石油钻杆接头选材及工艺路线设计-材料毕业论
钻井钻具接头
钻井钻具接头钻井钻具接头是钻井工具中的关键部件。
随着石油开采技术的不断提高，钻井钻具接头的质量和性能要求也越来越高。
本文就钻井钻具接头的定义、分类、性能要求、生产工艺等方面进行讨论。
一、定义钻井钻具接头是一种钻井工具，用于连接钻具和钻井管道的连接器。
它不仅承载着传递动力、传递扭矩和承受冲击的重要职能，同时还在连续的运动和冲击力下承受着高温和高压的环境，所以接头材料必须具备高强度、高耐磨性、耐腐蚀性和耐热能力。
二、分类钻井钻具接头按用途可以分为两大类：转接接头和连接接头。
前者用于连接不同规格或不同型号的管柱或钻具，后者用于连接同一规格和同一型号的管柱或钻具。
根据接头结构的不同，其又可分为通用接头、非常规接头和旋转控制接头。
通用接头是具有一定形状、尺寸、牙型和通径的接头，具有一定的通用性，适用于不同规格或不同型号的管柱或钻具的连接。
非常规接头是指特殊结构或特殊规格的接头，适用于特殊的工况和钻井环境，如Y型接头、T型接头、缩径接头等。
旋转控制接头主要是用于控制钻柱的扭矩传递和转向，保证钻井的方向和控制井眼偏移。
其结构复杂，包括转向套、定向齿轮、转向环、连接节等部分。
三、性能要求钻井钻具接头的主要性能要求包括力学强度、耐腐蚀性、耐磨性、耐热性、密封性等方面。
力学强度是衡量钻井钻具接头耐受负载的重要指标，包括弯矩强度、抗压强度、拉伸强度和扭矩强度等方面，其强度必须超过最大使用负荷，以确保接头不会发生断裂或变形。
钻井钻具接头经常处于高温、高压、高速的工作条件下，同时接触到油气、盐水等恶劣环境，因此具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和耐热性，以延长使用寿命。
钻井钻具接头的密封性能是一项重要的技术指标。
它包括连接密封和内部密封。
连接密封主要是靠结构设计和密封胶圈的选择实现，内部密封可以采用压力平衡装置或密封生成器等技术手段来实现。
四、生产工艺钻井钻具接头的生产工艺主要包括锻造、机加工和热处理等环节。
锻造是制造钻井钻具接头最常用的工艺，通过高温锻造和模具成型来实现接头的大变形和强度提升。
石油钻杆生产工艺
抽油机生产工艺(三)
钻杆生产工艺包括接头加工和摩擦焊接两个工序。
接头加工工艺流程：毛坯接头进场后经过内削、外削、特殊加工（只限公扣）、热处理、打硬度磁粉探伤、螺纹加工、刻印、镀铜或磷化（外协）、制得成品接头，送至压接线。
摩擦焊接：接头加工后的成品接头经端部加工、压接（将端部车好的原管与加工线送来的成品接头对焊）、焊缝退火、精加工、焊缝淬火、焊缝回火、自主检、探伤、成品喷标，最终得到成品钻杆。
工艺流程图见图1。
去摩擦压接成品
图1 工艺流程图。
钻井毕业设计
北
200米
9.14
97.4停注
临37-11
95.6
沙二上
2804.4-
3004.0
西北
350米
15
15
0
6.28
目前注不进
临37
95.5
沙二上
2648.0-
3154.8
东北
720米
0
5.25
转大修
三、取资料要求
1．地球物理测井（具体测井项目见附表）
（1）完钻测井
生产井沙泥岩剖面测井系列
1>组合1：200井段：自井底测至00m。
中国石油大学（华东）现代远程教育
毕业设计（论文）
题目：高89 —试1井钻井设计
学习中心：胜利职业学院学习中心
年级专业：网络xx秋石油工程钻井技术
学生姓名：xxx学号：xxxxxxxx
指导教师：小学校职称：副教授
导师单位：中国石油大学（华东）
中国石油大学（华东）远程与继续教育学院
论文完成时间：2011年09月01日
沙一段
18.7
1.02
225
914
高89
2001.01
3013.0~30772.0
纯下亚段
42.6
1.43
25
1051
高899
2006.11.14
3181.6~3223.3
纯下亚段
44.31
1.39
313
1671
该块原始地层压力41.9MPa，压力系数1.42；目前据高89—4井2007年12月所测地层静压14.78MPa，地层温度126°C，温度梯度为3.8°C/100m，属常温高压油藏。
3）井位坐标：
石油钻井工具的材料与结构研究
石油钻井工具的材料与结构研究一、引言石油是非常重要的能源资源，而钻井是开发石油资源的主要方法之一。
石油钻井工具的性能与材料、结构密切相关，因此对石油钻井工具的材料与结构进行研究具有重要意义。
本文将针对石油钻井工具的材料与结构进行详细讨论。
二、钻井工具的分类石油钻井工具可以根据其功能和用途分为不同的类别。
常见的石油钻井工具包括钻头、钻杆、套管等。
1. 钻头钻头是钻井过程中用于钻进地层的工具。
常见的钻头有三角锥钻头、锥齿钻头、平底钻头等。
钻头通常由金属材料制成，其材料的选择与钻进地层的性质有关。
2. 钻杆钻杆是连接钻头与钻机的组件，承受着钻进的力和扭矩。
钻杆一般由优质合金钢制成，以确保其耐磨性和抗拉强度。
3. 套管套管是在钻进过程中用于保护井壁的管道。
套管一般由碳钢或合金钢制成，具有良好的耐腐蚀性和抗压性能。
三、钻井工具材料与性能钻井工具材料的选择与其使用环境和所需性能密切相关。
下面将分别介绍钻头、钻杆和套管的材料与性能。
1. 钻头材料与性能一般来说，钻头应具有良好的耐磨性和耐腐蚀性能。
常见的钻头材料包括高速钢、硬质合金和纳米超硬材料。
高速钢具有良好的切削性能，适用于低强度地层的钻井。
硬质合金由钨钴合金和强化剂组成，其硬度高，适用于中等强度地层的钻井。
纳米超硬材料具有更高的硬度和耐磨性，适用于高强度地层的钻井。
2. 钻杆材料与性能钻杆应具有较高的抗拉强度、抗磨损和耐腐蚀性能。
常见的钻杆材料包括碳钢、合金钢和高强度钢。
碳钢具有较好的韧性和延展性，适用于一般的中低强度地层钻井。
合金钢具有更高的抗拉强度和硬度，适用于中等强度地层钻井。
