石油钻井用钢丝绳维护保养和安全使用

石油钻井用钢丝绳维护保养和安全使用安全环保科2009年6月前言钢丝绳是一种常用的承张元件，广泛地应用于多种作业，也是石油钻采不可或缺的配件之一。钢丝绳与天车、游车、绞车等一同构成井架的悬挂和提升系统，是石油工业钻采作业不可或缺的配件。钢丝绳的安全性是生产安全的一个重要环节。钢丝绳是一种消耗品，其消耗量的多少直接与作业成本相关。正确选择和使用钢丝绳，可以达到延长钢丝绳使用寿命的目的，从而降低使用成本。钢丝绳基础知识1.什么是钢丝绳：钢丝绳是用具有一定技术要求的钢丝按照一定的规则制造的钢丝束。2.钢丝绳的捻距：捻距是捻制元件围绕捻制中心旋转一周所前进的距离。3.钢丝绳的捻法：捻法：就是捻向。也可以说是所有元件的捻向组合。4.钢丝绳的结构：结构是元件的排列规则。5.石油钢丝绳的标准和特点：石油用钢丝绳相比较其他行业所用钢丝绳有其特点。钢丝绳的基本构成钢丝绳的基本构成钢丝绳工艺流程了解钢丝绳性能和科学使用钢丝绳1.钢丝绳具有外形相似、品种繁多的特点。不同结构的钢丝绳性能也相差也较大，了解钢丝绳的特点对安全使用有很大的指导意义。2.钢丝绳的使用环境对其使用寿命有很大影响。3.滑轮和卷筒对钢丝绳寿命的影响也不可忽视。石油钻井钢丝绳使用现状我国陆上石油钻采作业中多年来一直沿袭使用纤维芯钢丝绳。而这种结构的钢丝绳在使用过程中，或是由于钢丝绳自身质量问题或是由于使用方面的问题，引发钢丝绳寿命达不到预期目标，因此，对于钢丝绳质量的投诉一直不断。油田的多数井队都反映纤维芯钢丝绳在使用中寿命较以前短，不能满足使用要求。随着作业效率的提高，问题不断地出现。从历年来的用户投诉情况分析，其中所反映的情况，问题相对比较集中的还要数钢丝绳结构破坏和磨损断丝。油田的多数井队都反映纤维芯钢丝绳在使用中寿命较以前短，不能满足使用要求。随着作业效率的提高，问题不断地出现。从用户的质量投诉中看，其中反映最多的还数钢丝绳结构破坏和磨损断丝。钻机更新对钢丝绳的新要求钻机更新后设备安装和操作更加方便和快捷。轻型化和小型化是钻机发展的趋势。井架起升用钢丝绳使井架安装更加简便。上述的一切对钢丝绳和钢丝绳索具对钢丝绳的性能和安全保障性能提出了更加高的要求。为用户解决使用中的问题，生产厂家近几年专门组织人员赴油田进行技术服务，实地了解情况、查找原因，其主要目的也是为解决钢丝绳寿命短的问题。发现了现场一些不科学的使用方法，同时也发现了产品的不足。•我们实际选用的钢丝绳中，绝大多数的钢丝绳都是经过捻制成型的。•由于经过了“捻制”这一加工过程，钢丝绳中的元件都与各自的捻制中心形成了一定的夹角，在受力时就会形成转矩，使钢丝绳产生反向旋转。•目前所采用的普通园股钢丝绳，其抗旋转的能力就相对较差。钢丝绳在起重作业和悬挂中起着很重要的作用，一般情况下，按照其使用场合的不同，所选择的安全系数为4~12倍。而在石油系统，所选的安全系数仅为2.5~4倍。应该说，这样的安全系数与其承受的载荷相比也是较高的。个别情况下，由于一些不恰当的操作，会导致钢丝绳提前出现问题，使钢丝绳报废。这其中就有钢丝绳受力时产生的结构伸长导致的附加应力。结构伸长越大，产生的附加应力也就越大。二、钻修井用钢丝绳钢芯化大势所趋我国石油钻井修井用钢丝绳配套一直采用麻芯钢丝绳。随着石油工业的发展，钻井和采油作业效率都有很大的提高，对钢丝绳的质量和可靠性要求也随之提高。在冲击载荷增强，运行速度增加，弯曲半径减小的情况下，麻芯钢丝绳逐渐难于适应这种变化。这就是纤维芯钢丝绳在钻井修井作业中经常出现变形和结构破坏根本原因。钢芯钢丝绳与纤维芯钢丝绳在性能上的差异1.同结构钢丝绳相比，金属密度提高17%，同强度等级之下破断拉力同比提高。可以确保安全系数。2.提高了钢丝绳抵抗径向压力的能力，使钢丝绳不易在缠绕过程中不易出现压扁和变形。3.直径均匀性好，有利于钢丝绳在卷筒上均匀缠绕。4.伸长小，可以减少钢丝绳在受力情况下因伸长引起的绳间相互摩擦。5.钢芯钢丝绳平均使用寿命约为麻芯钢丝绳的1.2-1.3倍。从近几年用户对质量投诉的统计结果表明，对于麻芯绳的投诉比例占到八成以上，也表现出纤维芯钢丝绳的性能已逐渐不能满足目前石油钻采作业的负荷要求，主要表现在钢丝绳由于挤压造成的结构破坏或变形引起钢丝绳早期报废。