钻具技术数据和知识.docx
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钻具技术数据和知识
一、钻具数据和知识
1、钻具的种类
钻杆、钻铤、螺旋钻铤、加重钻杆、方钻杆
2、钻杆接头分级和扭矩
外螺纹接头的抗扭强度主要取决于内径大小，而内螺纹接头的抗扭强度则取决于外径大小．
管体mm
新接头mm
一级接头
二级接头
直径
璧厚
加厚型式
钢级
螺纹型式
外径
内径
扭矩N.m
外径
扭矩N.m
外径
扭矩N.m
73
9.19
外加厚（EU）
G
NC31
104.8
50.8
8946
100
8284
98.4
7247
S
111.1
41.3
11747
103.2
10432
101.6
9347
88.9
9.35
外加厚（EU）
G
NC38
127
61.9
15058
118.3
13394
116.7
11961
S
53.9
17975
122.2
17102
119.9
14856
127
9.19
内外加厚（IEU）
G
NC50
168.3
82.6
34877
154.8
29711
152.4
26091
S
69.9
42984
160.3
38480
157.2
33414
140
9.17
内外加厚（IEU）
G
51\2FH
184.2
88.9
49136
170.7
37482
167.5
31658
IU:
内加厚、EU:
外加厚、IEU：
内外加厚
3钻铤分级和扭矩
外径mm
螺纹型式
内径mm
长度m
磨损后外径mm
扭矩N.m
120.7（4-3/4＂）
NC38
50.8
9.15
113.5
14643
158.8（6-1/4＂）
NC46
71.4
9.15
148.5
24400
165.1（6-1/2＂）
NC46
71.4
9.15
148.5
30099
177.8（7＂）
NC50或（51\2FH）
71.4
9.15
165
53386
203.2（8＂）
65/8REG
71.4
9.15
190.3
71858
228.6（9＂）
75/8REG
76.2
9.15
220.3
112533
4、加重钻杆
外径mm
螺纹型式
内径mm
长度m
新
扭矩N.m
磨损后外径mm
扭矩N.m
127（5＂）
NC50
76.2
9.3
165.1
46398
154.4
28841
88.9（3-1/2＂）
NC38
50.8
9.3
120.7
15632
112.3
8296
139.7（5-1/2＂）
51/2FH
92.1
9.3
177.8
5、方钻杆
外径mm
外螺纹型式
内螺纹型式
内径mm
长度m
133.4（5-1/4＂）
51\2FH
6-5/8REG（反）
82.6
12.19
88.9（3-1/2＂）
NC38
6-5/8REG（反）
57.2
12.19
76.2（3＂）
NC31
6-5/8REG（反）
44.5
12.19
6、管体+接头+焊区组成一个完整钻杆
各钢极管体抗拉性能
钢极
屈服强度（Mpa）
抗拉强度（Mpa）
伸长率（%）
E
517≤屈服强度≤724
抗拉强度≥689
18
X
655≤屈服强度≤862
抗拉强度≥724
G
724≤屈服强度≤931
抗拉强度≥793
S
931≤屈服强度≤1138
抗拉强度≥1000
钻杆接头机械性能
抗拉强度（Mpa）
