一、合理分布螺纹牙载荷
减少螺纹发生变形等失效,必须合理分布螺纹压承受的载荷。国内外研究表明,以下措施改良螺纹牙载荷分布:
1)、降低最后啮合区螺纹牙高度
研究表明,螺纹受力特点为两端大中间小。降低公扣第一个螺纹高度,可适当减少载荷集中程度。如果依次降低公扣前几个螺纹的高度,则应力集中程度将得到明显的改善。
当公扣第一个螺纹高度降低70%时,其承担的载荷比原来减少32%,被减少的负荷将分配于其它螺纹上,并不是全加到第二个螺纹上。当第一个螺纹高度降低后,螺纹中径也降低,因此轴向力和周向力都将降低。
2)、采用优质的螺纹脂
螺纹轴向应力和周向应力与摩擦系数有关,摩擦系数主要取决于螺纹脂的性能。在某一螺纹上摩擦系数降低,该螺牙上的载荷就会减小。从螺纹脂的产品特性来看,它主要有两个作用。一是利用螺纹脂中的固体含量(如石墨、铅粉、锌等)来堵塞存在于螺纹啮合间的通道,提高密封性能;二是利用其润滑作用降低摩擦系数,防止螺纹粘结。因此,可以在公扣靠近台肩面的螺纹上涂上摩擦系数较低的螺纹脂,以降低此处的载荷,达到减小应力集中的目的。
3)钻铤接头附近加工应力减轻槽,改善螺纹应力分布
螺纹疲劳主要是因为前几牙螺纹牙根应力集中。加工应力分散槽及适当减小螺纹附近的本体刚度是提高疲劳寿命的有效措施。
4)螺纹表面处理,延缓裂纹萌生
疲劳失效分为两个阶段:疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展。经过一定时间的交变应力作用后,微裂纹首先在螺纹表面应力集中区产生,这就是裂纹的萌生阶段。预防钻铤螺纹疲劳失效,可以通过强化表层物性,抑制疲劳裂纹的早期萌发,延长增加钻具使用寿命。表层物性是指形状精度、表面粗糙度、切削引起的表面硬化层厚度及残余应力等。这些都影响着螺纹的疲劳寿命。
提高加工精度,强化表面物性可提高螺纹的疲劳寿命。采用螺纹表面镀铜处理,可以使表面产生残余压应力,还可改善螺纹啮合后局部产生的高应力及应力集中;采用螺纹表面磷化处理,可使螺纹表面生成一层保护膜,能有效的防止腐蚀。
5)弯曲强度比要合理
弯曲强度比是螺纹联接的重要参数,与接头的失效有密切联系。弯曲强度比过小母扣受力严重,易发生胀扣、扯裂、滑扣、母扣螺纹根部断裂等现象;弯曲强度比过大,公扣受力严重,易发生公扣螺纹根部的破坏。采用增加钻铤母扣连接处壁厚,可提高螺纹联接处弯曲强度比;钻具接头硬化处理,提高钻具接头抗磨损能力;定期检查,发现钻具磨损严重或弯曲强度比过低的接头螺纹,应更换或重新滚丝。
二、腐蚀控制
1)使用内涂层钻杆
使用内涂层钻杆的寿命比不涂层可延长一倍以上;使用内涂层钻杆还可减少流动阻力;使用内涂层钻杆还可大大减少腐蚀疲劳。研究表明,内涂层钻杆比普通钻杆寿命高1~2倍,至少可减少一半的钻杆消耗。
2)应用缓蚀剂
缓蚀剂可分为无机和有机化合物两大类,目前普遍采用有机化合物。缓蚀剂的防腐效果主要与井况、缓蚀剂类型、注入周期、注入量有关,如果使用得当,缓蚀效率将在85%以上。
3)用化学剂除去腐蚀性成份
⑴除氧
控制氧在钻井液中的浓度是控制钻井液腐蚀作用的一种非常有效的手段。提高钻井液中的盐含量,可降低溶解氧的浓度,降低腐蚀速率。除去钻井液中的溶解氧,可使钻杆寿命延长一倍以上。常用的除氧剂有亚硫酸钠、亚硫酸氢钱、腆和各种有机亚硫酸胺。
⑵除二氧化碳
地层水中含有大量游离CO2、HCO3、Ca、Mg等离子,加速了钻杆的局部腐蚀。加入氢氧化钙可与二氧化碳反映生成碳酸钙沉淀,除去钻井液中的游离二氧化碳。