高强度钢具有更高的强度和硬度，适用于高强度地层钻井。
3. 套管材料与性能套管应具有较高的抗压强度、耐腐蚀和耐磨损性能。
常见的套管材料包括碳钢、合金钢和高强度钢。
碳钢套管适用于一般的低强度地层钻井，具有较好的韧性和成本效益。
合金钢套管适用于中等强度地层钻井，具有更高的抗压强度和耐腐蚀性能。
石油钻杆资料
主要原因
表现形式
• 材料性能不足，导致钻杆强度和刚度不足
• 钻杆断裂或弯曲
• 钻杆磨损或腐蚀，导致使用寿命缩短
• 钻杆接头磨损或泄漏
• 操作不当，导致钻杆过载或损坏
• 钻杆表面腐蚀
钻杆失效的预防措施与对策
预防措施
对策
• 选择合适的钻杆材料和规格
• 对失效钻杆进行技术分析，找出原因
• 提高钻杆的制造工艺和质量控制水平
• 易磨损和腐蚀，使用寿命较短
增加
料钻杆出现
• 耐磨性和耐腐蚀性得到改善，使
• 钻杆设计和制造技术不断进步
用寿命延长
• 钻杆性能得到进一步提高，钻井
效率和安全得到保障
02
石油钻杆的材料选择
钻杆材料的性能要求
强度和刚度
耐磨性
• 能够承受钻井过程中的拉、压、弯、扭等
• 能够抵抗钻井过程中的磨损
载荷
• 延长钻杆使用寿命
• 保证钻杆的强度和刚度，提高使用寿命
02
铝合金钻杆制造工艺
• 熔炼、铸造、挤压、拉拔、热处理等工艺
• 保证钻杆的轻质、耐腐蚀性，提高使用寿命
03
陶瓷钻杆制造工艺
• 混合、成型、烧结、加工等工艺
• 保证钻杆的耐高温、耐磨性，提高使用寿命
钻杆的质量控制与检测
质量控制
检测方法
• 严格原材料质量把关
• 采用无损检测、材料性能检测等方法
• 针对失效原因，采取相应的预防措施
• 遵循操作规程，合理使用钻杆
• 加强钻杆的维护与保养，提高使用寿命
钻杆失效案例分析
案例一：钻杆断裂
⌛️
• 原因分析：材料性能不
足，钻杆过载
毕业设计--钻井井身结构设计论文[管理资料]
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毕业设计--钻井井身结构设计论文国石油大学北京本科毕业设计第I 页井底钻具组合及水力参数设计的软件开发摘要石油钻井投资大风险高其钻具组合设计的好坏直接关系着施工的效益和成败本论文以单井钻井工程技术为框架包含了三个方面钻柱组合设计机械破岩钻进参数的评价和水力参数论文对目前地层可钻性求取所采用的方法进行了总结和比较采用尹宏锦教授创立的通用钻速方程求对数进行整理后作为求解的模型通过比较杨格 YoungF．S．模式和通用钻速方程模型求取最优的机械破岩钻进参数钻压和转速的方法采用基于通用钻速方程的模型求取最优的机械破岩钻进参数钻压和转速用最优的钻压和转速代入通用钻速方程求解最优条件下的机械钻速与实际钻速对比在水力参数评价方面采用目前已经成熟的最大水马力模式求最优解以最优解条件下的水力效率钻头水功率喷射速度射流冲击力并基于上述模型编写了计算机程序该软件采用面向对象的VC2005 语言开发关键词钻进参数钻具组合水力参数钻井软件国石油大学北京本科毕业设计第II 页AbstractThe petroleum well drilling is great investment and high riskthe resultof Hole Assembly Design has a final say on the efficiency and success of theconstruction This paper studies and evaluates the drilling parameters Basedon drilling time log data and the penetration rate model made by professorYin Hong ji n the drill ability can be calculated out Thus the drilling bit typeselection and evaluation will become possible This paper also discuss bitweight and rotary speed evaluation It depends on the drilling model ofprofessor Yin Hong ji n The drill ability is used in this section The bithydraulics mud pump discharge and bit nozzle is evaluated in the thirdpartThe evaluation program is written in Visual c 2005 computer languageThrough the combination of the theories mentioned above and the latestresearch results the author developed Compound Drilling Fluid HydraulicParameter Optimum Design System using the high level computer languageDelphi with OOP methodKey words drilling parameters drilling assemblyBit hydraulics drillsoftware国石油大学北京本科毕业设计第III 页目录第 1 章前言111 课题背景及目的112 国内外研究现状313 本文主要内容3第 2 章钻井工程设计理论基础421 钻柱组合设计42 11 钻柱尺寸选择 421 2 钻铤长度的确定5213 钻杆柱强度设计622 