翟向榮（中海油田服務股份有限公司,天津　300452）

關(guān)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(jīng)濟社會的快速發(fā)展，石油開采技術(shù)逐步提升。石油鉆井的機械性能直接影響著鉆井技術(shù)的好壞，其性能的好壞將影響鉆井質(zhì)量、效率和成本。在鉆進過程中所發(fā)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(xiàn)，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(shù)，提升出油產(chǎn)量，促進經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。

石油；鉆井；機械性能；失效；問題

地層的非均質(zhì)性、地層斷層活動、巖石性質(zhì)、油層傾角、地震活動等地質(zhì)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(wěn)產(chǎn)。注水、酸化壓裂、固井質(zhì)量、套管材質(zhì)、套管伸縮等是引發(fā)地質(zhì)因素產(chǎn)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(nèi)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(fā)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(chǎn)生機械性能的運轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)不同，譬如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)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(xiàn)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(huán)境日趨繁重和惡劣，其修理次數(shù)和大修周期受到工作條件的限制長時間工作就會產(chǎn)生疲勞失效。疲勞失效是不可修復的。例如發(fā)電機的活塞環(huán)、拉桿及軸類零件因疲勞產(chǎn)生裂紋或斷裂。

2.2零件因超載而發(fā)生局部變形或斷裂

由于鉆井機械經(jīng)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(guī)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(zhuǎn)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(fā)生磨損。例如齒輪傳動中的齒輪副、支承軸承，絞車中空轉(zhuǎn)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(chǎn)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(fā)生相對運動。

3　常規(guī)鉆井裝備的創(chuàng)新

在提高常規(guī)鉆井裝備經(jīng)濟實用性的基礎上，要根據(jù)提高裝備性能的需要有計劃地發(fā)展新產(chǎn)品?？梢酝ㄟ^使用鉆井新技術(shù)新裝備，譬如在噴射鉆井技術(shù)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(shù)的應用中也出現(xiàn)了一些問題。一是國產(chǎn)鉆井泵可靠性差，管匯耐壓強度不夠，使用中常出現(xiàn)故障；二是沒有從綜合經(jīng)濟效益出發(fā)考慮，在2000m以淺的井中使用噴射鉆井技術(shù)，從而帶來鉆機總體設計不合理的弊端。實現(xiàn)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(jīng)濟效益為宗旨；必須以高度的可靠性為基礎。主要發(fā)展一些與工藝進步有關(guān)的自動化檢測儀表，例如可靠性高的鉆井液池容積統(tǒng)計系統(tǒng)(PVT)和早期井涌探測儀等。

4　總結(jié)

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(jié)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(nèi)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(fā)展觀為先導，積極研究，探索野外施工現(xiàn)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(guī)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(jīng)濟社會的發(fā)展需求，推動石油工業(yè)快速發(fā)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(yè)出版社,2004(01).