張孝兵 海照新 陳保民(川慶鉆探工程公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西 西安 710018)

鉆具斷裂的失效分析及預(yù)防

張孝兵 海照新 陳保民(川慶鉆探工程公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西 西安 710018)

油氣田勘探開發(fā)過程中鉆具受力狀態(tài)十分復(fù)雜，所以其失效形式也多種多樣。如過量變形、斷裂、表面磨損等。發(fā)生井下鉆具斷裂事故，處理費(fèi)用數(shù)額大，更甚者會(huì)發(fā)生打撈失敗而棄井。通過多年井下鉆具斷裂事故的處理經(jīng)驗(yàn)、案例分析及試驗(yàn)研究總結(jié)出，大多數(shù)的鉆桿斷裂事故都是由于疲勞而引起的。

失效;疲勞;過量變形;鉆具斷裂

1 鉆具斷裂事故發(fā)生的一般規(guī)律

在鉆井實(shí)踐中觀察到的大量鉆桿斷裂現(xiàn)象可概括為：①鉆桿大多數(shù)的斷裂事故發(fā)生于旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中或在鉆進(jìn)后立即提離井底的時(shí)候；②大多數(shù)斷裂發(fā)生在據(jù)鉆桿接頭1.2米的范圍內(nèi)；③管體的疲勞和腐蝕疲勞斷裂均發(fā)生在內(nèi)加厚過渡區(qū)消失處；④在有腐蝕性的洗井液中將引起管體或接頭嚴(yán)重坑蝕，從斷裂面上看到的這些裂紋是從內(nèi)表面的腐蝕斑點(diǎn)開始的；⑤上提遇卡而拔斷鉆桿，斷裂位置通常發(fā)生在已經(jīng)產(chǎn)生疲勞裂紋，但尚未發(fā)展成為斷裂的部位；⑥鉆桿接頭螺紋的疲勞斷裂多發(fā)生于內(nèi)螺紋接頭大端第一和第二螺紋牙根部或外螺紋接頭大端第一和第二螺紋牙根部。

2 鉆具斷裂事故中鉆具的失效形式

2.1 鉆桿管體的疲勞和腐蝕疲勞斷裂

鉆桿發(fā)生疲勞和腐蝕疲勞斷裂破壞的主要原因是由于鉆桿在彎曲井眼中旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生周期性交變旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力以及井下腐蝕介質(zhì)共同作用所致。

影響鉆桿疲勞和腐蝕疲勞斷裂的主要因素：①鉆桿材料的抗拉強(qiáng)度和疲勞極限的影響；②鉆桿材料沖擊韌性的影響；③鉆桿表面質(zhì)量的影響；④腐蝕環(huán)境的影響；⑤拉伸和彎曲的組合影響；⑥累計(jì)疲勞。

2.2 鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)刺穿失效事故

在鉆桿管端鐓粗加厚工藝控制過程中，由于內(nèi)加厚過渡區(qū)太短，在鉆桿使用中，在該區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致腐蝕集中并形成較深的腐蝕坑。在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中，鉆桿受到旋轉(zhuǎn)彎曲交變載荷的作用，在腐蝕坑底產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致鉆桿刺穿或斷裂，這屬于鉆桿的腐蝕疲勞斷裂。

2.3 內(nèi)涂層鉆桿加厚過渡區(qū)刺穿失效事故（內(nèi)刺穿）

由于鉆桿（內(nèi)涂層）內(nèi)加厚過渡區(qū)的形狀不良，在鉆桿使用時(shí)導(dǎo)致局部涂層脫落并產(chǎn)生集中腐蝕（涂層脫落處的腐蝕速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常的腐蝕速率），很快會(huì)產(chǎn)生較深的腐蝕坑。在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中，鉆桿受到旋轉(zhuǎn)彎曲交變載荷的作用，在腐蝕坑底產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致鉆桿刺穿或斷裂，這也屬于鉆桿的腐蝕疲勞

2.4 內(nèi)涂層鉆桿管體刺穿失效事故（外刺穿）

內(nèi)涂層鉆桿在涂層質(zhì)量可靠、完好的情況下，解決了內(nèi)加厚過渡區(qū)的腐蝕疲勞破壞問題，但鉆桿外表面的腐蝕問題仍然存在。鉆井時(shí)，鉆桿在鉆井液的腐蝕作用下，外表面會(huì)產(chǎn)生腐蝕坑，而管體中部的腐蝕坑在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)會(huì)被井壁或套管磨平，但距離接頭密封面約1.5m范圍內(nèi)的外表腐蝕坑卻磨不到，且鉆桿上距離接頭1～2m處的彎曲應(yīng)力最大（接頭的剛度遠(yuǎn)大于管體）；在旋轉(zhuǎn)彎曲交變載荷的作用下，這些腐蝕坑低將會(huì)會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，一旦疲勞裂紋形成，很快就會(huì)擴(kuò)展穿透鉆桿壁厚（裂紋由外向里擴(kuò)展），發(fā)生鉆桿刺漏事故。多起類似的內(nèi)涂層鉆桿的刺穿失效案例的失效分析結(jié)果已證明了這一點(diǎn)。