水力参数设计82 2 1 钻井液循环系统压耗的计算8com 确定最优排量和最优压耗的最水力路线 10 23 下部防斜钻具设计1223 1 井斜的原因分析1223 2 满眼钻具控制井斜1323 3 钟摆钻具控制井斜14第 3 章生产实例1731 地质概况件1732 地层位置预测及岩性173 3 技术指标及质量要求1 933 1 井身质量要求井下复杂情况提示1933 2 地层可钻性分级及地层压力预测19国石油大学北京本科毕业设计第IV 页33 3 井身结构2034 钻井主要设备213 5 钻具组合和强度设计2 136 机械破岩参数2237 水力参数设计2338 钻井参数设计2339 计算过程24第４章软件编制294 1 流程图2 94 2 基本界面304 3 结果31第 5 章结论32参考文献34致谢35附录3 6第 1 章前言第 1 页第1 章前言11 目的意义石油工业是国家的支柱产业之一．石油钻井是石油天然气勘探开发不可缺少和最直接的手段钻井是勘探的继续开发的先导钻井工程的费用约占勘探开发总投入的30-50石油钻井投资太风险高钻井工程设计是实施钻井工程的前提而其钻具组合和水力参数的设计极其重要直接关系着施工的效益和成败应该体现其科学性经济性综合性要实现高水平的钻井工程设计必须解决目前目前很多钻井工程技术人员仍然在使用纸和计算器的问题多年来地质学家地球物理学家和石油物理学家已经把先进的计算能力应用于他们的专业领域在钻井技术研究和工程设计领域引入高级的计算技术包括人工智能技术是解决目前在的问题的重要途径智能钻井系统的研究是当前钻井与掘进技术的最新研究内容之一12 国内外研究现状调研发现国外一些大的石油软件公司在钻井工程设计一体化软件系统方面作了大量的研究和推广应用工作国外为钻井工程设计提供相应软件包的公司有Landmark 公司Schlumberger 公司Maurer 公司等这些软件公司的软件产品应用在钻井过程的各个阶段从地层压力预测到井身结构的优化井眼轨道设计套管设计等直至钻井施工的钻井数据采集与分析帮助客户实现数据工作流程和作业过程的一体化从而在整个企业范围内达到资源的优化配置创造最大的经济效益总之这些石油软件公司已将集成化一体化作为其产品研发的主导思想其中1 Landmark 公司CasingSite 软件实现了套管柱管串设计和强度校核并将设计结果以报表输出WellPlan 软件完成带弯接头底部钻具组合设计固井临界返速分析水力分析卡钻设计摩阻与扭矩防第 1 章前言第 2 页[1]碰分析井控等功能2 Paradigm 公司DirectorGeo 实现了钻井工程师与地质解释人员在一个多学科环境下一起工作完成地质目标选择油井设计和三维可视化Cement-IT帮助钻井工程师分析各种流体泵送情况确定最终多流体结构固井计算程序进行各循环流体的完全水力学分析CaseWell完[2]成套管设计Pump-IT 完成水力计算等3 Schlumberger 该公司产品Drilling Office 是一体化的钻井工程应用软件其功能涵盖了油井生命周期国外软件的优缺点Landmark 和Schlumberger 的优点是软件基于统一的数据平台实现了钻井应用程序模块间一体化界面友好Landmark的缺点是技术先进性一般支持的模型较少相应计算考虑因素还有欠缺Maurer 的优点是功能全面包括欠平衡设计套管磨损及水管磨损连续软管钻井等Maurer 的缺点是软件输出数据图表的规范性和灵活性差数据管理能力不足Paradigm公司的优点是三维显示效果好设计的井身轨迹地震数据地层孔隙压力等可以在三维可视化的环境显示[3]缺点是功能及技术先进性一般总之国外软件虽然采用了先进的钻井工艺技术并很好地将计算机技术与网络技术应用于钻井工程设计统一了数据平台实现了钻井应用程序模块间的一体化但软件的本地化欠缺不符合中国的国情某些计算参数在国内的实际生产很难采集到使得设计软件在可用性和易用性上在一定的不足同时价格昂贵维护不便调研和查新结果表明国内研究和报道钻井工程设计一体化系统的文献相对较少而真正实现钻井工程设计网络化可视化标准化的软件则更少一体化则未见报道多年来国内各石油院校以及各大油田研究院所在引进吸收自行开发的过程中在钻井工程设计软件开发方面做了一定的工作13 本文主要内容本文以钻井工程设计理论为基础介绍了钻井工程软件设计的全过程其中第2 章讲述了钻柱组合设计水力参数设计下部防斜钻具设第 1 章前言第 3 页计第 3 章结合理论基础介绍了在实际生产中的钻井工程设计第四章介绍了本钻井工程设计软件的设计流程图基本界面以及软件的运行方式第 2 章钻井工程设计理论基础第 4 页第2 章钻井工程设计理论基础21 钻柱组合设计钻柱是钻头以上水龙头以下部分的钢管柱的总称它包括方钻杆钻杆钻铤各种接头及稳定器等井下工具钻柱是钻井的重要工具它是联通地下与地面的枢纽在转盘钻井时靠它来传递破碎岩石锁需要的能量给井底施加钻压以及循环钻井液等在井下动力钻井时井下动力钻具是用钻柱送到井底并靠它来承受反扭矩同时钻头和动力钻具所需要的液体能量也是通过钻柱输送到井底的钻柱设计包括钻柱尺寸选择和强度设计量方面内容在设计一般遵循以下两个原则第一满足强度抗拉强度抗挤强度要求保证钻柱安全工作第二尽量减轻整个钻柱的重力以便在现有的抗负荷能力下钻更深的井com 钻柱尺寸选择具体对于一口井而言钻柱尺寸的选择首先取决于钻头尺寸和钻机的提升能力同时还要考虑每个地区的特点如地质条件井身结构钻具供应以及防斜措施等选择的基本原则a方钻杆由于受到扭矩和拉力最大在供应可能的情况下应尽量选用大尺寸方钻杆b在钻机提升能力允许的情况下选择大尺寸钻杆是有利的因为大尺寸钻杆强度大水眼大钻井液流动阻力小且由于环空小钻井液上返速度高有利于携带岩屑入井的钻柱力求结构简单以便于起下钻操作c钻铤尺寸一般选用与钻杆接头外径相等或相近的尺寸有时根据防斜措施来选择钻铤的直径常用的钻头尺寸与钻柱尺寸配合列于下表21 