钻井机械设备失效影响因素及措施

2020-02-21张海强

设备管理与维修 2020年6期

张海强

（大庆钻探工程公司机械修理厂研发中心，黑龙江大庆 163001）

0 引言

钻井机械设备的失效有很多影响因素，比如，钻井机械设备由于载荷过大而形变，钻井机械设备由于受到挤压而形变，钻井机械设备疲劳失效，钻井机械设备磨损，气体钻井螺纹断裂失效等。应对这些钻井机械设备失效，可采取一些维修措施，如堆焊与焊补维修法、粘补或粘接维修法、压力加工、机械加工、钳工修复法、喷镀、电镀维修法等等。更重要的是采取预防措施，如采用新式钻井机械设备、恰当运用润滑剂、爱护钻井机械设备等来预防钻井机械设备失效，同时提升钻井作业人员素养，加强钻井机械设备维修保养人员的日常检修工作等。

1 钻井机械设备失效影响因素

1.1 钻井机械设备由于载荷过大而形变

钻井作业中，钻井的机械设备会受到很大力度的冲击，承载很大的瞬时冲击载荷，这会导致钻井机械设备中的零件发生形变。机械设备的超载，会导致机械设备中硬连接传动零件形变，如石油钻井泵中的齿轮传动副、绞车链传动中的链条、链轮，都可能因此出现个别齿断裂失效；钻杆动力钳卸扣因卸扣力矩过大，也会导致钻杆动力钳主轴弯曲变形，甚至断裂。无论是哪一种原因造成的机械设备载荷过大而形变，都会导致钻井机械设备失去良好的性能[1]。

1.2 钻井机械设备由于受到挤压而形变

钻井机械设备在作业中受到的巨大冲击，除了导致硬连接传动设备形变、断裂，还会挤压机械设备中的各种零部件，进而导致机械设备中的零部件发生形变。这类故障的另一重要原因是钻井机械设备零部件的硬度不足，特别是没有达到设计要求硬度的缘故[2]。比如石油钻井泵中的传动齿轮，如其硬度不满足设计要求，在长期受到挤压后会发生形变，齿轮逐渐失效。

1.3 钻井机械设备疲劳失效

钻井机械设备多工作于恶劣环境，维修、保养的周期、次数都不稳定，比较容易出现疲劳失效的问题。钻井机械设备疲劳导致的失效是不可逆、不可修复的，一旦某个机械设备的零部件出现疲劳失效，那么，这个机械设备的这个零部件就不能再使用了。此类例子有钻井发电机中的诸多轴类零件，在使用较长时间后会因疲劳出现断裂、失效[3]。

1.4 机械磨损

钻井机械设备受到的磨损，也会导致钻井机械设备失效，并可分为6 种情况：①易损件因大量摩擦而失效，比如气胎式离合器、气离合器气囊、带刹车的刹车块、气动端面离合器摩擦片、摩擦钢毂等，此类摩擦导致的失效也是不可逆、不可修复的[4]；②摩擦副中，因摩擦而受损的钢制件，比如刹车块，也是需要经常更换的[5]；③钻井机械设备工作中，需要相对运动的零部件之间的摩擦，尽管这些零部件之间有润滑，但是最终还是会因相互摩擦而磨损失效[6]；④滚动轴承与轴、壳体，此类零部件原本是过渡配合，不应存在相对运动，但由于装配、固定工作中的失误，在轴承遭受过大的冲击载荷时[7]，就会出现跑内外圆的问题，导致钻井机械设备失效，此类例子有减速箱、正车厢的被动轴、主动轴；⑤气体钻井中高速岩屑会冲击钻具，磨损钻杆，少数严重情况下还会冲蚀钻具，同时井壁、岩屑会磨损钻具[8]，遗留在钻井机械设备上的沉淀物会磨损钻井机械设备。

1.5 气体钻井螺纹断裂失效

气体钻井螺纹的受力情况与常规钻井钻具不同，不是内外压力，而是空气锤上下振动的影响。钻具螺纹接头中每一圈螺纹牙承受的载荷分布并不均匀，相关计算显示螺纹应力集中在公扣台肩面第1、2 扣处，因此气体钻井的螺纹易在此处失效、断裂[9]。

2 应对钻井机械设备失效影响因素的措施

2.1 堆焊与焊补维修法

焊接维修法是应用最广的维修方法，此类维修方法又可分为堆焊维修法、焊补维修法2 个小类。堆焊维修法包括手工耐磨堆焊维修法、振动电堆焊维修法、埋弧堆焊维修法、二氧化碳气体保护下的半自动或全自动堆焊维修法、空气等离子喷焊维修法、氧气-乙炔火焰金属粉末喷焊维修法等。焊补维修法包括铝合金焊补维修法和铸铁焊补维修法2 种。

2.2 粘补或粘接维修法

钻井机械失效断裂后，可以用粘补、粘接2 种维修法来维修。此类方法使用的粘接剂有合成粘接剂、无机粘接剂、厌氧胶粘接剂等。因此，粘补、粘接维修法包括合成粘接剂维修法、无机粘接剂维修法、厌氧胶粘接剂维修法等。

