鉆桿加厚過渡區(qū)失效原因分析及預(yù)防措施

李沛軒

關(guān)鍵詞：加厚過渡區(qū);刺漏;腐蝕 ;預(yù)防措施

1. 引言

鉆桿加厚過渡區(qū)管體刺漏是鉆桿失效的主要形式之一，該處由于幾何形狀發(fā)生變化，應(yīng)力比較集中，并且在井下，高速的鉆井液體流過鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)時(shí)，流場(chǎng)發(fā)生突變，造成較大的局部渦流和較大的壓力波動(dòng)，且會(huì)在局部出現(xiàn)超低壓，加上泥漿的腐蝕，所以極易發(fā)生鉆桿刺漏，每年都有一定數(shù)量的加厚過渡區(qū)管體刺漏，損失比較大，為確保鉆井安全。

2. 鉆桿加厚過渡區(qū)的服役條件

2.1 鉆桿加厚過渡區(qū)的應(yīng)力分析

鉆柱在鉆井過程中，根據(jù)不同的鉆井方式，在不同的工作狀態(tài)和不同的位置上作用著不同的載荷，這些載荷包括軸向力、徑向擠壓力、彎曲力矩、離心力、扭矩和振動(dòng)載荷，這些載荷或單獨(dú)存在，或同時(shí)存在，使鉆柱的的受力呈現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)。

2.2 泥漿在鉆桿加厚過渡區(qū)的影響

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，鉆桿加厚過渡區(qū)刺漏絕大部分發(fā)生在內(nèi)螺紋接頭端，內(nèi)螺紋端泥漿流道結(jié)構(gòu)的變化是由小到大，鉆桿接頭處的流道最小，加厚過渡帶流道稍大一些，鉆桿本體內(nèi)的流道最大，管內(nèi)的靜壓力隨著流道尺寸的擴(kuò)大而逐漸增大，泥漿經(jīng)過擴(kuò)大的的流道，管內(nèi)截面積增大，如果入口的流量保持不變，那么流體的速度將隨著流道的擴(kuò)大而減小，同時(shí)由于泥漿的總能量保持不變，而壓力將隨著流道的逐漸擴(kuò)大而增大，屬于一個(gè)增壓過程。

2.3 鉆井液對(duì)鉆柱的腐蝕

鉆柱在正常工作過程中處于鉆井液中。鉆井液是由固體、液體和化學(xué)處理劑組成的負(fù)

重混合液，一般均有一定的腐蝕性。鉆井液的腐蝕性取決于它的組成，根據(jù)添加劑的不同，其ph值多在8～12之間。鉆柱在工作過程中，由于鉆井液和其它腐蝕介質(zhì)與鉆柱的相互作用，會(huì)嚴(yán)重降低鉆柱的使用壽命，鉆井液的PH值越低，對(duì)鉆柱的腐蝕越嚴(yán)重。除鉆井液外，在鉆井過程中經(jīng)常遇到的腐蝕介質(zhì)有溶解氧、二氧化碳、硫化氫、溶解鹽類等。

3. 鉆桿加厚過渡區(qū)的失效過程

鉆桿加厚過渡區(qū)的失效機(jī)理為腐蝕疲勞。鉆桿腐蝕疲勞失效是腐蝕介質(zhì)（鉆井泥漿與井下介質(zhì)）和彎曲交變應(yīng)力共同作用的結(jié)果。鉆桿加厚過渡區(qū)腐蝕疲勞的失效過程為：沖刷鉆桿內(nèi)涂層、蝕坑的形成、裂紋的萌生、裂紋的擴(kuò)展、裂紋的刺穿。

3.1 鉆桿加厚區(qū)內(nèi)涂層的破壞

內(nèi)涂層的主要作用是保護(hù)鉆桿內(nèi)壁，其結(jié)構(gòu)是在鉆桿內(nèi)壁噴涂一層耐腐蝕的有機(jī)材料，把鉆桿內(nèi)壁與泥漿隔離開來，起到防腐蝕的作用。

3.2 蝕坑的形成

蝕坑的形成與腐蝕介質(zhì)，尤其是鉆井泥漿有關(guān)。泥漿的PH值一般呈弱堿性，而且不可避免地含有溶解氧和CI-，具有較強(qiáng)的腐蝕性。

當(dāng)鉆井泥漿中有溶解氧存在時(shí)，由于鉆桿管壁直接裸露在含氧介質(zhì)中，其表面易發(fā)生吸氧腐蝕反應(yīng)：

陽極反應(yīng)：Fe-2e→Fe2+

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e→4OH-

總反應(yīng)式：2Fe+O2+2H2O→4OH-

亞鐵離子隨后水解生成Fe O，若脫水并進(jìn)一步氧化會(huì)變成F e2O3，腐蝕產(chǎn)物對(duì)腐蝕的動(dòng)力學(xué)影響很大，一般情況下FeO和Fe2O3都是疏松多孔的，與基體的附著力差，不起保護(hù)作用，使氧腐蝕無阻礙地繼續(xù)進(jìn)行下去。

