失效分析促進(jìn)了鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉永剛,崔順賢,路彩虹,李方坡,李廣山

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,西安710065;2.中國(guó)石化西南油氣分公司管具中心,四川德陽(yáng)618000)

失效分析促進(jìn)了鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉永剛1,崔順賢2,路彩虹1,李方坡1,李廣山1

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,西安710065;2.中國(guó)石化西南油氣分公司管具中心,四川德陽(yáng)618000)

通過(guò)鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶,內(nèi)壁腐蝕,接頭臺(tái)肩,扭矩臺(tái)肩等出現(xiàn)大量失效后進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化案例,有力地說(shuō)明了失效分析在鉆桿構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中所發(fā)揮出的重要作用,極大提高了鉆桿質(zhì)量和使用壽命,促進(jìn)了鉆桿標(biāo)準(zhǔn)的修訂,有效地降低了鉆桿失效事故的發(fā)生。

鉆桿;失效分析;結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)優(yōu)化

Abstract:Through a large number of structural design optimization cases on the base of the actual failure on drill pipe,such as the internal upset transitional zone,the inner wall corrosion,shoulder joints,shoulder torque and so on,a detailed description on the important role of the failure analysis was made to the drill pipe structural design optimization,which improved product quality and service life of drill pipe significantly,promoted the amendment of drill pipe standards,and decreased the drill pipe failure accidents effectively.

Key words:drill pipe;failure analysis;structure;design optimization

失效分析是分析判斷機(jī)械零部件或器材的失效性質(zhì)、原因、研究失效事故處理方法和預(yù)防措施的技術(shù)活動(dòng)與管理活動(dòng),是從失敗入手著眼于成功和發(fā)展的科學(xué)研究。它推動(dòng)和促進(jìn)了機(jī)械零部件或器材不斷進(jìn)行優(yōu)化,提高產(chǎn)品質(zhì)量、使用性能和使用壽命,為機(jī)械零部件或器材的優(yōu)化和改進(jìn)提供了信息,指明了發(fā)展方向。本文以鉆桿為例,用大量的事例來(lái)說(shuō)明失效分析在鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)中發(fā)揮的重要作用。

1 鉆桿失效統(tǒng)計(jì)

鉆桿是石油天然氣勘探與開(kāi)發(fā)中的一種重要工具,它由鉆桿本體和鉆桿接頭2部分通過(guò)摩擦焊接或螺紋連接的方式構(gòu)成,是鉆柱組合中的重要組成部分,位于鉆柱的上部,占鉆柱長(zhǎng)度的80%～90%。同時(shí),鉆桿也是鉆探過(guò)程中的失效事故多發(fā)點(diǎn)。根據(jù)中國(guó)石油管材研究所對(duì)2006年承擔(dān)的鉆具失效分析項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)(如圖1),在國(guó)內(nèi)32項(xiàng)鉆具失效項(xiàng)目中,鉆桿失效(包括接頭和管體)的總數(shù)達(dá)17項(xiàng),占鉆具失效總數(shù)的53.2%。因此,提高鉆桿的產(chǎn)品質(zhì)量,減少鉆桿失效事故的發(fā)生,保障鉆探生產(chǎn)過(guò)程中的鉆具安全,對(duì)石油、天然氣、煤層氣等資源的勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。

圖1 2006年鉆具失效情況統(tǒng)計(jì)

2 失效分析促進(jìn)了鉆桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化

通過(guò)對(duì)鉆桿失效案例的分析、研究,查找失效原因,有針對(duì)性的開(kāi)展預(yù)防措施研究,極大地提高了鉆桿的質(zhì)量水平,有效地降低了失效事故的發(fā)生。可以說(shuō),每一次鉆桿質(zhì)量的提高都是在失效鉆桿基礎(chǔ)上質(zhì)的飛躍,而失效分析是產(chǎn)生這些飛躍的基礎(chǔ)。

