探讨钻井机械性能失效问题

耿明明

【摘 要】随着经济社会的快速发展，石油开采技术逐步提升。石油钻井的机械性能直接影响着钻井技术的好坏，其性能的好坏将影响钻井质量、效率和成本。在钻进过程中所发生的机械失效，包括牙轮钻头掉牙爪，牙轮、蹩断牙爪、牙齿、牙轮；刮刀钻头蹩断刀片、接头，PDC钻头脱落，或人造聚晶金刚石、天然金刚石脱落等都会造成一定的影响。本文在全面分析当前石油钻井机械设备的主要应用，分析机械性能失效是指哪方面，从具体实例来进行探讨。并分析石油钻井机械兴性能实效的主要表现，从而寻求更有效的方式防止机械性能的失效，提高钻井技术，提升出油产量，促进经济社会的快速發展。

【关键词】石油；钻井；机械性能；失效；问题

地层的非均质性、地层断层活动、岩石性质、油层倾角、地震活动等地质因素是导致石油钻井机械性能实效的客观条件，严重威胁油田的稳产。注水、酸化压裂、固井质量、套管材质、套管伸缩等是引发地质因素产生破坏性地应力的主要原因。机械性能失效，对油田的开采造成困难，增加开采成本，甚至可以导致油井报废。为此本文全面介绍分析了目前国内外油田机械性能失效的机理研究，有助于指导预防和延缓机械性能失效的发生，延长油、水井寿命[1，2]。

1 机械性能失效的概念

机械性能失效是一种针对机械性能的正常应用而言的，在一定的条件下，产生机械性能的运转不良，尤其是对于石油钻井机械，更加要注重其中的原理把握。一般是指机械零件在常温、常压和非强烈腐蚀性介质中使用，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用，而造成的不同程度的失效。各种金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能失效，就可以归纳为机械性能失效。金属材料的机械性能失效。主要是零件的设计和选材时的应用不当，加之外加载荷性质不同，譬如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等，就会对机械性能造成不同程度的性能影响。常见的机械性能失效主要有机械的弹性失效、塑性失效、刚度时效敏感性失效、强度失效、硬度失效、冲击韧性失效、断裂韧性失效等等[3]。

2 概述石油钻井机械性能失效的具体表现形式及原因

钻井机械失效的主要形式及原因有：

2.1 疲劳失效

由于钻井的工作条件和环境日趋繁重和恶劣，其修理次数和大修周期受到工作条件的限制长时间工作就会产生疲劳失效。疲劳失效是不可修复的。例如发电机的活塞环、拉杆及轴类零件因疲劳产生裂纹或断裂。

2.2 零件因超载而发生局部变形或断裂

由于钻井机械经常要承受冲击载荷，有时此载荷的峰值瞬间很高，并且有的传动是硬连接。如钻井泵中的齿轮传动副、绞车链传动中的链轮和链条等，均会发生断齿（个别齿）失效形式。在用钻杆动力钳卸扣时，有时因卸扣力矩过大，而钻杆动力钳主轴轴发生弯曲变形甚至断裂[4]。

2.3 零件局部塑性变形

由于钻井机械负荷重，冲击大，在某些零件上发生挤压塑性变形。例如钻井泵的传动齿轮，如果齿面硬度达不到设计要求，在长期重载作用下，则会发生挤压塑性变形，久之，塑性变形超过标准，齿轮就失效。同样，齿面硬度高，齿面会发生点蚀失效。

2.4 摩擦磨损引起的失效

由于摩擦磨损而失效的零件很多，下面举例说明。

（1）易损件类。气胎式离合器、气动端面离合器的摩擦片和摩擦钢毂，带刹车的刹车块，以及气离合器的气囊等都属于易损件。它们在工作过程中，磨损到一定程度则需更换。

（2）摩擦副中因磨损失效的钢制件。

各型钻井绞车中，带刹车的刹车块与刹车毂是一对摩擦副。刹车块是必须更换的易损件，而刹车毂当磨损量超过规定的标准时，必须更换。

（3）有相对运动的零件的摩擦磨损失效。机器运转过程中，有相互作用并作相对运动的零件，不管润滑条件有多好，总会发生磨损。例如齿轮传动中的齿轮副、支承轴承，绞车中空转链轮里的铜套与轴，绞车刹车曲轴与铜套，钻井泵中十字头与滑板、阀体与阀座等。

（4）在正常工作中，因载荷影响而产生的磨损（非正常磨损）。滚动轴承与轴，滚动轴承与壳体（或轴承座）之间的配合，一般都是过渡配合，不应当发生相对运动[5]。

3 常规钻井装备的创新

在提高常规钻井装备经济实用性的基础上，要根据提高装备性能的需要有计划地发展新产品。可以通过使用钻井新技术新装备，譬如在喷射钻井技术装备上，尽管井底水功率已达到1.16kW/cm2（10马力/平方英寸）以上，有的甚至超过1.62kW/cm2（14马力/平方英寸），远远超过0.64kW/cm2（5.5马力/平方英寸），但是在喷射钻井技术的应用中也出现了一些问题。一是国产钻井泵可靠性差，管汇耐压强度不够，使用中常出现故障；二是没有从综合经济效益出发考虑，在2000m以浅的井中使用喷射钻井技术，从而带来钻机总体设计不合理的弊端。实现机械化和自动化，必须以提高装备的工艺性能为主要目标；必须以取得最大的经济效益为宗旨；必须以高度的可靠性为基础。主要发展一些与工艺进步有关的自动化检测仪表，例如可靠性高的钻井液池容积统计系统（PVT）和早期井涌探测仪等。

4 总结

石油钻井机械性能失效是当前一个比较重要的问题，从通过对机械设备性能失效的原因分析可以看出，造成各种机械故障的原因是多种因素共同作用的结果，各油田因各自情况不同而存在较大差异。在分析目前国内外影响机械性能失效的机理，通过对机械性能的认识分析，以科学发展观为先导，积极研究，探索野外施工现场设备管理和维护的科学方法，逐步使设备管理和维护工作，走上科学化，规范化，制度化的轨道，能更进一步的指导和预防套管损坏，提高石油开采的效用，更好的服务经济社会的发展需求，推动石油工业快速发展。

参考文献：

[1]胡可能.探讨钻井机械性能失效问题[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（19）：41+43.

[2]段兵.探讨石油钻井机械性能失效问题[J].内燃机与配件，2018（08）：165-166.

[3]廉哲.关于石油钻井机械性能失效问题探究[J].中国石油和化工标准与质量，2016，36（18）：93-94.

[4]翟向荣.关于石油钻井机械性能失效问题探究[J].山东工业技术，2015（04）：68.

[5]赵棋，王继峰，顾黎明.关于石油钻井机械性能失效问题探究[J].装备制造，2014（S1）：103+117.

（作者单位：中国石油集团长城钻探工程有限公司工程服务公司）