4)控制pH值
钻井液的腐蚀性随pH值的增加而显著降低,加碱(纯碱、烧碱或石灰乳)提高钻井液的pH值是控制钻具腐蚀的最古老而又最普遍的方法。分析现场钻井液及地层水发现,目前使用的钻井液pH值都在7左右,根据前面分析,该值对钻具腐蚀还有较大影响,还有大量提升空间,建议pH值控制在10以上。
5)选择高合金管材和抗氢脆管材
铬等元素具有很好的抑制金属腐蚀的作用,但由于其价格比较昂贵,API标准及国内各大管材厂商均采取中碳低合金钢,其铬含量大都在0.5%~1%。当合金材料中铬含量达到5%,腐蚀速率大大降低,推荐使用含4%~5%的合金钻具,用于地层中带有腐蚀介质的油气田。对于在含有硫化氢介质的地区钻井,可使用抗氢脆管材或低钢级的管材。
6)保持一定的钻井液密度,尽量阻止地层流体侵入井内
三、减少钻具的振动
预防纵振目前最有效的方法有以下几种:
(1)根据钻具组合计算钻柱的固有频率,随着井深的增加,纵振固有频率逐渐减小,钻井时应根据情况经常调整钻井参数;
(2)在跳钻严重的地层加入减振器能减轻钻具的振动。
目前能有效预防横振的方法不多,针对共振转速的频率带较宽,用选择转速的办法避开横振是比较困难的。中和点附近的横振发生频率较高,避开钻铤横振可主要考虑避开中和点附近钻铤发生横振。
减小横振带来的破坏可以从提高钻具本身属性方面考虑;横振引起接头处严重磨损,对接头进行表面硬化处理是当前延缓磨损唯一有效的办法;针对横振对螺纹带来的影响,改善螺纹受力,提高螺纹韧性可以延缓螺纹疲劳,提高钻铤寿命。
预防扭振目前一般在钻铤上加扭振减振器,根据需要适当调整钻井参数。
四、钻具操作与维护
1)井场上钻具应按钢级、壁厚、新旧程度分开摆放和管理,做好钻具资料登记、编号工作。下井时要按要求分段连接。
2)钻具上、下钻台,公、母扣必须戴好护丝,规范操作,不许碰撞钻具两端的接头。
3)钻具连接前,要清洗接头,认真检查,没有问题才能涂抹好合格的螺纹脂,进行正确的连接。要防止上扣出现错扣、咬扣的现象。
4)上、卸扣,大钳必须咬在钻杆本体上;使用双钳上、卸扣时,按标准扭矩规范操作。
5)在起下钻作业操作中,要避免大钳、卡瓦等工具对钻具的咬伤;要认真检查起出钻具外表面是否有伤痕;下钻时要认真检查钻具的弯曲度,决不允许弯钻具下井。
6)使用的钻具在井中所处的位置要定期进行倒换;执行错扣检查制度,每起一趟钻,错开卸扣起出一根立柱,用三趟起钻完成立柱错扣检查工作1-3=1-1*9/10+2*9-7=3,确保钻具接头连接处不粘扣、卸不开的现象发生。
7)要执行定期探伤检查制度。钻具的暗伤,必须用专用探伤仪进行检查;对于接头螺纹部分的暗伤,需要用超声波探伤仪或磁粉进行检查。一般钻具工作200~300小时就应探伤检查一次。
8)钻头类型、钻进参数选择因地制宜,建议采用推荐的钻井参数,预防钻具发生共振;井径扩大率大的地区采用低钻压、低转速钻井;5in钻杆排量不超过30L/S,减少钻井液对钻具的冲蚀作用。
9)在任何情况下,都不允许超过钻具的屈服强度提拉、扭转;钻井时防止过多的跳钻、顿钻、蹩钻和过大的所扭矩;处理事故时,要防止倒扣、脱扣、拉断、扭断钻具事故发生。
10)注意钻具存放中的有序管理,防止存放过程中的腐蚀;对钻具寿命进行正确预测与评估,提高钻具的使用效率,降低钻井成本;开展新型钻具的研发工作,提高钻具的使用性能。