油气井钻柱失效分析研究

论文摘要

油气井钻柱的工作条件十分恶劣,受力状态复杂,钻柱不仅受动静载荷作用,还受拉、压、弯、扭等交变载荷作用。工作时也受腐蚀、磨损、温度及压力等影响,因此油气井钻柱易发生失效事故,且失效形式多种多样。石油钻柱因工作条件的恶劣成为钻井设备工具中的薄弱环节。尤其是在钻深井、超深井及复杂地质环境井时,经常发生油气井钻柱失效事故,经济损失巨大。高强度钻柱在三高环境中出现的断裂事故也日趋突出。因此,钻井时钻柱的安全可靠性是一个十分突出的问题。为此,本文基于对油田现场失效钻柱做过的很多案例分析,结合失效分析技术在石油工业设备中的应用,总结出了一套较完整的适合油气井钻柱的失效分析评价方法。本文论述了失效分析法在金属构件中的应用和发展,且着重论述了在油气井钻柱中应用的必要性和重要性,详细阐述了失效分析的方法、步骤和技术。重点分析了油气井钻柱中常出现的几种典型失效类型如应力腐蚀引起钻柱开裂失效、电化学腐蚀造成钻柱的腐蚀失效、腐蚀疲劳引起钻柱的断裂失效及操作人员对钻柱的粗暴操作和钻柱因过载引起的断裂失效等。第三章中以失效案例对这些类型进行了详细介绍。本文还从断裂力学角度建立有限元模型对钻柱进行了评价分析,还做了高温高压釜模拟油田现场环境对钻柱影响的复现型试验来对钻柱进行失效评价。基于应用于普通金属构件上的失效分析法,结合油田特有的环境条件,本文摸索出一些新的适合油气井钻柱分析评价的失效分析法。总结油田钻柱的失效情况,可知钻柱的失效类型主要有：钻杆发生应力腐蚀开裂失效；钻柱壁上受泥浆膜影响造成电化学腐蚀失效；钻柱发生腐蚀疲劳断裂失效；钻杆接头螺纹磨损失效；钻杆耐磨带敷焊层的焊接工艺不合理；井队工人对钻井设备的粗暴操作造成的失效等。钻柱常发生的失效是由疲劳和腐蚀造成的。就每种失效类型,本文提出了可行的、科学的预防钻柱失效的方法和措施,得到了生产厂家和油田使用方的认可,对促进石油工业的发展具有十分重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题提出
• 1.2 课题背景
• 1.2.1 油气井钻柱主要的失效类型
• 1.2.2 油气井钻柱失效的原因分析
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 国内外研究现状及发展趋势
• 1.5 主要研究思路、研究内容及创新点
• 1.5.1 主要研究思路
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 主要创新点
• 第2章 失效分析基础理论、方法及意义
• 2.1 失效分析基础理论
• 2.1.1 失效分析与相关学科的关系
• 2.1.2 失效的分类
• 2.2 失效分析的思路、程序和基本方法
• 2.2.1 失效分析的思路
• 2.2.2 失效分析的程序
• 2.2.3 失效分析的基本方法、技能及分析仪器
• 2.3 失效分析的重要性及意义
• 2.3.1 失效分析的重要性
• 2.3.2 失效分析的意义
• 第3章 油气井钻柱失效类型及案例分析
• 3.1 油气井钻柱基础知识
• 3.1.1 钻柱的基本构成
• 3.1.2 钻柱工作状态与受力分析
• 3.1.3 钻柱的失效方式
• 3.2 应力腐蚀失效分析案例
• 3.2.1 应力腐蚀的产生条件
• 3.2.2 应力腐蚀的机理
• 3.2.3 减少应力腐蚀的措施
• 3.2.4 钻杆内螺纹接头应力腐蚀失效分析
• 3.3 电化学腐蚀失效分析案例
• 3.3.1 电化学腐蚀的相关理论知识
• 3.3.2 钻杆管体发生电化学腐蚀断裂失效分析
• 3.4 腐蚀疲劳失效分析案例
• 3.4.1 腐蚀疲劳概述
• 3.4.2 腐蚀疲劳特征
• 3.4.3 腐蚀疲劳裂纹萌生条件及机理
• 3.4.4 腐蚀疲劳主要影响因素及预防措施
• 3.4.5 S135钻杆腐蚀疲劳失效分析
• 3.5 钻杆接头纵向开裂分析案例
• 3.5.1 背景情况
• 3.5.2 宏观观察
• 3.5.3 理化性能分析
• 3.5.4 金相分析
• 3.5.5 裂纹形态
• 3.5.6 断口形貌分析
• 3.5.7 结果分析
• 第4章 钻柱腐蚀失效的模拟实验研究
• 4.1 实验背景
• 4.2 实验内容及思路
• 4.3 实验仪器设备
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 X射线衍射分析
• 4.4.2 材料理化性能测试
• 4.4.3 金相分析
• 4.4.4 腐蚀产物膜的SEM分析
• 4.4.5 结果分析与讨论
• 4.4.6 钻杆外壁防腐蚀技术探讨
• 4.5 结论
• 第5章 油气井钻柱的有限元分析
• 5.1 钻杆有限元分析的理论基础
• 5.1.1 有限元单元刚度矩阵的建立
• 5.1.2 轴对称四边形单元
• 5.2 钻杆本体的有限元分析
• 5.2.1 有限元模型的建立
• 5.2.2 裂纹深度对钻杆的疲劳寿命影响
• 5.3 钻杆接头的有限元分析
• 5.3.1 钻杆接头的有限元模型
• 5.3.2 钻杆接头的应力强度因子分析
• 5.4 有限元计算结果分析
• 结论与建议
• 结论
• 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果