2.3 压力加工、机械加工、钳工修复法

压力加工维修法包括有胀大维修法、镦粗维修法、压力校正维修法、加热校正维修法、冷作强化维修法等。机械加工维修法、钳工修复法包括修理尺寸维修法、镶套修复法、部分更换维修法、调整换位维修法等。

2.4 喷镀、电镀维修法

常见的喷镀维修法包括电喷镀维修法、气喷镀维修法、空气等离子喷镀维修法、氧气—乙炔焰金属粉末喷镀维修法等。常见的电镀维修法包括电镀铜维修法、电镀铬维修法、电镀锌维修法、电镀铁维修法等。

2.5 采用新式钻井机械设备

目前，许多钻井机械设备不但自身出现了老化、陈旧的问题，而且所属的型号、所用的技术已相对过时。选用钻井机械设备，一方面考虑经济效益（比如2000 m 的浅井中不应使用喷射钻井技术），另一方面也要考虑到钻井的总体发展趋势，即自动化、机械化。因此，钻井中的机械设备在有必要的情况下应当更新为型号比较新的钻井机械设备，从而提升钻井机械设备的性能。以喷射钻井技术设备为例，在其实际工作中，井底水的功率有时会达到1.62 kW/cm2，远远超过喷射钻井技术设备的标准值（0.04 kW/cm2），因此喷射钻井技术设备需要创新和改进。再比如钻井泵，国内生产的钻井泵不如国外的一些品牌足够耐压，常常出现故障，不如一些国外品牌的钻井机械设备可靠，所以应当考虑更换。我国的钻井机械设备生产厂家也应努力提升技术水平，生产出性能更加优秀的钻井机械设备、自动化检测仪表，比如早期井涌探测仪、钻井液池容积统计系统等。

2.6 恰当运用润滑剂

有调查数据显示，润滑状况不佳导致了一半的钻井机械设备失效，可见钻井机械设备的润滑工作非常重要，值得高度重视。为钻井机械设备选择润滑油时，必须注意以下3 个方面：①润滑油的剂型必须结合要润滑的机械设备的结构来选择；②润滑油的剂型必须结合要润滑的机械设备所处的工作自然环境来选择，比如钻井机械设备所处的工作自然环境的温度、风力都会影响润滑剂的效果；③为钻井机械设备准备的润滑剂应当经常得到检查，确保润滑剂的数量足够、质量完好，能够用于钻井机械设备的日常维护、应急处理。

2.7 爱护钻井机械设备

钻井机械设备在日常使用中，只有得到了恰当的管理和爱护，才能减少失效的几率、次数，从而延长使用寿命。为了爱护钻井机械设备，工作人员可从4 个方面入手管理钻井机械设备：①与钻井机械设备有关的工作人员应当接受培训，树立爱护钻井机械设备的意识，遵守使用规则；②钻井机械设备的管理人员中应当有一些专职人员，这些专职管理人员要经常在钻井机械设备的工作现场深入观察钻井机械设备的运行情况，及时发现钻井机械设备的故障，并及时排除；③钻井机械设备应当得到日常养护、维修，钻井机械设备的相关工作人员应当遵守强制保养制度；④钻井机械设备的使用、管理应有配套制度，从而约束钻井机械设备的管理人员、使用钻井机械设备的作业人员。

2.8 提升钻井作业人员素养

钻井机械设备的使用、保养、维修均要依靠人来完成，因此，为了预防、减少钻井机械设备失效，必须提升钻井机械设备的作业人员的素养。一方面，钻井机械设备的所属单位应培训全体钻井机械设备的作业人员，要求这些作业人员树立规范意识，也就是要在日常作业中严格遵守标准、规范的操作流程，来操作钻井机械设备。比如每次开启钻井机械设备之前，作业人员都应首先检查冷却液的存量。在培训之后，钻井机械设备的所属单位要组织相应的考试，不通过考试的员工不能上岗操作钻井机械设备。另一方面，钻井机械设备的所属单位要提升钻井作业人员的技术水平，此类方法可以有：制定符合本单位发展目标的培训计划；定期组织钻井机械设备的作业人员参加技术培训；选派优秀的钻井机械设备作业人员到同行业单位参观、学习；组织钻井机械设备技术比赛等。

2.9 维修保养人员加强日常检修工作

①钻井机械设备维修保养人员要随时清洁、干燥钻井机械设备的表面，以免遗留在钻井机械设备上的沉淀物磨损钻井机械设备，导致其失效；②钻井机械设备维修保养人员要留意钻井机械设备中齿轮箱、液压箱、轴承等部位的温度，这些部位的温度不得高于70 ℃，否则要立即停机，查找原因；③钻井机械设备维修保养人员应留意钻井机械设备中的异常响声，一旦发现也要立即停机检修；④钻井机械设备维修保养人员要检查钻井机械设备的密封，如果发现漏油，就要立即停机、密封；⑤钻井机械设备维修保养人员要检查钻井机械设备的连接紧固件，如果发现松动要立即停机、加固；⑥钻井机械设备维修保养人员要检查钻井机械设备的软管，如果发现起包、干裂等问题，就要立即更换；⑦钻井机械设备维修保养人员要检查钻井机械设备的油液，如果发现变质，就要立即增添；⑧钻井机械设备维修保养人员要检查钻井机械设备的液压系统滤芯，如果发现指征在红区，就说明滤芯遭到堵塞，要立即停机、更换。