屈服强度（Mpa）
伸长率（%）
断面收缩率（%）
硬度（HB）
≥965
≥825
≥45
≥13
≥285
焊区抗拉性能
钢极
屈服强度（Mpa）
抗拉强度（Mpa）
伸长率（%）
E75
≥517
≥689
≥13
X95
≥609
≥712
G105
≥655
≥724
S135
≥724
≥793
7、钻铤机械性能
外径范围（mm）
屈服强度（Mpa）
抗拉强度（Mpa）
伸长率（%）
硬度（HB）
夏比冲击功（J）
79.4---171.4
≥758
≥965
≥13
≥285--341
≥54
177.8—279.4
≥689
≥930
8、整体加重钻杆机械性能
外径范围（mm）
屈服强度（Mpa）
抗拉强度（Mpa）
伸长率（%）
硬度（HB）
夏比冲击功（J）
139.7---88.9
≥758
≥964
≥13
≥285--341
≥54
二、钻具的制造工艺
1、钻杆
钻杆是由接头和管体通过摩擦焊机对焊而制造的。
国外标准：
API5DP钻杆规范（管体）＋API7旋转钻柱构件规范（接头）。
国内标准：
钻杆国外订货技术条件＋摩擦焊接钻杆焊区技术条件。
以∮127×9．19mmIEUG105钻杆为例，其结构如图所示。
其中，D=127mm，d=108.6mm，DOU=131.8mm，dOU=90.5mm，Leu=76.2mm，Leu+Meu=139.7mm，Liu=108，Miu=100mm，R=300mm。
2、钻铤
是先对钢坯整体热处理，车削钢坯外径后用深孔钻床一次或两次钻通，在铣床铣螺旋槽，最后数控机床车扣。
它分A型：
圆拄型，代号：
ZT；B型：
螺旋型，代号：
LT；C型无磁型，代号：
WT。
3、加重钻杆
1）是先对钢坯整体热处理后，用深孔钻床一次或两次钻通，然后，使用机床车扣和车外径。
2）接头和管体通过摩擦焊机对焊而制造的。
4、方钻杆
1）接头和管体通过摩擦焊机对焊而制造的。
2）是先对钢坯整体热处理后，用深孔钻床一次或两次钻通，然后，使用机床车扣和车铣外径。
它分四方钻杆，代号：
FZGS；六方钻杆，代号：
FZGL
三、钻具的容易发生问题的部位
1钻杆薄弱部分
接头螺纹部分、对焊区、加厚过渡区三个部分
接头螺纹部分出现问题：
A、当使用液压大钳紧扣时，由于上扣扭矩达不到规定扭矩，在井下易于再次进扣，导致内螺纹接头涨大变形。
或形成双台肩。
由于上扣扭矩太小，在受到反扭矩的作用下，内外螺纹松扣，导致内外螺纹脱扣后落井事故发生。
B、螺纹粘扣原因分析
（1）修复铁屑的影响
几乎所有钻具不同程度的带有磁性（无磁钻铤、钻杆除外）．这给铁屑、锈渣等粘附在钻具螺纹上提供了条件，由于在修复过程中总会有铁屑产生，而在钻具归位、吊装、运输等过程中．铁屑易粘附在螺纹部位。
（2）对修复螺纹上扣时没有按规定操作
新修复螺纹的配合间隙相对较小，在用液压大钳上扣时用低速上扣后在卸扣，这样反复三次，即合扣。
而井队用液压大钳高速一次上扣完成，如果螺纹部分粘着异物时很容易粘扣。
（3）螺纹没有及时清洗或清洗不干净的影响
送去的钻具在螺纹部分涂抹了防腐油，在螺纹清洗时，井队用柴油经过清洗，因各种原因清洗不干净，容易造成粘扣。
（4）上扣时外螺纹碰伤内螺纹扣头
通过调查发现，内螺纹部分有拉出很深的沟槽，在对扣时损伤内外螺纹，旋接钻杆时内外螺纹未对正，在旋合的过程中已经螺纹严重研磨，液压大钳高速上扣时造成钻具螺纹损伤，发生错扣、研扣、造扣现象。