3.3 裂紋的萌生

在使用過程中，由于腐蝕介質(zhì)的作用，鉆桿內(nèi)外壁尤其是斷口附近產(chǎn)生大量的腐蝕坑。在外加應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，腐蝕不斷加速，在腐蝕坑底部導(dǎo)致應(yīng)力集中。外加應(yīng)力循環(huán)一定周次后，蝕坑底部開始萌生裂紋。

3.4 裂紋的擴(kuò)展

腐蝕疲勞裂紋在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下迅速擴(kuò)展。蝕坑底部萌生的多條裂紋平行地分布與鉆桿內(nèi)外壁的水平面上。由于交變應(yīng)力隨著鉆桿截面減小而增大，因此裂紋尖端擴(kuò)展至一定長(zhǎng)度與另一擴(kuò)展裂紋相遇，擴(kuò)展將進(jìn)一步加快。

3.5 裂紋的刺穿

由于裂紋的不斷擴(kuò)展，裂紋部位的壁厚也逐漸減薄，當(dāng)剩余壁厚不足以承受鉆桿內(nèi)壁壓力的時(shí)候，鉆桿內(nèi)壁的高壓鉆井液沖破剩余壁厚，最終形成鉆桿刺穿孔洞。

4. 鉆桿加厚過渡區(qū)管體刺漏失效的預(yù)防措施

4.1 控制泵壓和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速

高泵壓下沖蝕作用強(qiáng)，加劇了鉆桿加厚過渡帶的刺漏，轉(zhuǎn)盤的高轉(zhuǎn)速提高了鉆桿的彎曲應(yīng)力和泥漿的壁面剪切應(yīng)力，也加速了鉆桿加厚過渡帶的刺漏，因此應(yīng)適當(dāng)控制泵壓和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，以減少鉆桿加厚過渡帶的刺漏。

4.2 要求過渡帶幾何尺寸

鉆桿加厚過渡帶的幾何尺寸對(duì)刺漏的關(guān)系很大，在鉆桿購(gòu)置過程當(dāng)中，要特別對(duì)這些尺寸提出技術(shù)要求。

4.3 鉆井液管理

加強(qiáng)鉆井液的管理，在條件允許的情況下，使PH值保持在10或10以上，同時(shí)在鉆桿存放前，應(yīng)當(dāng)清洗、吹干。

4.4 保護(hù)好鉆桿內(nèi)涂層

鉆桿加厚過渡區(qū)管體刺漏失效的第一步是內(nèi)涂層被破壞，破壞內(nèi)涂層的途徑除加厚過渡區(qū)受到拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲應(yīng)力，泥漿的沖刷，還與井隊(duì)使用鉆桿濾清器，及使用金屬尖銳硬物通鉆桿水眼有關(guān)，為此采取以下措施：

4.4.1 設(shè)計(jì)鉆桿濾清器保護(hù)裝置

鉆桿濾清器對(duì)鉆桿加厚過渡區(qū)的危害是比較大的，近幾年鉆桿刺漏的統(tǒng)計(jì)也證明了這一點(diǎn)，在使用螺桿鉆具、渦輪鉆具鉆井，及使用鉆井儀器時(shí)，為防止鉆井液中的大顆粒或其他物質(zhì)堵塞儀器，不得不使用鉆桿濾清器，從而造成對(duì)鉆桿的危害。

要解決濾清器對(duì)鉆桿的危害，進(jìn)一步分析研究，鉆桿濾清器一般安裝在方鉆桿以下第一根鉆桿內(nèi)，才產(chǎn)生對(duì)鉆桿的損害，設(shè)想有一種裝置專門放置鉆桿濾清器，濾清器傷害只能傷害這種裝置，傷害不到鉆桿。有了這種裝置，既保護(hù)了鉆桿，又不妨礙井隊(duì)使用鉆桿濾清器。

為防止通徑規(guī)對(duì)內(nèi)涂層產(chǎn)生破壞作用，通徑規(guī)由尼龍材料制成。

5. 結(jié)論

通過對(duì)鉆桿加厚過渡帶發(fā)生失效的原因分析，制定了一系列的預(yù)防措施，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，降低了鉆桿加厚過渡帶的失效幾率，2020年鉆桿管體刺漏22起，2021年14起，降低了8起，基本遏制了鉆桿加厚過渡帶失效上升的趨勢(shì)。

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