關于石油鉆井機械性能失效問題探究

翟向榮（中海油田服務股份有限公司,天津　300452）

關于石油鉆井機械性能失效問題探究

翟向榮
（中海油田服務股份有限公司,天津300452）

隨著經濟社會的快速發展，石油開采技術逐步提升。石油鉆井的機械性能直接影響著鉆井技術的好壞，其性能的好壞將影響鉆井質量、效率和成本。在鉆進過程中所發生的機械失效，包括牙輪鉆頭掉牙爪，牙輪、蹩斷牙爪、牙齒、牙輪；刮刀鉆頭蹩斷刀片、接頭，PDC鉆頭脫落，或人造聚晶金剛石、天然金剛石脫落等都會造成一定的影響。本文在全面分析當前石油鉆井機械設備的主要應用，分析機械性能失效是指哪方面，從具體實例來進行探討。并分析石油鉆井機械興性能實效的主要表現，從而尋求更有效的方式防止機械性能的失效，提高鉆井技術，提升出油產量，促進經濟社會的快速發展。

石油；鉆井；機械性能；失效；問題

地層的非均質性、地層斷層活動、巖石性質、油層傾角、地震活動等地質因素是導致石油鉆井機械性能實效的客觀條件，嚴重威脅油田的穩產。注水、酸化壓裂、固井質量、套管材質、套管伸縮等是引發地質因素產生破壞性地應力的主要原因。機械性能失效，對油田的開采造成困難，增加開采成本，甚至可以導致油井報廢。為此本文全面介紹分析了目前國內外油田機械性能失效的機理研究，有助于指導預防和延緩機械性能失效的發生，延長油、水井壽命。

1　機械性能失效的概念

機械性能失效是一種針對機械性能的正常應用而言的，在一定的條件下，產生機械性能的運轉不良，尤其是對于石油鉆井機械，更加要注重其中的原理把握。一般是指機械零件在常溫、常壓和非強烈腐蝕性介質中使用，且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用，而造成的不同程度的失效。各種金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能失效，就可以歸納為機械性能失效。金屬材料的機械性能失效。主要是零件的設計和選材時的應用不當，加之外加載荷性質不同，譬如拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、循環載荷等，就會對機械性能造成不同程度的性能影響。常見的機械性能失效主要有機械的彈性失效、塑性失效、剛度時效敏感性失效、強度失效、硬度失效、沖擊韌性失效、斷裂韌性失效等等。

2　概述石油鉆井機械性能失效的具體表現形式及原因

鉆井機械失效的主要形式及原因有：

2.1疲勞失效

由于鉆井的工作條件和環境日趨繁重和惡劣，其修理次數和大修周期受到工作條件的限制長時間工作就會產生疲勞失效。疲勞失效是不可修復的。例如發電機的活塞環、拉桿及軸類零件因疲勞產生裂紋或斷裂。

2.2零件因超載而發生局部變形或斷裂

由于鉆井機械經常要承受沖擊載荷，有時此載荷的峰值瞬間很高，并且有的傳動是硬連接。如鉆井泵中的齒輪傳動副、絞車鏈傳動中的鏈輪和鏈條等，均會發生斷齒（個別齒）失效形式。在用鉆桿動力鉗卸扣時，有時因卸扣力矩過大，而鉆桿動力鉗主軸軸發生彎曲變形甚至斷裂。

2.3零件局部塑性變形

由于鉆井機械負荷重，沖擊大，在某些零件上發生擠壓塑性變形。例如鉆井泵的傳動齒輪，如果齒面硬度達不到設計要求，在長期重載作用下，則會發生擠壓塑性變形，久之，塑性變形超過標準，齒輪就失效。同樣，齒面硬度高，齒面會發生點蝕失效。

2.4摩擦磨損引起的失效

由于摩擦磨損而失效的零件很多，下面舉例說明。

（1）易損件類。氣胎式離合器、氣動端面離合器的摩擦片和摩擦鋼轂，帶剎車的剎車塊，以及氣離合器的氣囊等都屬于易損件。它們在工作過程中，磨損到一定程度則需更換。

（2）摩擦副中因磨損失效的鋼制件。

各型鉆井絞車中，帶剎車的剎車塊與剎車轂是一對摩擦副。剎車塊是必須更換的易損件，而剎車轂當磨損量超過規定的標準時，必須更換。

（3）有相對運動的零件的摩擦磨損失效。機器運轉過程中，有相互作用并作相對運動的零件，不管潤滑條件有多好，總會發生磨損。例如齒輪傳動中的齒輪副、支承軸承，絞車中空轉鏈輪里的銅套與軸，絞車剎車曲軸與銅套，鉆井泵中十字頭與滑板、閥體與閥座等。

（4）在正常工作中，因載荷影響而產生的磨損（非正常磨損）。滾動軸承與軸，滾動軸承與殼體（或軸承座）之間的配合，一般都是過渡配合，不應當發生相對運動。

3　常規鉆井裝備的創新

在提高常規鉆井裝備經濟實用性的基礎上，要根據提高裝備性能的需要有計劃地發展新產品。可以通過使用鉆井新技術新裝備，譬如在噴射鉆井技術裝備上，盡管井底水功率已達到1.16kW/cm2(10馬力/平方英寸)以上，有的甚至超過1.62kW/cm2(14馬力/平方英寸)，遠遠超過0.64kW/cm2(5.5馬力/平方英寸)，但是在噴射鉆井技術的應用中也出現了一些問題。一是國產鉆井泵可靠性差，管匯耐壓強度不夠，使用中常出現故障；二是沒有從綜合經濟效益出發考慮，在2000m以淺的井中使用噴射鉆井技術，從而帶來鉆機總體設計不合理的弊端。實現機械化和自動化，必須以提高裝備的工藝性能為主要目標；必須以取得最大的經濟效益為宗旨；必須以高度的可靠性為基礎。主要發展一些與工藝進步有關的自動化檢測儀表，例如可靠性高的鉆井液池容積統計系統(PVT)和早期井涌探測儀等。

4　總結

石油鉆井機械性能失效是當前一個比較重要的問題，從通過對機械設備性能失效的原因分析可以看出，造成各種機械故障的原因是多種因素共同作用的結果，各油田因各自情況不同而存在較大差異。在分析目前國內外影響機械性能失效的機理，通過對機械性能的認識分析，以科學發展觀為先導，積極研究，探索野外施工現場設備管理和維護的科學方法，逐步使設備管理和維護工作，走上科學化，規范化，制度化的軌道，能更進一步的指導和預防套管損壞，提高石油開采的效用，更好的服務經濟社會的發展需求，推動石油工業快速發展。

[1]強度室,石油鉆機鏈條銷軸機械性能試驗研究[J].石油鉆采機械通訊,1977(06).

[2]王秀勇,路永明,張金中.鉆井泵泵閥失效分析與機理[J].石油礦場機械,1994(01).

[3]鄭水榮,王秀勇.鉆井泵泵閥與閥座間的接觸應力分析[J].石油機械,2001(09).

[4]賈文杰.鉆井泵泵閥失效的動力學分析及泵閥變螺距彈簧設計[J].石油機械,1995(12).

[5]任宏彪,姜晶焱,李明光.石油鉆機西門子變頻器常見故障處理[J].設備管理與維修,2010(05).

[6]宋立娜.提高大型石油鉆機輪式移運性的設想[J].石油和化工設備,2010(05).

[7]郭公喜.鉆井設備的大修與管理[J].石油大學出版社,1996(09).

[8]晏初宏.機械設備修理工藝學[J].機械工業出版社,2004(01).