（5）鼠洞太脏导致涂抹螺纹脂不均匀引起的粘扣
由于鼠涧太脏，在钻杆放到鼠洞里后，钻杆外螺纹侵泡在鼠洞里的钻井液中。
若在上扣时不将螺纹清理于净就涂抹螺纹脂，就会造成因涂抹螺纹脂不均匀引起的粘扣现象。
（6）螺纹密封脂不符合使用标准
铅油筒不加盖混人钻井液、杂质使螺纹密封脂附着困难和加速磨损，或井队在快速钻进中，上部地层井口翻泥浆，螺纹密封脂涂抹量少或涂抹不到位等，造成螺纹连接时不能进行有效的润滑而发生螺纹粘扣。
预防螺纹粘扣的具体措施
1、下井前井队的清理
钻具螺纹经过维修防腐后，在井场有沙粒和尘土等异物，在风的作用下螺纹部位会吸附一定的沙砾等杂物，若不及时清理会直接影响钻具螺纹的清洁，也会造成钻具上扣扭矩大或粘扣现象。
因此，钻具在使用之前，必须认真清洗每一个螺纹，以确保螺纹的清洁，坚决克服修复螺纹不需要进行认真清洗的观念。
2、均匀涂抹螺纹脂
强调在上扣前清洁螺纹，均匀涂抹螺纹脂是避免螺纹粘扣的重要手段。
在使用钻具密封脂时要保证钻具螺纹清洁、密封脂干净、用量足且涂抹均匀。
3、严格按照操作规程工作
对于修复螺纹第一次连接时必须进行三次合扣，因为现在修复的螺纹用的是成型刀，螺纹的精度很高，两接头螺纹配合间隙很小。
如果螺纹连接时碰伤或有异物，螺纹损伤后剥落金属会充当磨料粒子，剥落后的磨料是损伤螺纹是非常严重的，造成钻具失效。
4、加强现场操作人员的规范操作
在安装时保证井口、天车、大钩在同心度在20mm以内，在旋接钻具时内外螺纹容易对正，液压大钳上扣时不会造成钻具螺纹损伤。
按规定的上扣扭矩紧扣（钻具在上扣旋接过程中，应进行多次开启旋合开关，使钻具螺纹逐渐扶正，防止钻具粘扣。
1）对焊区：
目前还没有出现过质量问题，产生厂家使用的对焊焊机都是国外产品，对焊工艺和热处理实现了计算机控制，质量比较稳定。
2）加厚过渡区：
这是目前频繁发生刺本体的部分，在钻柱中，钻杆的柔性很好,其弯曲变形集中在本体,而不象在钻柱底部的钻具那样弯曲变形集中在接头螺纹上。
目此，钻杆管体上容易引起应力集中的部位即加厚过渡区附近就形成钻杆最薄弱的部位，且由于钻杆水眼的变化，钻井液在此处易形成涡流，对钻杆形成冲蚀作用。
因此，此处的疲劳腐蚀就是钻杆的疲劳寿命。
目前在订货时要求当钻杆内加厚过渡区长度>100mm，过渡圆角半径>300mm时，钻杆的疲劳寿命可以提高数倍。
同时使用内涂层钻杆可以提高钻杆的使用寿命1～2倍，相当于减少一半的钻杆消耗。
因为内涂层阻止了钻井液等对钻杆的腐蚀作用。
在承钻的斜井、水平井时井队在钻杆内放置了滤清器。
钻具冲蚀刺漏机理概述和刺漏的原因
A、钻具内壁冲蚀刺漏的一般机理：
在交变应力、涡旋、腐蚀介质的共同作用下，涂层剥落，腐蚀进一步加剧，出现腐蚀坑，应力集中会使腐蚀坑底部萌生许多微裂纹，随着工作时间的延长，裂纹在交变应力和腐蚀的联合作用下由里向外扩展，直至穿透管壁发生刺漏。
B、当钻杆内放入滤清器后，钻井液的流动方向发生变化，由与钻杆内壁平行变为直射向钻杆内壁。
滤清器水眼中喷出的钻井液高速射向钻杆内壁，这种射流冲蚀相当于钻井工程的喷射钻井。
它造成钻杆内涂层剥落，加剧了腐蚀，从而在内壁上出现冲蚀坑，在坑底产生疲劳裂纹，裂纹在冲击和腐蚀的联合作用下由里向外扩展，直至穿透管壁发生刺漏。
C、钻井液对钻杆造成腐蚀，钻井液强烈加剧钻杆的腐蚀。