2.5 鉆桿的過量變形

這是由于工作應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度引起的。如鉆桿接頭在過載情況下螺紋部分變形伸長(zhǎng)，鉆桿管體彎曲及扭曲變形。

2.6 鉆桿的過載斷裂

這是由于工作應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度引起的。

2.7 鉆桿的應(yīng)力腐蝕斷裂及氫脆

鉆桿在含有H2S鉆井液中的腐蝕是一種氫去極化過程，鐵

溶解和析氫分別在陽極和陰極上進(jìn)行：

陽極反應(yīng)：Fe→Fe++2e

陰極反應(yīng)：2H++2e→Had+Had→H2↑

Hab→鋼種擴(kuò)散

式中Had為表面上吸附的氫原子，Hab為鋼中吸收的氫原子。

原子態(tài)氫將在材料內(nèi)的各種缺陷如第二相、晶界、空穴等處聚合成分子氫。氫的不斷增加會(huì)在這些缺陷處形成壓力很高的氫氣區(qū)。對(duì)于低強(qiáng)度鉆桿，由于其材料塑性較好，所以在靠近表面處使金屬變形外凸，形成鼓泡；而較內(nèi)部的缺陷處，高壓氫使材料產(chǎn)生階梯形裂紋或分層，隨著裂紋的連接可以變成貫穿裂紋，從而引起鉆桿的破裂。

2.8 鉆桿接頭的疲勞斷裂

鉆桿內(nèi)螺紋接頭的疲勞斷裂多發(fā)生于大端第一和第二螺紋牙根部。其主要原因是內(nèi)螺紋接頭的彎曲強(qiáng)度比不足和斷裂位置螺紋根部的應(yīng)力值高。鉆桿外螺紋接頭的疲勞斷裂多發(fā)生于大端第一和第二螺紋牙根部。其主要原因是內(nèi)外螺紋接頭配合不良（緊配合）外螺紋接頭斷裂位置螺紋根部的應(yīng)力值高

2.9 鉆桿接頭的脹大失效

鉆桿接頭的脹大或密封臺(tái)肩面變形的原因?yàn)椋荷峡叟ぞ夭蛔慵般@進(jìn)中遇到卡鉆、蹩鉆。

預(yù)防措施：按照API RP 7G推薦扭矩上扣、提高接頭的抗脹扣能力（提高接頭材料強(qiáng)度、提高接頭抗扭強(qiáng)度）、選用雙臺(tái)肩鉆桿接頭、優(yōu)化鉆桿尺寸、減少卡鉆、蹩鉆。

鉆桿接頭的脹大或密封臺(tái)肩面壓陷變形失效見上圖

2.10 鉆桿直角臺(tái)肩根部疲勞斷裂

鉆桿內(nèi)螺紋接頭結(jié)構(gòu)型式不合理及直角臺(tái)肩根部應(yīng)力集中導(dǎo)致直角臺(tái)肩根部疲勞失效（現(xiàn)在已很少發(fā)生）。應(yīng)優(yōu)先選用18°錐度臺(tái)肩；改進(jìn)內(nèi)螺紋接頭水眼結(jié)構(gòu)。

2.11 鉆桿接頭的縱裂失效

鉆桿接頭材料韌性不足和扭矩過大導(dǎo)致接頭縱裂。

2.12 鉆桿內(nèi)螺紋接頭的外表面熱裂紋

鉆桿接頭與井壁或套管摩擦瞬時(shí)產(chǎn)生大量摩擦熱，局部溫度超過材料的相變溫度，發(fā)生組織變化，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力一旦超過材料的破斷強(qiáng)度即產(chǎn)生摩擦裂紋。

2.13 鉆桿接頭的磨損失效

粘著磨損。造成粘扣的主要原因有鋼材硬度不夠、螺紋主要參數(shù)不達(dá)標(biāo)、使用鉛油不符。

2.14 鉆桿接頭的刺漏失效

接頭密封臺(tái)肩面尺寸小、上扣扭矩不足、井下彎曲應(yīng)力過大以及拉應(yīng)力過大導(dǎo)致鉆桿接頭密封面刺漏。API標(biāo)準(zhǔn)已修訂了鉆桿接頭密封臺(tái)肩面尺寸規(guī)定，而且現(xiàn)也普遍采用扭矩大鉗上扣，此類失效事故現(xiàn)已很少。

3 預(yù)防措施

（1）科學(xué)管理，對(duì)鉆具進(jìn)行分級(jí)管理，根據(jù)施工井型配發(fā)不同級(jí)別的鉆具。

（2）合理使用，操作過程中杜絕超負(fù)荷提、拉鉆具。

（3）嚴(yán)格檢驗(yàn)，對(duì)回收鉆具通過科學(xué)有效的檢測(cè)儀器如漏磁設(shè)備、內(nèi)窺鏡等進(jìn)行檢驗(yàn)。