鉆具斷裂的失效分析及預防

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

鉆具斷裂的失效分析及預防

張孝兵 海照新 陳保民(川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司，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，處理費用數額大，更甚者會發(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驗、案例分析及試驗研究總結出，大多數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

在鉆井實踐中觀察到的大量鉆桿斷裂現象可概括為：①鉆桿大多數的斷裂事故發(fā)生于旋轉鉆進過程中或在鉆進后立即提離井底的時候；②大多數斷裂發(fā)生在據鉆桿接頭1.2米的范圍內；③管體的疲勞和腐蝕疲勞斷裂均發(fā)生在內加厚過渡區(qū)消失處；④在有腐蝕性的洗井液中將引起管體或接頭嚴重坑蝕，從斷裂面上看到的這些裂紋是從內表面的腐蝕斑點開始的；⑤上提遇卡而拔斷鉆桿，斷裂位置通常發(fā)生在已經產生疲勞裂紋，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時發(fā)生周期性交變旋轉彎曲應力以及井下腐蝕介質共同作用所致。

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累計疲勞。

2.2 鉆桿內加厚過渡區(qū)刺穿失效事故

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

2.3 內涂層鉆桿加厚過渡區(qū)刺穿失效事故（內刺穿）

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

2.4 內涂層鉆桿管體刺穿失效事故（外刺穿）

內涂層鉆桿在涂層質量可靠、完好的情況下，解決了內加厚過渡區(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，鉆桿在鉆井液的腐蝕作用下，外表面會產生腐蝕坑，而管體中部的腐蝕坑在旋轉鉆進時會被井壁或套管磨平，但距離接頭密封面約1.5m范圍內的外表腐蝕坑卻磨不到，且鉆桿上距離接頭1～2m處的彎曲應力最大（接頭的剛度遠大于管體）；在旋轉彎曲交變載荷的作用下，這些腐蝕坑低將會會產生疲勞裂紋，一旦疲勞裂紋形成，很快就會擴展穿透鉆桿壁厚（裂紋由外向里擴展），發(fā)生鉆桿刺漏事故。多起類似的內涂層鉆桿的刺穿失效案例的失效分析結果已證明了這一點。

2.5 鉆桿的過量變形

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

2.6 鉆桿的過載斷裂

這是由于工作應力超過材料的抗拉強度引起的。

2.7 鉆桿的應力腐蝕斷裂及氫脆

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行：

陽極反應：Fe→Fe++2e

陰極反應：2H++2e→Had+Had→H2↑

Hab→鋼種擴散

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。氫的不斷增加會在這些缺陷處形成壓力很高的氫氣區(qū)。對于低強度鉆桿，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；而較內部的缺陷處，高壓氫使材料產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。其主要原因是內螺紋接頭的彎曲強度比不足和斷裂位置螺紋根部的應力值高。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肩面變形的原因為：上扣扭矩不足及鉆進中遇到卡鉆、蹩鉆。

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

鉆桿接頭的脹大或密封臺肩面壓陷變形失效見上圖

2.10 鉆桿直角臺肩根部疲勞斷裂

鉆桿內螺紋接頭結構型式不合理及直角臺肩根部應力集中導致直角臺肩根部疲勞失效（現在已很少發(fā)生）。應優(yōu)先選用18°錐度臺肩；改進內螺紋接頭水眼結構。

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致接頭縱裂。

2.12 鉆桿內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產生大量摩擦熱，局部溫度超過材料的相變溫度，發(fā)生組織變化，熱應力和組織應力一旦超過材料的破斷強度即產生摩擦裂紋。

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、螺紋主要參數不達標、使用鉛油不符。

2.14 鉆桿接頭的刺漏失效

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

3 預防措施

（1）科學管理，對鉆具進行分級管理，根據施工井型配發(fā)不同級別的鉆具。

（2）合理使用，操作過程中杜絕超負荷提、拉鉆具。

（3）嚴格檢驗，對回收鉆具通過科學有效的檢測儀器如漏磁設備、內窺鏡等進行檢驗。