D、钻具的反转运动导致弯曲应力频率增大，较高的转盘转速及其较小的环隙比，产生较高的反转转速，加剧了钻杆疲劳刺穿。
E、使用滤清器的危害
（1）、使钻井液流速急剧增加，冲蚀钻杆以至造成钻杆刺漏，甚至造成钻具断裂。
（2）、使钻井液循环装置的磨损加快，缸套、活塞、阀体等更换频率加快。
（3）、由于钻井液流向改变直接冲蚀钻杆，消耗动能，降低钻井功率。
例如：
50523队在承钻的李11井时，
例如：
70520
如果非要使用滤清器时，可考虑在平管线内加过滤网，也可使用加长保护接头把滤清器放在接头内，通过更换接头来保护钻杆。
F钻柱转速快，转速可能与钻柱固有频率重合导致钻杆振动
钻柱转速过快无疑增大了应力交变频率，减少了钻杆疲劳寿命。
根据机械振动理论，当转速与钻柱固有频率重合时，钻柱便发生共振，共振是钻井的大敌，当共振发生时无论钻杆新旧便会很快疲劳破坏。
J一些井有较大的狗腿
当井眼特别是上部井眼出现较大的狗腿时肯定发生大量钻杆疲劳失效
H钻井液腐蚀
在腐蚀环境下钻杆没有疲劳极限，任何大小的循环应力都可以发生腐蚀疲劳影响钻杆腐蚀疲劳的介质和因素有溶解在钻井液中的氧、氯离子、二氧化碳、pH值以及介质温度，将钻井液的pH值控制在10或1O以上，是防止氧溶解在钻井液中腐蚀钻杆腐蚀疲劳的主要措施。
硫化氧会导致钴杆的应力腐蚀开裂，将PH值控制在1O以上，并加入除硫剂，采用有机钻井液等都是控制硫化氢腐蚀的办法。
G钻具的所受的力
钻柱在旋转钻井过程中，受力情况比较复杂．既承受拉伸、压缩、扭转应力作用，又承受着复杂多变的弯曲交变应力和拉、压交变应力的共同作用，同时还承受纵向、横向振动等复合应力的作用．钻具接头以承受拉伸、弯曲及扭转应力的作用为主，故拉伸、弯曲应力是其失效的重要影响因素，但扭转往往也是导致钻具接头磨损和磨损后失效的一个重要因素．
2、钻铤的薄弱部分
A、螺纹部分的断裂
石油钻铤在井眼中承受的载荷非常复杂，特别是钻铤接头．同时承受内压、外压、轴向载荷、弯曲载荷和扭矩的作用。
不仅如此，钻铤在钻进过程中还承受着动载的作用。
在复杂载荷作用下，钻铤发生断裂失效在钻井界是普遍存在的。
通过大量的钻铤失效调查，发现其失效部位大部分是在螺纹联接处，长期的钻井实践表明，常发生的钻铤螺纹破坏几乎都是由于疲劳所引起的。
经分析产生这种疲劳破坏的主要原因是钻铤的工作环境恶劣，所承受的交变载荷很大。
由于钻铤螺纹联接部位本身比较薄弱，加之其截面形状的变化，该部分出现较高的交变应力，应力集中严重，是受力最危险的部位，易出现疲劳断裂。
因此，降低钻铤螺纹联接部位的应力集中，是解决钻铤失效问题的关键所在。
据大港油田近30年的钻铤螺纹失效统计，内螺纹断裂占34％，外螺纹断裂占66％。
内螺纹断裂位置在距台肩面108～124mm处，外螺纹断裂位置在距台肩面20～30mm处。
失效部位断口截面光滑，具有疲劳断裂的特征。
普通钻铤螺纹的结构见图1（以NC50钻铤螺纹为例），从图1中可以出，外螺纹最大长度为114．3mm，内螺纹最小长度为117.5mm，说明两螺纹在连接后，外螺纹的小端端面（∮114.3mm）处，截面积突然由内外两螺纹截面变为只有内螺纹截面，此处将产生应力集中，使该处成为疲劳断裂的薄弱环节。
而API钻铤螺纹的主要缺点是内外螺纹长度不同，两螺纹连接后，必将存在突然减小的截面，距台肩面附近承担了主要的载荷，形成了应力集中，因而降低了螺纹的强度。