API-9B从第11版开始，已做出明确规定：钻井钢丝绳必须采用钢芯结构。它要求钢丝绳具有更高的安全性、耐用性和可靠性。国外石油行业钢丝绳配套使用的最新状况，认为钢芯钢丝绳是应该在石油钻井作业中大力推广。由于钢芯钢丝绳在性能上具有很多优点，因此被国外石油钻采作业中全面采用。我们出国的井队，外国监理都要求配套钢芯结构钢丝绳。通过近几年钢芯钢丝绳在部分油田使用的成功经验看，推广钢芯钢丝绳势在必行。目前国内多数油田已将大于29mm钢丝绳由纤维芯换成钢芯钢丝绳。如辽河、华北、大港、塔指、吐哈、中原、江汉等。为确保钢芯钢丝绳在使用过程具有良好的润滑效果，厂家采用进口的优质钢丝绳润滑油，该油品，附着性好，润滑性能极佳。由于工作状况的不同，使用时应注意钢丝绳表面油脂的情况，如果钢丝绳油脂明显减少，应及时补充油脂。所补充的油脂应该与钢丝绳所涂油品一致。第一部分钻机配套和最佳的钢丝绳结构选用一、钢丝绳特性1.钢丝绳的破断拉力钢丝绳的破断拉力是指钢丝绳实际能够承受的破断载荷。2.耐磨损性能钢丝绳直径减小量是衡量钢丝绳是否能够安全使用的一个重要依据。钢丝绳直径减小速度的快慢即为耐磨性。也可以用钢丝绳外层钢丝减小量来衡量，一般情况下，外层钢丝的直径减少达到2/3，就认为该钢丝绳应该报废。3.抗疲劳性能钢丝绳在使用过程中出现早期疲劳断丝的使用次数或时间被称为疲劳极限。疲劳极限高就说明钢丝绳的疲劳性能好。4.结构稳定性钢丝绳抵抗径向压力而不破坏的能力称为结构稳定性。5.柔软性柔软性指允许弯曲的程度。一般情况下，钢丝绳的柔软性与直径、结构、金属密度系数和捻法直接相关。金属密度取决于钢丝绳结构。柔软性的衡量指标是挠性系数。数值越高，柔软性越好。钢丝绳弯曲情况示意图钢丝绳在经过滑轮或导向轮时会有弯曲发生，此时钢丝绳贴近滑轮槽底的一侧表现为压应力状态，而远端处于拉应力状态。D/d的比例应尽可能选大一些，这样对钢丝绳的力学性能损失可以降低。D代表滑轮或卷筒的底径；d代表钢丝绳直径。钢丝绳破断拉力损失D/d6.钢丝绳的不松散性钢丝绳在自由状态下，各个元件保持自己固有状态的能力。换句话说，就是钢丝绳是否经过消除应力的处理，这一点非常重要。为了使钢丝绳达到使用时的应力状态要求，采取了一系列工艺措施。如：校直、预先变形、预张拉以及低温回火等工艺手段。7.钢丝绳的旋转性钢丝绳在受拉力时，绳中的元件产生转动偏离原位置，使钢丝绳产生旋转。其转动角度的大小由捻制方法决定。在一些使用环境中，不允许钢丝绳产生旋转，在选择钢丝绳结构时应该选择那些不旋转结构。8.结构伸长钢丝绳在使用初期，其中的各个元件会产生相对位移，使钢丝绳在原始形状的基础上出现微小的变化，其长度也会略有增加。这种现象称为结构伸长。新钢丝绳使用时出现结构伸长是必然的，经过一段时间的使用钢丝绳的长度会逐渐稳定下来。二、线接触与点接触的比较我们通常使用的园股钢丝绳，按照故中钢丝之间的接触方式，以点状接触和线状接触为主。点接触钢丝绳与线接触钢丝绳的根本区别在于股中钢丝间的接触方式不同。在线接触股中，相邻层钢丝间的接触呈线状，避免了点接触钢丝绳中因为二次应力存在造成的寿命降低。见右图。点接触线接触三、线接触钢丝绳的优点1.金属密度大，在同等强度等级的条件下具有较高的承载能力。2.线接触钢丝绳因为从结构上消除了二次应力。提高了钢丝绳的抗疲劳性能。金属密度和挠性系数钢丝绳类别结构金属密度系数挠性系数圆股点接触6×70.4896×190.47156×370.4621圆股线接触6×19S0.51126×19W0.51156×25Fi0.52156×29Fi0.53176×36SW0.51173.当钢丝绳受到拉张的情况下，由于接触面积较点接触大。钢丝间的压强较小，可以降低钢丝绳的内部磨损。4.线接触钢丝绳约束了股中相邻层钢丝的滑动量，使股的形状保持能力增大。5.结构的多样性，可以由用户根据使用场合选择更加适用的钢丝绳结构。四、选择钢丝绳的最佳结构钢丝绳制造技术发展至今，全能型的钢丝绳还没有出现。因此，在直径相同的情况下，其结构对使用效果和寿命的影响非常大。钢丝绳结构应用技术在二十世纪中后期发展非常快，针对性越来越强，性能上越来越好。这一点从近期进口的设备配套钢丝绳的使用效果可以得到证明。