2.1 鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶

20世紀(jì)80年代,我國(guó)油田發(fā)生了大量進(jìn)口鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶早期刺漏失效事故,典型的刺漏失效形貌如圖2,其中 G105以上高鋼級(jí)的鉆桿早期刺漏事故最多。掛靠在中國(guó)石油管材研究所的中國(guó)科協(xié)失效與預(yù)防中心石油管材與裝備分中心對(duì)發(fā)生刺漏的失效鉆桿樣品進(jìn)行了大量分析研究工作,查找出進(jìn)口鉆桿失效的主要原因是鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶短,過(guò)渡圓弧小,存在較大的應(yīng)力集中。依據(jù)當(dāng)時(shí)的API標(biāo)準(zhǔn),這些進(jìn)口的高鋼級(jí)鉆桿全部符合標(biāo)準(zhǔn)。該批鉆桿在加厚過(guò)渡帶的大量失效,說(shuō)明即使合格的產(chǎn)品仍不能滿足生產(chǎn)的要求,加厚過(guò)渡帶的結(jié)構(gòu)需要重新進(jìn)行研究和優(yōu)化,以提高鉆桿的使用性能,減少失效事故的發(fā)生。

為了改善鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶的應(yīng)力集中,中國(guó)石油管材研究所的科研人員進(jìn)行了深入有針對(duì)性的研究,通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的有限元分析(如圖3所示),提出了鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶長(zhǎng)度Miu≥100 mm、過(guò)渡帶消失位置圓弧R≥300 mm的結(jié)構(gòu)優(yōu)化成果。經(jīng)內(nèi)加厚過(guò)渡帶尺寸優(yōu)化后的鉆桿在油田現(xiàn)場(chǎng)使用試驗(yàn),使用壽命延長(zhǎng)了1倍多,極大提高了有效使用壽命,有效地降低了鉆桿在內(nèi)外加厚過(guò)渡帶刺漏失效事故的發(fā)生[1]。隨后中國(guó)石油管材研究所給API標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)提案,要求修改鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo),得到了標(biāo)準(zhǔn)起草委員會(huì)的采納。1999-08第4版的鉆桿標(biāo)準(zhǔn)中,將內(nèi)外加厚鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶長(zhǎng)度改為Miu≥76.2 mm。目前,國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶長(zhǎng)度Miu普遍在100 mm左右,鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶大批量的刺漏失效事故很少再發(fā)生。

圖2 內(nèi)外加厚過(guò)渡帶失效鉆桿形貌

圖3 鉆桿內(nèi)加厚過(guò)渡帶應(yīng)力分布有限元分析

2.2 鉆桿內(nèi)涂層

鉆桿材料為一種中碳合金鋼,在使用和存放過(guò)程中會(huì)受到外部環(huán)境的作用而發(fā)生腐蝕,尤其是鉆桿的內(nèi)壁,腐蝕情況非常嚴(yán)重。腐蝕不僅使鉆桿的有效壁厚減薄,承受載荷的能力降低,更嚴(yán)重的是腐蝕產(chǎn)生的腐蝕坑會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中,誘使裂紋的萌生。據(jù)中石油管材研究所對(duì)鉆桿失效案例的統(tǒng)計(jì)分析,由腐蝕導(dǎo)致的腐蝕失效和腐蝕疲勞失效占到了鉆桿失效的30%～50%。為了提高鉆桿的使用壽命,減少因腐蝕而導(dǎo)致的鉆桿失效事故的發(fā)生,內(nèi)涂層鉆桿的研發(fā)得到了快速發(fā)展。如圖4所示為鉆桿內(nèi)壁有涂層和沒(méi)有涂層在使用過(guò)程中受腐蝕的形貌。經(jīng)過(guò)油田現(xiàn)場(chǎng)使用情況對(duì)比,有涂層的鉆桿發(fā)生腐蝕失效或腐蝕疲勞失效的比例明顯低于沒(méi)有涂層的鉆桿。內(nèi)涂層鉆桿很快在油田得到了推廣應(yīng)用,尤其在地層水中含腐蝕介質(zhì)的油氣田區(qū)塊,內(nèi)涂層鉆桿發(fā)揮出了很好的效果。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前使用的鉆桿中,內(nèi)涂層鉆桿的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了鉆桿總量的90%。