供参考第 2 章钻井工程设计理论基础第 5 页表21 钻头尺寸与钻柱尺寸钻头直径mm in 钻铤外径钻杆外径方钻杆方宽mm in mm in mm in299 113 ／4 203 8 168 658 152 6248-299 934-1134 178-203 7-8 140 512 133152 5146197-248 73 ／4-93 152-178 6-7 114127 4125 108133 414514／4146-216 534-812 146 534 89 312 89108 314 414使用大直径钻铤具有下列优点1可用较少的钻铤满足所需钻压的要求可减少钻铤从而减少起下钻时连接钻铤的时间2提高了钻头附近钻柱的刚度有利于改善钻头工况3钻铤和井壁的间隙较小可减少连接部分的疲劳破坏4有利于防斜com 钻铤长度的确定浮重原则保证在最大钻压时钻杆不承受压缩载荷即保持中性点始终处在钻铤上计算公式Lc S W q K cos a 21n c b式中 Lc 钻铤长度mW 设计的最大钻压kNSn 安全系数考虑附加力动载井壁摩擦力等防第 2 章钻井工程设计理论基础第 6 页止中性点移动较弱的钻杆上一般取115 ～125qc 每米钻铤在空气中的重力kNmKb 浮力系数a 井斜角直井时 0com 钻杆柱强度设计a 强度条件i1 mFt ≤Fa F L q L q L q K 22ti i pi j pj ck ck Bj 1 k 1式中Ft 钻杆柱任一截面上的静拉伸载荷kNFa钻杆柱的最大安全静拉力kN1钻杆在屈服强度下的抗拉载荷钻杆材料的屈服强度所允许的最大抗拉载荷F yAp2301s式σy 钻杆钢材的最小屈服强度MPaAp 钻杆的横截面积cm2Fy 最小屈服强度下的抗拉载荷kN2 钻杆的最大允许拉伸力FpF 0 9 Fy2 4pFp 钻杆的最大允许拉伸载荷kN3 钻杆的最大安全静拉力Fa①安全系数法考虑起下钻时的动载及摩擦力F F St25a p式 St安全系数一般取130②设计系数法考虑卡瓦挤压1sF F ya pst26第 2 章钻井工程设计理论基础第 7 页③拉力余量法Fa Fp MOP 27式中MOP拉力余量一般取200～500KNb 钻杆柱强度设计按最大安全静拉力F a 设计钻杆柱的最大允许下深长度1单一钻杆柱设计强度条件Fa Lqp Lcqc Kb 2 8F a K B L c q cL最大允许下深q p2 复合钻杆柱设计深井思路由下而上所受拉伸载荷逐渐增大强度应逐渐增大故由钻铤上面第一段钻杆开始先选择强度较低的钻杆确定其许用长度再逐段向上选择强度更高的钻杆进行设计这样设计出来的钻杆柱由下而上强度逐级增大以满足抗拉强度的要求i1 m每段钻杆满足强度条件 F L q L q L q Ka i i pi j pj ck ck Bj 1 k 1F q LL a 1 c c1qp 1K B qp 1F q L q LL a 2 c C p 1 p 12qp 2K B qp 2F q L q L q LL a 3 c c p 1 1 p 2 23qp 3K B qp 3F q L q L q L q LL a 4 c c p 1 1 p 2 2 p 3 34qp 4K B qp 3L L L L1 2 3 4 钻铤上面第一二三四段钻杆的长度Fa 1Fa 2Fa 3Fa 4 相应各段钻杆的最大安全静拉力qp 1qp 2qp 3qp 4 相应各段钻杆在空气度重力c 强度较核1抗外挤强度较核P P S 2 9ac c c第 2 章钻井工程设计理论基础第 8 页式 P ——最大安全外挤载荷MPaacP ——钻杆的最小抗挤压力MPacS ——安全系数一般应不小于1125c2 抗扭强度较核M 967P n 210式中 M - 钻杆承受的扭矩KNmP - 使钻柱旋转所需的功率kWn - 转速rpm3 抗内压强度较核不同尺寸钢级和级别的钻杆的最小抗内压力可在API RP 7G标准查得用适当的安全系数去除它即得其许用净内压力2 2 水力参数设计钻井液水力学的合理设计不仅有利于环空水力参数的优化提高岩屑携带效率而且可以通过优化钻头水眼的水力参数发挥钻井液的高压射流作用提高岩石破碎效率com 钻井液循环系统压耗的计算循环系统压耗由地表管汇钻具内环空和钻头各部分组成目前考虑到实际钻探以及钻探工艺的结合大多数石油水文水井和岩心钻探采用了正循环工艺而且大量地应用了牙轮钻头45 钻头和金刚石钻头在这样的情况下水力参数设计要充分考虑钻头水功率和钻头射流冲击力的影响5种流变模式循环压降计算公式见表2根据水力学原理由能量方程可推出钻头喷嘴压力降的表达式p 4 628 10 4 rQ 2 211bit 2 2C Abit式 Pbit为钻头喷嘴压力降为钻井液密度Q为泵排量C为喷嘴流量系数无因次Abit为钻头水口总面积eckel和bielstein 已通过实验确定了钻头喷嘴流量系数c他们指出流量系数最高可达098 石油大学的夏月泉通过实验验证钻头喷嘴流第 2 章钻井工程设计理论基础第 9 页量com间对于工程应用取流量系数c值为095是可行的为了最大程度地模拟井下情况这里计算井身结构与钻具组合的真实数据并利用计算机分析将井段拆分为连续的部分依次计算由于考虑到有些井段长度过大为防止某些变径井段变化突兀对于长井段判其长度并且将其划分为更小的单位并依次计算出各井段的压降各段压力降P 212p i L iL通过计算得出各段的压力降就可以推算出各个部分的压力并得出井下的压力情况表22 不同流变模式参数计算表流变流变方程层流压降模型紊流压降模型模式牛顿钻杆内钻杆内P 3 2 10 5 m VP P 2 04103 fpV 2 p2t mg L D LD环空环空P 4 8 10 5 m V3 2a p 2 0410 fpV aL D 2 D 1 2 L DD2 1宾钻杆内钻杆内汉 