用31、钻柱标准标准就是用户一致认同的、有一定的公认性、在理论上对产品、工艺、试验或过程作了最好的规定的规则和要求。l 分类与命名或分类和标记(选用系列产品)、要求l 抽样(可并入质量评定程序或检验规则中去)l 试验方法l 质量评定程序或检验规则l 标志、标签、使用说明书和包装、运输、贮存等。4l 常用钻柱构件标准lAPI Spec 5D，钻杆规范lAPI Spec 7，旋转钻柱构件规范lAPI RP 7G，钻柱设计和操作极限lIS
2、O 11961，石油和天然气工业钢制钻杆规范lDS-1TM，第1卷“钻井用管材产品规范”；第2卷“钻柱设计和操作”；第3卷“钻柱检验”lNS-1，新的和修复钻井和完井设备质量及检验要求lSY/T 5144，钻铤lSY/T 5146，整体加重钻杆lSY/T 6509，方钻杆lSY/T 5824，钻杆分级检验方法lSY/T 5290，石油钻杆接头lSY/T 5200，钻柱转换接头52、常见钻柱构件失效形式l 变形：钻具拉长、挤扁、弯曲、粘扣；l 过载：脆性断裂、塑性断裂；l 磨损：尺寸减小、热裂、冲蚀磨损；l 腐蚀：O、CO2、Cl-均匀腐蚀和坑腐蚀；l 应力腐蚀：H2S应力腐蚀、氢脆；l 疲劳断
3、裂：疲劳、腐蚀疲劳。失效（结构的、功能的）：钻柱构件断裂、泄漏或发生总体塑性变形的一种状态。主要考虑结构失效。6脆性断裂16%应力腐蚀断裂6%韧性断裂6%其它类型6%疲劳断裂66%73、失效与接收判据l 接收判据是已用钻柱构件通过检验必须具有的尺寸、属性和性能。l 已用钻杆接收判据第一个工业列表写入在API RP7G中。最初设立了1级（新钻杆）到5级（报废）五个级别。l API RP7G给出了接收判据，但是没有给出评价这些判据的检验程序。l 分级实际上就是把属性作了分组。l 接收判据的定义8l 接收判据的种类l 出现裂纹，不管严重程度，必须拒收，如疲劳裂纹。l 已知载荷极限的判据。如工具接头抗
4、扭强度。此类判据可以进行修正。l 对操作有影响，但影响程度不能准确确定。如卡瓦钳印。l 可能会、也可能不会影响钻柱操作的判据。如磨损或损伤。9l BHA接头疲劳l振动。操作参数、钻柱配置。lBSR，内径和外径控制。lSI，SR，按设计组，对应检验类。l冷滚压。l磨合。l应力减轻结构，根据规格有尺寸要求。l螺纹设计。l检验：不允许有裂纹。探伤周期。l重车扣，疲劳裂纹不能以赶扣方法去除，只能切掉。l原因比较复杂，综合治理。10l 管体疲劳和腐蚀疲劳l振动，操作参数、钻柱配置。l内加厚，Liu，Miu，R。l韧性：标准级54J（21）；苛刻级80J（-20）。l腐蚀坑，内涂层，内涂层检验，DS-1T
5、M比对照片。lCI，井眼轨迹，按设计组，对应检验类。lHWDP。l检验：不允许有裂纹。探伤周期。11l 管体弯曲l 管体弯曲是一种变形失效。l 判据：管体不能有明显可见弯曲。l 管体弯曲的事实表明管体在过去服役中受力超过了其屈服强度。弯曲管体更容易摆动，因此更易疲劳损伤。这样可能对套管产生附加侧向力，造成套管磨损。l 使用弯曲管体的定量影响很难确定，因为强度和负载能力可能没有降低。12l 外螺纹接头拉长l 过载变形失效l 不允许有超过0.15mm/50.8mm的拉长。螺纹牙顶间隙不超过1.59mm。螺纹面均匀磨损不能超过0.254mm。l 有超过屈服的历史，会导致接头泄漏、螺纹粘扣。13l 内
6、螺纹胀大l 变形失效l 内螺纹胀大不能超过0.79mm。l 接头发生过过扭矩。这也许对内螺纹承受扭转载荷的能力以及密封压力的能力影响很小或没有影响，但内螺纹抵抗高侧向力下劈裂的能力会被削弱。14l 接头外径磨损l 磨损损伤l 判据：优等级和2级：工具接头抗扭强度达到80%的管体抗扭强度。优等降低TSR级：60%。l 内螺纹接头抗扭强度是由其外径决定的。l 可能导致抗扭失效，接头劈裂、胀扣。15l 管体外径变化l 变形损伤l 判据：优等级3%；2级4%；l 可能对承载能力没有实质影响，但对卡瓦的正确操作有影响。承载不均。l 证明在超屈服状态下工作过。16l 管体表面腐蚀坑 l 腐蚀损伤l 判据：