圖4 有內(nèi)涂層和無(wú)內(nèi)涂層鉆桿使用后的形貌

2.3 鉆桿接頭臺(tái)肩

在鉆桿起下鉆過(guò)程中,需要用到一種重要的井口工具——吊卡。為了便于鉆桿接頭臺(tái)肩坐封在鉆臺(tái)上,最早的鉆桿內(nèi)螺紋接頭的臺(tái)肩都是采用直角形式,相應(yīng)的吊卡承載面也是直角平面,如圖5所示。鉆桿接頭和吊卡采用直角臺(tái)肩結(jié)構(gòu)形式的最大好處在于鉆臺(tái)平面與吊卡的下接觸面、吊卡的上接面與鉆桿接頭的臺(tái)肩面都是平面接觸,這樣,吊卡與鉆桿接頭以及吊卡與鉆臺(tái)接觸時(shí),都只承受垂直方向的軸向載荷,不會(huì)使吊卡的合頁(yè)銷因過(guò)大受力而導(dǎo)致吊卡被崩開(kāi),發(fā)生安全事故,從而可以方便、安全、快捷的從事起下鉆作業(yè)。鉆桿接頭的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使鉆桿接頭的臺(tái)肩部位存在很大的應(yīng)力集中,成為刺漏失效事故的多發(fā)點(diǎn),如圖6所示。經(jīng)過(guò)科研人員的大量分析、研究,提出了將直角臺(tái)肩改進(jìn)成18°斜坡臺(tái)肩結(jié)構(gòu)的提案,得到了 API標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的認(rèn)可和采納,在2001年的API Spec 7中把18°斜坡鉆桿接頭臺(tái)肩列入了訂貨方可以要求的鉆桿接頭臺(tái)肩。油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明,采用18°斜坡鉆桿接頭或優(yōu)化后的90°臺(tái)肩鉆桿接頭后,鉆桿接頭的失效事故明顯減少。

圖5 吊卡結(jié)構(gòu)

圖6 鉆桿接頭直角臺(tái)肩刺漏失效

2.4 鉆桿接頭扭矩臺(tái)肩尺寸

20世紀(jì)90年代初,國(guó)內(nèi)某油田一批?127 mm鉆桿接頭脹大失效(如圖7),經(jīng)過(guò)大量的失效分析研究工作,確定鉆桿接頭的材料并沒(méi)有問(wèn)題,發(fā)生鉆桿接頭脹大失效的主要原因是外螺紋接頭密封臺(tái)肩倒角直徑偏小所致。由于鉆桿螺紋連接的密封是通過(guò)內(nèi)外螺紋接頭的密封臺(tái)肩面通過(guò)施加扭矩產(chǎn)生的接觸壓力來(lái)保障,因此在上扣時(shí)需要用專用的扭矩吊鉗對(duì)接頭施加一定的上扣扭矩,以保證接頭密封面產(chǎn)生的接觸壓力滿足密封的要求。當(dāng)外螺紋接頭的密封臺(tái)肩倒角直徑偏小時(shí),密封臺(tái)肩接觸面積減小,在正?；蜻^(guò)載扭矩的作用下,外螺紋接頭將被擠入內(nèi)螺紋接頭,導(dǎo)致內(nèi)螺紋接頭脹大失效。研究發(fā)現(xiàn),將鉆桿接頭密封臺(tái)肩倒角直徑從?150.4 mm改為?154.0 mm,倒角直徑增大3.6 mm,密封臺(tái)肩接觸面積增大20%,接頭密封抗擠壓變形的能力大幅度提高。在后來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)中,鉆桿接頭密封臺(tái)肩倒角直徑從150.4 mm改為154.0 mm,鉆桿接頭脹扣失效事故因此明顯減少。