t t 1 5 2 04103 fpV 20 p 3210 m 160t P pP 0塑 10 3 m p g L D2 3D LD性环空环空4P 4810 m V 60t 3 2p a 0 P 2 0410 fpV aL D D 2 3 D D L DD2 1 2 1 2 1幂律钻杆内 3 2 钻杆内P 3910 fpVp 3 2p 3 9 10 fpV pL DL Dt K g n 环空环空P 3 9 10 3 fpV a 2 p 3 9 10 3 fpV a2L D 2 D 1 L D 2 D 1第 2 章钻井工程设计理论基础第 10 页流变流变方程层流压降模型紊流压降模型模式卡森钻杆内钻杆内t 1 2 t 1 2 P 4 10 4 [[ 8 m Vp p 2 10 4fpV p2c L D D L D1 103 m 12 4t c 2 1 2 8t c 2] ]1 2 147 7g环空环空P 4 104 12 m VP 4 2[[ p 210 fpV aL D 2 D 1 D 2 D 13t 2 1 2 6t C 2 L D 2D 1] ]50 5谢尔钻杆内钻杆内巴尓P 6n 2 V4 n p4 2克莱 L 4 10 k [ n ] D p 210 fpV p赫 4 3n 2 4t HB L Dn 10t t K g 2n 1 DHB环空环空P n4 8 4L 410K[ n ] p 210 4 fpV a2n t L D 2 D 1V a 4 8n4 4 HB10 [ ]D D n1 n 1 D D2 1 2 1com优排量和最优压耗的最佳水力路线a 水力功率由于能量是做功的大小泵能W乘以质量流量即可将泵能转化为水力能量即水功率1213N H 8 33 10 pQ式 NH为水功率或水马力△P为压降Q为流量b ．水力冲击力第 2 章钻井工程设计理论基础第 11 页应用物理和力学的动量原理水力射流动量在任一段时间内的变化等于在同一时间内射流作用力Fbit 的冲量通常写作MV bit M pQ V bitF bit [ ]V bit [ ]t t 60 32 17 214又根据喷嘴处速度公式PV C bit 215bit 48047 10 p联立方程并转化为公制可得到水力冲击力公式c 最小排量的确定确定最小环空返速的方法有多种一种方法是根据现场工作经验来确定另一种方法是用经验公式计算通常使用的经验公式为v p v r 0 5 216式中Vp为岩屑的净上升速度msVf为钻井液的上升速度ms研究表明携带比通常应大于05才能有效地携带岩屑净化井眼如果携带比小于05则需要适当调整钻井液性能或适当调整最低环空返速的值以确保携带比VpVf≥com械钻速的影响V a 2 V s V d 217为临界输送速度ms 为岩屑的沉降速度ms 为机械钻速ms最低返速确定以后即可确定携岩所需的最小排量218p 2 2Q a D 2 D 1 v a4000式 Qa为最小排量LSD1为环空外径mmD2为环空内径mm如果是反循环则最小排量为219p 2Q a D v a4000式 D为钻杆内径mm第 2 章钻井工程设计理论基础第 12 页23 下部防斜钻具设计com 井斜的原因分析a地质因素最本质的导致井斜的原因是地层可钻性的不均匀性和地层的倾斜两个因素这种地层可钻性的不均匀性表现在许多方面再与地层倾斜相结合导致井眼倾斜1地层可钻性的各向异性即地层可钻性在不同方向上的不均匀性2地层可钻性的纵向变化地层在沉积过程中由于沉积环境的不同和变化形成了沿垂直于地层层面方向可钻性的变化俗称软硬交错3地层可钻性的横向变化地层可钻性不紧沿垂直于地层层面上有变化而且在平行于地层层面方向也有变化从以上分析可知地层可钻性的各种不均匀性和地层倾斜引起井斜的机理最终体现在钻头对井底的不对称切削使钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜从而使新钻的井眼偏离原井眼b钻具原因钻具导致井斜的主要因素是钻具的倾斜和弯曲影响最大的是靠经钻头的那部分钻具称作底部钻具组合bottom hole assembly简称BHA 钻具的倾斜和弯曲将产生两个后果一个是引起钻头倾斜在井底形成不对称切削新钻的井眼将不的偏离井眼方向二是使钻头受到侧向力的作用迫使钻头进行侧向切削这样也会使新的井眼不的偏离原井眼方向而导致钻具的倾斜和弯曲的原因是第一由于钻具直径小于井眼直径钻具和井眼之间有一定的间隙所以钻具在井眼内的活动余地很大这给钻具的倾斜和弯曲创造了空间条件其次由于钻压的作用下部钻具受压后必将靠向井壁而倾斜当压力超过一定数值后钻柱将发生弯曲弯曲钻柱将使靠近钻头的钻具倾斜更大还有当安装设备时天车游车转盘三点不在一条铅垂线上钻盘安装不平从而引起钻具一开始就倾斜第 2 章钻井工程设计理论基础第 13 页com 满眼钻具控制井斜满眼钻具的结构是在靠近钻头大约20M长的钻铤上适当的安置扶正器以此来达到放斜的目的所谓适当包括扶正器的数量位置和直径这里介绍我国著名石油专家杨勋尧提出的满眼钻具组合简称YXY组合图21 杨勋尧满眼组合力学模型A yxy组合yxy组合一般包括四个扶正器自下而上分别为1 近头扶正器紧装在钻头之上简称近扶近扶直径较大与钻头直径仅差1-2mm 在易斜的地区近扶的长度可加长在特易斜的地区可将两个扶正器串联起来作为近扶近扶的主要作用是依靠其支撑在尚未扩大的井壁上抵抗钻头所受的侧向力有效地防止钻头侧向切削2 扶正器简称扶或二扶扶的位置需要经过严格计算扶的直径与近扶相同扶的作用是保证扶与钻头之间的钻柱不会发生弯曲使这段钻柱不发生倾斜从而防止钻头对井底的不对称切削3 上扶正器简称上扶或三扶安置在扶之上一个钻铤单根处上扶的直径一般与扶相同但要求可以稍松4 第四扶正器简称四扶一般可不安装仅在特别易斜的地区才装安置位置在上扶之上的一个钻铤单根处直径要求与上扶相同上第 