7、深度3.175mm；优等级剩余壁厚80%，2级70%；l 腐蚀坑造成应力集中而加速疲劳裂纹的形成。很难量化，上述判据是人为容限。17l 卡瓦区钳印和咬伤 l 机械损伤l 优等级10%邻近壁厚。2级：20%邻近壁厚。l 造成应力集中并且加速疲劳裂纹形成。l 也可能成为腐蚀、应力腐蚀断裂源。l 10%时应力增加80%。18l 密封面损伤l 磨损损伤l 判据：没有金属突起或腐蚀产物，密封面没有深度超过0.79mm或宽度超过20%密封宽度的间断。l 导致密封失效，刺漏。19l台肩面压陷与修整l机械损伤修复l判据：每次修整不能超过0.79mm，累积修整不能超过1.59mm。l内螺纹镗孔深度=新接头名义深
8、度-加工公差-1.59mm。l外螺纹颈部长度不能超过匹配内螺纹镗孔深度减去1.59mm。l过度修整导致密封载荷不足，可能引起井下台肩面分离。还会产生内螺纹环向拉伸应力导致内螺纹劈裂失效。204、产品规范要求l 将API Spec 5D、Spec 7包括的产品作为其标准级。这是中低风险条件下的基本规范。l 增加了“苛刻级（Critical Level）”产品要求。更严格控制的、较高风险条件下的要求。l 增加了“HWDP、TWDP”产品规范（API Spec 7 2007-9-1版也增加了）。设计的考虑。l 增加了“Z140、V150”两个纲级。载荷的考虑。l DS-1TM钻柱产品的分类21l 标
9、准级E75热处理可以是N、N&T、Q&T，苛刻级所有钢级Q&T。l 苛刻级检验频次提高，如NWDP管体标准级每炉或400支抽1个样，苛刻级每炉或100支抽1个样。l 增加用户见证检验。l 苛刻级增加检验部位和检验方法，如有些部位必须作MPI、FLUT等。l 制造方法和检验的保障22l NWDP对焊区拉伸性能更严格，标准级“大于管体”，苛刻级“大于1.1倍管体”。l 壁厚公差更严格，标准级“12.5%”，苛刻级“5.0%”。l 苛刻级加厚过渡带长度和过渡半径增大。l 苛刻级冲击韧性要求提高。如苛刻级工具接头要求-20夏比冲击功70J，标准级无要求。l 检验判据的保障235、钻柱设计方法l 配置一
10、套钻柱，能够完成预期直径、预期深度井筒的钻进工作。l 考虑结构完整性；水力学、井眼清洗和钻速；定向控制和测量；避免卡钻和利于解卡。l 同时考虑不可分割因素：性能满足操作要求；磨损、损伤、和疲劳检测；H2S、CO2腐蚀、开裂等环境因素。预防钻柱失效。l 钻柱设计目标和考虑因素24l 钻柱设计组及其约束设计因素及其限制设计因素及其限制123过载设计过载设计拉伸设计系数DFT1.251.151.00扭转设计系数DFTR1.201.201.20最大载荷系数100%100%100%最小过拉伸15%15%15%疲劳设计疲劳设计弯曲强度比BSR6=1.8-2.5；6=2.5-3.2 68=2.25-2.75
11、最大稳定性指数SI1000600200最大弯曲指数CI20000100006000最大刚性比SR5.55.53.5BHA重量设计因子DFBHA1.151.151.20检测程序检测程序DS-1检测类N/A35最大划伤（%附近壁厚）1010525l 设计组的规定使设计者能够根据应用的临界条件大致地匹配钻柱设计。l 设计组根据钻井条件和失效风险规定了相应的约束条件和安全系数。l 设计组和检验类相关，为检验提供依据。l 因此，设计组的提出在预防钻柱构件失效方面做出了贡献。26l 三个设计组适用于不同情况。主要设计依据包括失效的费用、失效的可能性、风险容限。l 钻柱设计组的应用考虑因素123失效代价低中