另外，这部分螺纹暴露在泥浆中，螺纹根部受到泥浆的涡流冲击和腐蚀，容易形成尖锐切口，加深应力集中，发生破坏，其实际发生的内螺纹断裂也都在此处。
钻铤接头外螺纹台肩面处几乎支承着所有的弯曲应力，外螺纹第一牙的载荷最大，以后依次递减，第8牙以后承担载荷很小。
此处将产生应力集中，最大弯曲应力发生在内螺纹接头和外螺纹接头连接的最后一道螺纹附近，断裂从外螺纹接头的最后一道螺纹根部发生，其位置恰为距外螺纹台肩面20～30ram处的连接螺纹，螺纹的载荷分布是非线性的，在旋合时其轴向应力的80％由距台肩面1～3牙来承担。
实际发生的外螺纹断裂位置也在此处。
说明NC50牙型外螺纹距台肩20～30mm处是危险截面。
图1NC50钻铤螺纹示意图
目前，为了改善钻铤螺纹的抗疲劳性能，往往采用在靠近外螺纹台肩处及内螺纹根部都加工应力分散槽和采用筒子牙型螺纹（俗称筒子扣）；外螺纹使用LET扣型，增大外螺纹距台肩面4牙的牙形底半径，减少了牙底应力集中；对加工好的螺纹进行冷滚压处理；变距螺纹技术增加了中间螺纹承载能力，减少两端的应力集中，从而提高了抗疲劳破坏能力；在钻铤螺纹上使用不同摩擦系数的螺纹脂，以降低外螺纹台肩面附近的载荷，达到分散应力减小应力集中的目的：
采用合理的连接螺纹弯曲强度比来选择钻铤最合适的接头螺纹连接，以保证钻铤螺纹的质量可靠性。
另外，加工应力分散槽的钻铤，一旦螺纹损坏需要修复的话．至少要切去全部螺纹的长度100mm．材料浪费相当大，进一步减少了钻铤的使用寿命。
B、螺纹部分粘扣
1）旋螺纹时发生错螺纹钻铤错螺纹主要是螺纹对中偏斜，或者是引螺纹不到位，螺纹对中后内、外螺纹还处于非正常的啮合状态，即外螺纹牙顶与内螺纹牙顶相接触时就快速采用大扭矩强行旋合螺纹，最终使螺纹牙严重粘螺纹破坏。
2）旋螺纹扭矩过大通过卸螺纹试验结果可知，按142%的APIRP7G推荐的最小扭矩旋螺纹不会发生接头螺纹粘结，仅接头密封台肩发生轻微粘结。
如果旋螺纹扭矩远高于142%的APIRP7G推荐的扭矩值，钻铤接头就会发生严重粘螺纹、密封台肩面也严重粘结
3）旋螺纹速度快，旋螺纹速度过快导致外螺纹沿着内螺纹的螺旋牙槽旋进时会产生附加的冲击载荷，这就很易损伤螺纹，形成粘螺纹。
如果存在螺纹对中偏斜，并且未引螺纹或引螺纹不到位，快速上卸螺纹就更容易导致粘螺纹和错螺纹。
钻铤在使用时螺纹的严重程度可知，钻铤螺纹对中和引螺纹不到位，且在内、外螺纹牙顶相接触的状态就已开始快速旋螺纹，最终导致外螺纹牙顶与内螺纹牙顶接触干涉，发生粘螺纹和错螺纹。
4）深井、大位移水平井，它的扭距非常大，使用好一些的螺纹脂，例如采用CS一1螺纹脂，它在旋螺纹扭矩达到1．3倍的APIRP7G推荐的最小扭矩时没有发生粘螺纹。
5）粘扣的发生必须突破密封脂的2个关口，即“油膜”（油脂）和“金属圈”（软金属含40-60%铅、锌）．当“金属圈”和“油膜”都被破坏以后，接头金属才有可能直接接触，因此，提高密封脂“油膜”和“金属圈”的抗极压破坏能力是防止粘扣事故的关键．“
预防措施
1）为减少或避免“中和点”以上发生钻具损坏,应加入足够数量的钻铤,使钻压加在钻铤上。
即用1/2～3/5钻铤给钻头加压，采用最佳上扣扭矩;保持螺纹及螺纹台肩良好的表面状态;使用内涂层钻杆和内加厚过渡带新型钻杆，提高钻杆整体性能,延长有效寿命并定期倒换钻具。
2）为减少“中和点”以下钻具损坏,钻铤弯曲强度比应控制在3.2：
1－1.9：
1的范围内，最佳的平衡连接为2.5：