2 章钻井工程设计理论基础第 14 页扶与四扶作用在于增加下部钻柱的刚度协助扶防止下部钻柱轴线发生倾斜B YXY组合中扶位置的计算扶位置的计算式满眼钻具设计的核心扶距钻头最优先长度以Lp表示图22是杨勋尧建立的下部钻具受力的力学模型图先不考虑扶正器的在由图知钻头相对于井眼心线的偏移角θθcθq扶距钻头的距离增大则θc减小但θq增大扶距钻头的距离减少则θc增大但θq减小所以在一个最优距离可以使θ最小根据力学模型建立数学模型然后求解即可得到Lp计算公式最后对公式化简得到如下计算式L 025 220LP [ 16C E J qm sin a ]式中 Lp- 扶距钻头的最优长度mC-扶正器与井眼的半间隙C dh-ds 2mDh - 井眼直径mds - 扶正器外径mE - 钻铤钢材的杨氏模量knm2J –钻铤截面的轴惯性钜m4qm-钻铤在钻井液中的线重knma-允许的最大井斜角com 钟摆钻具组合控制井斜a 钟摆钻具组合的原理钟摆钻具原理如图3当钟摆摆过一定角度时在钟摆上会产生一个向回摆的力Gc称作钟摆力Gc Gsina 显然钟摆摆过得角度越大钟摆力就越大如果在钻柱的下部适当位置加一个扶正器该扶正器支撑在井壁上使下部钻柱悬空则该扶正器以下的钻柱好像一个钟摆第 2 章钻井工程设计理论基础第 15 页。
37CrMnMo钻杆接头生产工艺
37CrMnMo钻杆接头生产工艺第一篇：37CrMnMo钻杆接头生产工艺产品名称：石油钻杆接头材料名称：37CrMnMo1、下料：锯床，直径Φ170，L＝290，确保端面平齐；2、中频炉透烧：要求出炉温度1150℃～1200℃，芯表、头尾温差小于30℃；3、1250T压机墩粗脱氧化皮；4、1250T压机精密挤压成型；5、500T压机收口；6、500T压机冲连皮；7、锻件检验：按锻件图纸要求检验，外形尺寸，同轴度，垂直度，公差等；8、正火炉预冷处理；9、零件锻后正火处理：待上道工序后温度小于600℃时均匀加热至800℃-840℃，保温45min；10、超声波探伤工序：逐件进行超声波探伤；11、调质处理：将淬火炉升温至850℃～900℃，接头装炉，加热，保温45～50分钟，油淬至500℃～550℃，风冷；回火：将回火炉升温至560℃～670℃，接头装炉，启动风机，加热，保温120～180分钟；出炉，冷却至常温；12、硬度检验：按图纸要求测试硬度，HB＜285；13、精车：按图纸要求精车至尺寸；14、成品检验：按图纸要求检验各部尺寸；15、成品入库。
钻杆接头产品质量检验1、原材料：原材料进厂后，凭钢厂的材质化验单复验化学成分，合格后应逐件进行磁粉探伤；2、下料后对下料件逐件检验，严格控制重量；3、锻件挤压成型后，不应有锻造缺陷，裂纹等；4、第二篇：钻杆输送一种水平定向钻机的钻杆输送夹持装置包括挂钩（１）、一端与挂钩（１）相连的弹簧（４）、梭臂（８），所述的挂钩（１）可绕固定在梭臂（８）上的销轴（３）转动，其特征在于：该装置还包括由油缸（７）、推杆（６）、导向块（５）构成的钻杆夹持装置，油缸（７）缸体末端固定在钻机梭臂（８）后部、导向块（５）固定在钻机梭臂中部，推杆（６）穿过导向块（５）并能沿导向块（５）内的滑槽作纵向移动，其一端与油缸活塞杆通过转轴活动连接，另一端在推杆（６）伸出时直达挂钩（１）上部、限制挂钩（１）的转动，所述与挂钩（１）相连的弹簧（４）之另一端与固定在导向块（５）底部的弯钩相连。
浅析石油钻杆的数控机加工工艺和工艺装置设计
浅析石油钻杆的数控机加工工艺和工艺装置设计浅析石油钻杆的数控机加工工艺和工艺装置设计钻杆在地质工作中有着不容忽视的地位，是相关勘探常用的钻具之一，可以极大地提高地质勘探的效率，保证地质工程的进度和质量。
在钻杆制作过程中，技术难点主要集中在接头孔和大螺距螺纹处，这些方面的可用性一定程度上决定着整个钻杆的质量。
因此，本文对于钻杆加工工艺的探讨具有一定的现实意义。
1 方案确定1.1 提出方案在钻杆方案确定时应该根据实际的零件工艺性质并且综合相应的技术分析综合考虑，尽量拟出多种不同的方案，最后进行评估优化。
例如镗孔工艺可以选择外协生产或者利用数控拉床改造现有刀杆；内螺纹加工时可以选择CKQ6000拉床或者TCN12P-2T-2C双主轴车削加工。
1.2 方案选择数控车床、车削中心是一种高精度、高效率的自动化车床。
配备多工位刀塔或动位刀塔，具备广泛的加工工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽等复杂工件，具有直线插补、圆弧插补等各种补偿功能。
进行镗孔工艺时，如果采用外协生产，虽然成本较小，但是时间和进度上没有保证，而且失去了产品开发的意义；使用专用刀具加工时，刀具制作的成本太高，加工周期过长。
因此可以采用对现有刀具改造的方法，即先扩孔再改良的方案。
2 制定实际操作方案根据已经选择和优化的具体流程，确定加工目标，分配实验设备，完善具体加工过程的步骤方法。
例如，车内螺纹，加工的目标是内螺纹紧密距为（15.3±0.5）mm，三头螺纹极差要求不大于0.1mm；实验设备应该选择CN12P-2T-2C双主轴车削中心；具体加工时首先要设计成型的刀片，然后设计专用的刀片，细化具体加工的工序，精益求精。
3 工艺技术的实施3.1 调整刀具的位置针对石油钻杆的实际特征以及加工的需要，应该合理调整刀头、刀杆的方向，当然还应该选择合适的刀杆。
实际加工时应该分粗车和精车两个过程，粗车即粗加工工序，将工件表面的多余材料切削，不要求精准度和粗糙度；精车即精加工，使零件达到全部尺寸和技术要求，要求精确度和粗糙度。
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石油钻杆接头选材及工艺路线设计学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化学号：1304010402姓名：韩西浩指导老师：宋玉强二零一五年六月摘要：尽管现在都在提倡新能源，但石油依然是全球的主要能源，并且可以肯定的是在未来很长的一段时间内这种局面将一直保持。
