探討鉆井機(jī)械性能失效問(wèn)題

耿明明

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，石油開(kāi)采技術(shù)逐步提升。石油鉆井的機(jī)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(jìn)過(guò)程中所發(fā)生的機(jī)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(huì)造成一定的影響。本文在全面分析當(dāng)前石油鉆井機(jī)械設(shè)備的主要應(yīng)用，分析機(jī)械性能失效是指哪方面，從具體實(shí)例來(lái)進(jìn)行探討。并分析石油鉆井機(jī)械興性能實(shí)效的主要表現(xiàn)，從而尋求更有效的方式防止機(jī)械性能的失效，提高鉆井技術(shù)，提升出油產(chǎn)量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】石油；鉆井；機(jī)械性能；失效；問(wèn)題

地層的非均質(zhì)性、地層斷層活動(dòng)、巖石性質(zhì)、油層傾角、地震活動(dòng)等地質(zhì)因素是導(dǎo)致石油鉆井機(jī)械性能實(shí)效的客觀條件，嚴(yán)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(yīng)力的主要原因。機(jī)械性能失效，對(duì)油田的開(kāi)采造成困難，增加開(kāi)采成本，甚至可以導(dǎo)致油井報(bào)廢。為此本文全面介紹分析了目前國(guó)內(nèi)外油田機(jī)械性能失效的機(jī)理研究，有助于指導(dǎo)預(yù)防和延緩機(jī)械性能失效的發(fā)生，延長(zhǎng)油、水井壽命[1，2]。

1 機(jī)械性能失效的概念

機(jī)械性能失效是一種針對(duì)機(jī)械性能的正常應(yīng)用而言的，在一定的條件下，產(chǎn)生機(jī)械性能的運(yùn)轉(zhuǎn)不良，尤其是對(duì)于石油鉆井機(jī)械，更加要注重其中的原理把握。一般是指機(jī)械零件在常溫、常壓和非強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)中使用，且在使用過(guò)程中各機(jī)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(jī)械性能失效。金屬材料的機(jī)械性能失效。主要是零件的設(shè)計(jì)和選材時(shí)的應(yīng)用不當(dāng)，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(huì)對(duì)機(jī)械性能造成不同程度的性能影響。常見(jiàn)的機(jī)械性能失效主要有機(jī)械的彈性失效、塑性失效、剛度時(shí)效敏感性失效、強(qiáng)度失效、硬度失效、沖擊韌性失效、斷裂韌性失效等等[3]。

2 概述石油鉆井機(jī)械性能失效的具體表現(xiàn)形式及原因

鉆井機(jī)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(zhǎng)時(shí)間工作就會(huì)產(chǎn)生疲勞失效。疲勞失效是不可修復(fù)的。例如發(fā)電機(jī)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(jī)械經(jīng)常要承受沖擊載荷，有時(shí)此載荷的峰值瞬間很高，并且有的傳動(dòng)是硬連接。如鉆井泵中的齒輪傳動(dòng)副、絞車鏈傳動(dòng)中的鏈輪和鏈條等，均會(huì)發(fā)生斷齒（個(gè)別齒）失效形式。在用鉆桿動(dòng)力鉗卸扣時(shí)，有時(shí)因卸扣力矩過(guò)大，而鉆桿動(dòng)力鉗主軸軸發(fā)生彎曲變形甚至斷裂[4]。

2.3 零件局部塑性變形

由于鉆井機(jī)械負(fù)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(dòng)齒輪，如果齒面硬度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，在長(zhǎng)期重載作用下，則會(huì)發(fā)生擠壓塑性變形，久之，塑性變形超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，齒輪就失效。同樣，齒面硬度高，齒面會(huì)發(fā)生點(diǎn)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(shuō)明。

（1）易損件類。氣胎式離合器、氣動(dòng)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?cè)诠ぷ鬟^(guò)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(duì)摩擦副。剎車塊是必須更換的易損件，而剎車轂當(dāng)磨損量超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須更換。

（3）有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件的摩擦磨損失效。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，有相互作用并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，不管潤(rùn)滑條件有多好，總會(huì)發(fā)生磨損。例如齒輪傳動(dòng)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(dòng)軸承與軸，滾動(dòng)軸承與殼體（或軸承座）之間的配合，一般都是過(guò)渡配合，不應(yīng)當(dāng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[5]。

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(jì)實(shí)用性的基礎(chǔ)上，要根據(jù)提高裝備性能的需要有計(jì)劃地發(fā)展新產(chǎn)品?？梢酝ㄟ^(guò)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(dá)到1.16kW/cm2（10馬力/平方英寸）以上，有的甚至超過(guò)1.62kW/cm2（14馬力/平方英寸），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0.64kW/cm2（5.5馬力/平方英寸），但是在噴射鉆井技術(shù)的應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題。一是國(guó)產(chǎn)鉆井泵可靠性差，管匯耐壓強(qiáng)度不夠，使用中常出現(xiàn)故障；二是沒(méi)有從綜合經(jīng)濟(jì)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(lái)鉆機(jī)總體設(shè)計(jì)不合理的弊端。實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，必須以提高裝備的工藝性能為主要目標(biāo)；必須以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益為宗旨；必須以高度的可靠性為基礎(chǔ)。主要發(fā)展一些與工藝進(jìn)步有關(guān)的自動(dòng)化檢測(cè)儀表，例如可靠性高的鉆井液池容積統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)（PVT）和早期井涌探測(cè)儀等。

4 總結(jié)

石油鉆井機(jī)械性能失效是當(dāng)前一個(gè)比較重要的問(wèn)題，從通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)備性能失效的原因分析可以看出，造成各種機(jī)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(guó)內(nèi)外影響機(jī)械性能失效的機(jī)理，通過(guò)對(duì)機(jī)械性能的認(rèn)識(shí)分析，以科學(xué)發(fā)展觀為先導(dǎo)，積極研究，探索野外施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理和維護(hù)的科學(xué)方法，逐步使設(shè)備管理和維護(hù)工作，走上科學(xué)化，規(guī)范化，制度化的軌道，能更進(jìn)一步的指導(dǎo)和預(yù)防套管損壞，提高石油開(kāi)采的效用，更好的服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展需求，推動(dòng)石油工業(yè)快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡可能.探討鉆井機(jī)械性能失效問(wèn)題[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2018，38（19）：41+43.

[2]段兵.探討石油鉆井機(jī)械性能失效問(wèn)題[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（08）：165-166.

[3]廉哲.關(guān)于石油鉆井機(jī)械性能失效問(wèn)題探究[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，36（18）：93-94.

[4]翟向榮.關(guān)于石油鉆井機(jī)械性能失效問(wèn)題探究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（04）：68.

[5]趙棋，王繼峰，顧黎明.關(guān)于石油鉆井機(jī)械性能失效問(wèn)題探究[J].裝備制造，2014（S1）：103+117.

（作者單位：中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程服務(wù)公司）