1,当曲强度比下降到1.9：
1以下，可能引起内螺纹涨大或涨裂，当增大到3.2：
1以上时，可能引起外螺纹断裂。
，遇较硬或软硬交错地层时,采用双向减震器,减少震动，此外,还应避开临界转速,控制好上扣扭矩,采用先进的螺纹结构,提高钻铤的修复质量。
3）通过改善钻柱与钻井液接触的工作环境可适当提高钻柱使用寿命,包括向钻井液中添加缓蚀剂、推广使用内涂层钻杆、将钻井液pH值保持在10或10以上。
4）在设计钻具组合时,应该使相邻的钻具外径尺寸变化不大,并且在钻杆和底部钻具组合之间加上加重钻杆等。
正确调节钻压,使钻杆总处于拉伸状态,避免钻压过大而使钻柱弯曲。
降低应力集中就是要避免在钻具各部位几何形状改变过于突然,或在这些部位加工应力分散结构。
如在螺纹接头上加工应力减轻结构,
3、加重钻杆的薄弱部分和钻铤相同，不在重复。
四、钻具螺纹知识
1、数字型螺纹：
（NC）是采用V-0.38R螺纹牙型，并以螺纹基准面中径的英寸数和十分之一英寸数表示的螺纹，NC31（27/8IF0、NC38（31/2IF）、NC46（4IF）、NC50（41/2IF）。
2、内平型：
（IF）是接头连接外加厚或内外加厚钻杆，接头内径、管体加厚端内径与管体内径相等的通径。
27/8IF（211）、31/2IF（311）、4IF（4A11）、41/2IF（411）。
3、贯眼型：
（FH）是接头连接内外加厚钻杆，接头内径、管体加厚端内径内径相等，而小于管体内径的通径。
51/2FH（521）
4、正规型：
（REG）是接头连接内加厚钻杆，接头内径小于管体加厚端内径，管体加厚端内径小于管体内径相等的通径。
41/2REG、（431）、65/8REG（631）、75/8REG（730）、
5、左旋螺纹即反扣用LH表示
五、套管和油管螺纹知识
套管
1、长圆螺纹套管：
LG（旧：
LCSG或LTC）
2、短圆螺纹套管：
STC（旧：
CSG或STC）
3、偏梯形螺纹套管；BC（旧：
BCSG或BTC）
4、直连形螺纹套管：
XC（旧：
XCJG
油管
1、平式油管（不加厚）NC（旧：
TBG或NUE）
2、外加厚油管EU（旧：
UPTBG或EUE）
六钻具管理
1、钻具在上下钻台要配戴护丝，防止碰伤，如果接头螺纹损伤，下井前应进行修理。
2、钻具连接前应对螺纹进行清洗，并均匀涂抹合格钻具螺纹脂。
3、钻具螺纹脂应妥善保管，如果进入沙子、泥土等污物，会造成钻具螺纹的磨伤和密封不良。
4、防止机械损伤，尤其管体表面碰伤、烧伤、大钳、卡瓦及其它工具咬伤。
5、钻杆存放在管架上，每层钻杆间要有隔离垫杠，每层钻杆至少要有两处隔离垫杠，方钻杆、钻铤等应单层排放，钻杆不得超过三层。
6、入井前丈量尺寸，钻杆、钻铤使用过程中，定期倒换和起钻错扣；甩钻具避免碰撞和杂乱无章。
7、采取合理的钻具上扣扭矩，新螺纹上扣时要求液压大钳上扣时用低速上扣后在卸扣，这样反复三次，即合扣。
下钻接单根防止强行上扣和气压研磨。
8、钻井作业中，不得将铁棍等硬物插进内涂层钻杆内壁，通过内涂层钻杆水眼的井下工具及仪器必须带有防护装置，以防损坏内涂层。
9、建立钻具台帐，它包括井号、设计井深、实际井深、开钻日期、完钻日期、钢级、配发日期、使用井次、累计进尺；各种钻具名称、规格、日期、发放、倒运、回收、在用。
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