所以石油钻井技术依然有着它不可忽视的价值。
本文着重就钻杆接头的选材及工艺路线的制定进行分析，同时会从总体上对石油钻采机械做一个基本的介绍。
关键词：石油钻采机械、钻杆接头、选材、工艺路线。
11.中国石油行业及钻井设备现状及发展简介1.1中国石油行业现状及发展2012年以来，我国石油行业生产发展平稳，主要产品产量保持低速增长。
现阶段，国内市场对石油的消费需求量不断增大，而国内石油产量上升空间有限，所以我国现阶段对石油的进口依然保持着高依存度，2013年已经达到57.39%，超过警戒线50%，就现在的国际国内形势来看，短期内我国对石油的依存度还将继续升高，这将对我国的经济发展，国防安全，与其他国家经济政治关系产生影响。
从国内石油生产来看，中国东部油田在减产，西部发展比预期慢，海洋油气产量仍较低，所以中国石油产量短期内不会有大幅的增长，再加上国内石油行业企业分布较散，难以发挥产业集群效应，既不利于减低生产成本也不利于环境保护。
所以总体来说我国石油行业虽保持着稳步的发展，但由于自身存在的一些问题加上国内石油消费需求的不断增大，在国际上仍面临着激烈的竞争。
迅猛的工业增长和不断提升的国内生活水平进一步加大了中国对能源的需求，在这些能源中，石油毋容置疑在未来很长的一段时间内将扮演着主要角色，因此石油行业的前景依然是乐观的。
结合中国自身的实际情况及国际大环境，中国石油行业在未来的发展中将继续依靠老油田的稳产，加大对西部地区及海洋地区的开发，加大中国石油企业与西方公司的合作，获得与非常规石油生产相关的必要技术，逐步向油气并重的方向发展，在保障国家安全的战略中从单纯的“开源”向“开源”与“节流”并重的方向发展。
1.2 中国钻井设备现状及发展我国石油钻井的规模位于世界前列，年动用钻机数量也在不断增加，钻井地域由陆地到海域，钻井井深由浅井到中深井到深井、超深井，钻井井型由打直井到定向井、丛式井、水平井和大位移井。
总而言之，我国经过许多年的探索基本上形成了较先进的整套钻井设备及技术，在钻头制造技术，钻头选型技术及钻头实用技术等方面都有了较大的提高，但我国目前的钻井设备与国外先进水平还有很大的差距，就钻头来说，国外钻头型号多，并且每种型号都有可供选择的附加项目钻头对地层的适应性强，工作效率高。
因此在未来的发展中要走向世界，学习西方的先进技术，同时发挥中国石油的整体优势，加强钻井专业高端技术装备以及软件的研发和应用，积极推广和发展核心技术，提高专业化技术服务水平。
海洋领域的竞争无疑会在未来的石油行业竞争中占据主要地位，所以我国要加快提高海上采油装备水平，集中力量克服海洋钻采的瓶颈问题，掌握住海洋钻采设备的核心技术，加快进军国际先进行列的步伐。
22．石油钻采机械简介2.1钻井机械设备2.1.1钻机1.定义石油钻井的地面配套设备2.八大系统（1）起升系统组成：绞车、天车、游车、大钩、钢绳、井架。
作用：起下钻具、下套管、控制钻压。
（2）地面旋转系统组成：转盘、水龙头、钻具。
作用：保证在钻井液高压循环的情况下，给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力，以满足破岩钻进和井下其他要求。
（3）循环系统设备组成：钻井泵、地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备。
作用：从井底清除岩屑；冷却钻头和润滑钻具。
（4）动力驱动系统组成：动力设备（柴油机组）、发动机组、电动机组。
作用：提供动力。
（5）传动系统设备组成：联动机组-动力并车作用：传递、分配动力。
（6）控制系统和监测仪表组成：司钻台、液、气、电控制、仪表，各种钻井仪表及随钻测量系统。
作用：控制各系统、设备按工艺要求进行。
（7）钻机底座组成：钻台底座、钻机底座作用：支撑和安装各钻井设备和工具，提供钻井操作场所，方便钻机设备的移动。
（8）辅助设备系统组成：供气设备、辅助发电设备、井口防喷设备、钻鼠洞设备及辅助起重设备。
作用：协助主系统工作，保证钻井的安全和正常工作。
2.1.2钻具方钻杆、钻杆、接头、钻铤、钻头2.1.3套管32.2采油机械设备2.2.1自喷井设备套管头：连接套管和各种井口装置的部件。
油管头：位于采油树和套管头之间。
清蜡闸门：其上方可连接清蜡方喷管等，清蜡时才打开。
总阀门：控制着油气流入采油树的通道。
正常生产是打开，需要关井时关闭。
节流器：控制自喷井的产量。
生产阀门：控制油气流向出油管线，正常生产时打开，更换检查油嘴停产时关闭。
2.2.2有杆泵采油设备1.抽油机1.1游梁式抽油机（1）常规式抽油机：驴头、游梁、横梁、连杆、曲柄（2）前置式游梁抽油机（3）异相曲柄游梁式抽油机（4）双驴头式抽油机（5）矮型异相曲柄游梁式抽油机（6）下偏杠铃式游梁抽油机（7）无游梁式抽油机1.2链条式抽油机1.3皮带-链条式抽油机1.4直线电机式抽油机1.5智能换向式抽油机2.抽油泵2.1管式泵和杆式泵由泵筒、吸入阀、活塞、排气阀四大部分组成2.2抽油杆2.3悬绳器2.4井口装置由套管头、油管头、抽油三通和光杆密封器（盘根盒）组成。
2.2.3无杆泵采油设备1.电动潜油离心泵井下部分：多级离心泵、油气分离器、保护器、潜油电动机地面部分：变压器组、自动控制台、辅助设备中间部分：电缆、油管2.水力活塞泵2.2.4螺杆泵采油设备按驱动方式分为：电动潜油螺杆泵、地面驱动井下螺杆泵、水力驱动螺杆泵43.基本钻井工艺过程简介3.1钻前工程步骤：测定井位修筑道路、井场基础施工井架安装钻机搬迁、就位备齐钻具、用料、工具水、电、讯铺设钻机安装开钻井口准备落实水源土方施工安装防冻保温设施3.2钻进工程步骤：一次开钻下表层套管表层套管固井二次开钻测井井壁取芯下技术套管技术套管固井三次钻进钻达目的层3.3完井工程步骤：完井电测井壁取芯通井下油层套管油层固井测声幅试压装井口装置资料上报交井54.钻杆接头选材及工艺路线设计4.1钻杆接头基本介绍钻杆接头是连接钻杆的工具，它在工作中是成对使用的。