在国内，由于宣传力度不足，使配套厂商和用户在钢丝绳选型，以及新结构采用方面滞后较多。API-9B推荐的油田钢丝绳尺寸和结构类型用途井深钢丝绳直径结构类型（交互捻）inmm抽油杆和油管牵引绳浅井1/2~3/46.5~196×25Fi或6×26SW或6×31SW或18×7，PF、LL、IPS或EIPS，IWRC中深井3/4、7/819、22深井7/8、11/822、29抽油杆悬挂器用绳1/46.56×19，PF，RL，FC捞沙绳浅井1/4~1/26.5~136×7光面或镀锌，PF，RL，PS或IPS，FC中深井1/2~9/1613~14.5深井9/16~5/814.5~16顿钻钻井与洗井绳浅井5/8、3/416、196×21Fi,PF或NPF，RL或LL，PS或IPS，FC中深井3/4~7/819、22深井7/8、122、26顿钻下套管绳浅井3/4、7/819、226×25Fi或6×26SW，PF、RL、IPS或EIPS，FC或IWRC中深井7/8、122、26深井1、11/826、29钻井绳-取岩芯和钻小眼井浅井7/8、122、266×26SW，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC中深井1、11/826、296×19S或6×26SW，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC钻井绳-大型旋转钻机浅井1、11/826、296×19S，6×21S或6×25Fi,PF,RL,IPS或EIPS，IWRC中深井11/8、11/429、32深井11/4~13/432~45井架安装绞车用绳5/8~7/816~226×26SW，6×31SW，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC7/8~11/822~296×36SW，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC抽油机驴头绳浅井1/2~11/813~296×19类或6×37或19×7，光面或镀锌，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC中深井5/8~11/816~296×36SW，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC浅海锚绳浅井7/8~23/422~706×19类，光面或镀锌，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC中深井13/8~43/435~1226×37类，光面或镀锌，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC深井33/4~43/496~1226×61类，光面或镀锌，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC桅型井架绷绳≤11/2≤356×19类，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC≥13/8≥386×37类，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC导向绳张紧器用绳3/4196×25Fi,PF,RL,IPS或EIPS，IWRC隔水管张紧器用绳11/2~238~516×37类，PF，RL，IPS或EIPS，IWRC（同向捻）石油钢丝绳推荐采用结构图例6×7+FC6×36XW+FC6×25Fi+IWRC6×26XW+IWRC6×61+FC6×19S+Fc石油钢丝绳推荐采用结构钻井：直径≤32mm采用6×19S；直径≥32mm时采用6×26SW。推荐采用钢芯钢丝绳。井架起升：采用6×36SW、8×36SW、6×49SWS或6×61。修井：采用6×26SW、6×25Fi。抽汲：采用5P×7、4V39S、3P×19S、6×7、6×19S结构图例8×36SW+FC6T×25Fi+FC五、钢丝绳标记代号钢丝绳标记代号是钢丝绳的名字。正确的标记可以准确地描述钢丝绳的几乎全部的技术要求和特征。