圖7 鉆桿接頭脹大形貌

2.5 鉆桿接頭扭矩臺(tái)肩結(jié)構(gòu)

在鉆桿的使用過(guò)程中,經(jīng)常有鉆桿接頭斷裂失效事故的發(fā)生。經(jīng)過(guò)大量的失效案例分析,查找到失效原因是由于在螺紋連接中的局部螺紋位置的應(yīng)力最大,從而在具有應(yīng)力集中的螺紋齒底萌生裂紋。進(jìn)一步的螺紋連接應(yīng)力分布有限元模擬和應(yīng)力測(cè)試也證實(shí)了這一點(diǎn)。為了優(yōu)化螺紋連接的應(yīng)力分布,使螺紋受力更均勻,降低螺紋受力的最大應(yīng)力值,雙接頭扭矩臺(tái)階的鉆桿接頭出現(xiàn)了。這種接頭通過(guò)主、副兩個(gè)扭矩臺(tái)肩,可以對(duì)整個(gè)螺紋連接的應(yīng)力分布情況進(jìn)行改善,使應(yīng)力分布更加均勻,降低局部的最大應(yīng)力值,從而提高鉆桿接頭的壽命,減少失效事故的發(fā)生。如圖8所示為常規(guī)接頭與雙臺(tái)階接頭。通過(guò)有限元模擬分析,雙臺(tái)肩接頭的抗扭強(qiáng)度是常規(guī)接頭的1.5倍,螺紋應(yīng)力分布明顯好于常規(guī)接頭[3]。目前,雙扭矩臺(tái)肩的鉆桿接頭已應(yīng)用到超深井、超長(zhǎng)水平井等鉆桿受力工況更惡劣的復(fù)雜井的鉆探作業(yè)中,取得了很好的效果。

圖8 API常規(guī)接頭與雙臺(tái)肩接頭結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

由失效分析研究促進(jìn)鉆桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的例子還有很多,例如大尺寸非標(biāo)準(zhǔn)鉆桿、抗硫鉆桿、鋁合金鉆桿、高抗扭鉆桿接頭等,這些新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料優(yōu)化,都是為了預(yù)防在特殊工況下的鉆桿失效。隨著近年來(lái)氣體鉆井、超深水平井、大位移等復(fù)雜鉆井工藝的采用,鉆桿失效事故仍時(shí)有發(fā)生[4-5]。重視失效分析,發(fā)展失效分析學(xué)科,開(kāi)展失效分析研究,查找失效原因,有針對(duì)性地對(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改善,還有很多工作要做。

[1] 呂拴錄,李鶴林.依據(jù)油田需要選好用好油井管[C]//油井管技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化國(guó)際研究討會(huì)論文集,2006:271-279.

[2] 王新虎,薛繼軍.鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱向開(kāi)裂機(jī)理及材料性能指標(biāo)研究[J].天然氣工業(yè),2007,27(4):69-71.

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[4] 劉永剛,陳懷高,劉文紅,等.氣體鉆井過(guò)程中的鉆具失效研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(2):49-52.

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Probe on Failure Analysis and Design Optimization of Drill Pipe Structure

LIU Yong-gang1,CUI Shun-xian2,LU Cai-hong1,LI Fang-po1,LI Guang-shan1
(1.Research Institute ofTubular Goods of CN PC,Xi’an710065China;2.Drilling Tools Center,Southwest Company of Sinopec,Deyang618000,China)

TE921.2

A

1001-3482(2010)11-0087-04

2010-05-20

中國(guó)石油集團(tuán)公司技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2008C-24)的部分成果

劉永剛(1974-),男,四川眉山人,工程師,碩士,2004年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè),主要從事失效分析和管柱力學(xué)研究,E-mail:liuyg321@sohu.com。