一对接头包括了一个母接头和一个公接头，分别连接在钻杆管体的两端，一般钻杆下端是公接头，上端是母接头。
接头上车有螺纹，用以连接各单根钻杆，钻杆接头螺纹为带有密封台肩的锥管螺纹，台肩面旋紧起到密封作用，螺纹只起连接作用。
加厚方式不同，对应的接头的螺纹扣型也不同，钻杆接头的加厚方式有内加厚、外加厚、内外加厚三种形式。
按照螺纹扣型钻杆接头可分为四种类型：内平、贯眼、正规、数字。
内平式:主要用于外加厚钻杆。
特点是钻杆通体内经相同，钻井液流动阻力小，但外径较大，容易磨损。
贯眼式：主要用于内外加厚钻杆。
其特点是钻杆有两个内径，钻井液流动阻力较大，但外径较小。
正规式：主要用于内加厚钻杆及钻头、打捞工具。
其特点是内径加厚处内径小于管体内径，钻井液流动阻力大，但外径最小，强度较大。
钻杆接头大多采用外加厚或内外加厚形式，钻杆接头外径大于管体外径，在钻井过程中与井壁或套管不断地摩擦，产生磨损，为避免接头磨损造成断钻杆、脱扣等钻井事故，必须在钻杆母接头上设有钻杆接头防磨带。
64.2钻杆接头工作条件在钻井过程中，钻杆接头要承受拉伸、弯曲、扭转、振动等多种载荷，在钻井过程中外部还要承受着严重的磨损，同时还承受钻井液内压力和冲蚀，所以钻杆接头的工作条件恶劣，特别是钻杆和钻杆接头螺纹连接处断裂失效事故居多。
4.3钻杆接头的失效形式钻杆接头的失效形式主要归纳为十一种：过载断裂、刺穿、过量变形、疲劳断裂、低应力脆断、腐蚀疲劳失效、应力腐蚀、刺扣、粘扣、台肩或螺纹表面擦伤、接头螺纹及外径过度磨损。
1.过载断裂：螺纹台肩面旋合后要给与一定的拧紧扭矩，若旋紧扭矩超过公接头的强度极限，则公接头断裂。
造成过载断裂的原因是材料强度低、螺纹结构不合理等方面。
2.刺穿：在划眼操作中经常会发生，发生刺穿后，高压钻井液就会从裂纹中刺出，导致公、母接头被刺坏。
主要原因是接头材料的质量问题。
3.过量变形：是指公接头受拉伸长，母接头端面压陷以致胀裂的现象。
主要原因有上扣扭矩不当，螺纹脂使用不当等。
4.疲劳断裂：主要原因是螺纹根部圆角半径过小。
5.低应力脆断：主要发生在转换接头中。
6.腐蚀疲劳失效：主要发生在钻杆接头90度吊卡台肩根部。
7.应力腐蚀:主要是硫化氢环境中的应力腐蚀。
8.刺扣：高压钻井也将接头螺纹刺坏的一种形式，原因主要是上扣扭矩不足、螺纹脂使用不当、接头松动，螺纹密封效果差等。
9.粘扣：公、母接头的螺纹或台肩金属粘结在一起的现象。
10.台肩或螺纹表面擦伤：这是造成疲劳断裂和刺穿事故的重要原因。
11.螺纹结构不合理:在弯矩的反复作用下，螺纹牙型变尖，导致接头螺纹失效。
4.3.1钻杆接头的失效分析手段1.外观形貌分析按照《SY/T5290-2000石油钻杆接头》之规定，采取材质、机械性能、硬度及金相试样，逐个进行实验。
2.化学成分分析3.机械性能检测4.接头硬度检测5.接头金相组织6.螺纹牙型检验4.4性能要求从失效分析中可以看出钻杆接头需要具备良好的机械性能。
1.较高的抗扭强度。
2.较高的疲劳强度。
3.较高的强韧性和断裂韧性。
4.较高的腐蚀疲劳强度。
5.较高的抗拉、弯强度。
4.5选材选材原则（1）满足有害元素的限制要求。
（2）经热处理后能满足力学性能要求。
（3）兼顾各项应力腐蚀、H2S、H2腐蚀的工作环境要求。
（4）易于切削加工。
（5）经济性原则。
7综合以上原则选择牌号为37CrMnMo的钢，其中铬是提高淬透性、增加回火稳定性的元素，在钢中起到提升抗氧化性、耐磨性、耐腐蚀性的作用，钼是提升钢的淬透性的元素，在CrMn 钢中添加钼可以改善金相组织，细化晶粒，减少合金钢的回火脆性，Mn加入钢中可以提高钢的淬透性，并起到固溶强化作用。
37CrMnMo的基本简介：37CrMnMo中碳低合金钢为石油钻杆连接套、接头用钢，与40CrMnMo化学成分近似，碳平均含量及P、S杂质含量较低。
石油钻具及钎具用钢主要牌号有:EX30、SN2025、4145H、37CrMnMo、FF710、K24729等。
应用领域:石油用钢要求具有高的纯净度、良好的强韧性和低温冲击性能，产品顶替进口，37CrMnMo用于制造石油钻杆连接套，4145H主要用于石油钻杆和钻铤，FF710、K24729凿岩钎头、钎杆用钢。
化学成分:碳 C:0.35~0.35；硅 Si:0.15~0.35锰 Mn:0.85~1.00；磷 P:≤0.01硫 S:≤0.008；铬 Cr:0.90~1.20钼 Mo:0.28~0.33；镍 Ni:≤0.25铜 Cu:≤0.25氮 N:≤90×10-64.6工艺路线石油钻杆接头一般在多种应力作用下工作，受力比较复杂，要求具有高的屈服强度和疲劳极限及良好的冲击韧性和塑性，所以要进行调质处理，来获得回火索氏体组织1、下料；2、中频炉淬透烧：要求出炉温度1150-1200，芯表、头尾温差小于30；3、锻造；4、锻件检验：按锻件图纸要求检验，外形尺寸，同轴度，垂直度，公差等；5、正火炉预冷处理；6、零件锻后正火处理：待上道工序后温度小于600时均匀加热至800-840，保温45分钟；7、超声波探伤工序；8、调质处理:将淬火炉升温至850-900，接头装炉，加热，保温45-50分钟，油淬至500-550，风冷；回火：将回火炉升温至560-670，接头装炉，启动风机，加热，保温120-180分钟，出炉，冷却至常温；9、硬度检验：按图纸要求测试硬度，HB<185；10、精车：按图纸要求精车至尺寸；11、成品检验：按图纸要求检验各部尺寸；12、成品入库。