12、高失效可能性低中高风险容限高中低设计组2和3需和检验程序配合使用。许多钻柱构件使用中会发生磨损、损伤和疲劳，没有检验，便不能确定钻柱构件状态。27l 弯曲指数（CI）l 弯曲指数是在弯曲井眼中旋转的钻杆的相对疲劳寿命度量。考虑到了井眼曲率、钻杆直径、重量、钢级和长度类、轴向拉伸。l 弯曲指数与疲劳寿命成反比。l 可用于两种设计的比较。l 刚性比（SR）l 钻柱截面变化时，大截面模量与小截面模量的比值。l 几种设计新概念28l 稳定性指数（SI）l稳定性指数是屈曲BHA相对疲劳抗力的定量测度值。l可用于2种BHA设计的比较。lSI不能用于没有发生屈曲的BHA。l如果选定BHA，则可以用来估计探伤
13、周期。l 弯曲强度比（BSR）lBSR是匹配接头母端截面模量与公端截面模量的比值。l高BSR加速公接头疲劳失效，低BSR加速母接头疲劳失效。OD传统BSR推荐BSR62.25-2.751.8-2.56 7-7/8 2.25-2.752.25-2.75 82.25-2.752.5-3.229l 横振：或称钻柱的涡动，能够产生很高弯曲应力。类似于钻柱旋转过程中的屈曲和弯曲，导致BHA接头发生疲劳断裂。l 几种振动现象及其预防措施现象频繁刺穿、扭断；检查时发现很多裂纹；钻速低；扭矩突然增加。典型环境硬岩层；不加稳定器BHA；垂直井；井眼扩大。短期措施降低RPM；提钻，然后以低转速重新钻进。长期措施用
14、临界转速优化BHA；使用井下马达；用减震器或稳定性钻头。30l 扭振：也称为粘-滑振动，当钻柱恒速旋转时造成周期性转速变化。扭振可造成接头井下上扣，扭转失效、粘扣或脱扣。现象较大的地面扭激振（1Hz）；ROP降低；典型环境大角度井；高切力PDC钻头；冲击钻；高摩擦性岩层。短期措施增加RPM，降低WOB；长期措施安装监视装置；使用小切力钻头；使用降扭接头；使用油基泥浆。31l 轴向振动：有时看成跳钻，表现为钻柱上下急剧跳动，其冲击可能造成钻头损坏，导致冲击敏感构件失效。现象顶驱或方钻杆以3倍转速跳动；早期钻头失效；典型环境三牙轮钻头钻遇硬岩层。短期措施改变RPM，增加WOB。长期措施找出临界转速
15、；安装减震接头；换钻头类型；32l 检验的目标和作用l 钻柱构件是反复使用的，使用过程中的损伤累积可能导致失效，因此必须进行检验、分级。l 使业主的钻柱检验的一致性和经济利益最佳化。l 在适用的基础上，为在检验过程中旧钻柱构件的接收或报废提供一种工程方法。l 建立用户评价检验公司或螺纹加工公司内部过程质量控制的统一准则。l 把不合接收判据的钻柱构件挑出来，避免发生失效或事故。6、钻柱构件检验方法33l 钻柱构件检验的分类l类1：适用于井深浅、周期短的井。发生钻具失效时费用很低，扩展检验的费用不合算。l类2：适用于常规的钻井条件，已有的作法是进行少量检验，失效发生率较低。l类3：适用于中等钻井条
16、件，标准的检验程序最合理，当发生失效时，打捞和井损失少。第3类检验是第2设计组的最低设计要求。l类4：适用于钻井条件比类3困难的井，当钻具失效发生时，打捞和井眼损失也比类3多。l类5：适用于苛刻钻井条件，几方面因素综合导致失效费用很高，对应设计组3。l类HDLS：由于拉伸载荷很大，特别是深井。DS-1TM标准第三版增加了此类。本类为重而长的钻柱而设计。34l 钻柱构件检验程序及纲要l 钻柱构件检验分成31种程序，每种程序都包括了检验工具设备、检验方法、接收判据、检验频次等要素。l 用户可根据钻井设计要求、涉及的钻柱构件、服役类定制检验纲要。l 检验分类更加严密、更具指导意义。35l 钻柱构件的分级l 标重钻杆分级：l 1级（新钻杆）l 优等级（TSR80%）l 优等降低抗扭强度比级（TSR60%）l 2级（TSR70%）l 钻铤：按弯曲强度比（BSR）分级。l 加重钻杆：通常用剩余壁厚表示，典型的剩余壁厚限为80%、90%、95%名义壁厚。36l 推荐钻杆检验纲要1 12 23 34 45 5HDLSHDLS工具接头接头目视接头目视尺寸1接头目视尺寸1接头目视尺寸2接头目视尺寸2接头黑
