關于鉆桿失效分析與質量控制研究

支鵬鵬，張然，劉智超

（渤海能克鉆桿有限公司，河北 滄州 062650）

專供石油使用的管材有油管、套管以及鉆桿這3 類產品，在這之中鉆桿產品在油氣勘探開發工作之中占據著相當重要的地位，是鉆柱組合之中不可或缺的組成部分。最近幾年，我國對石油和天然氣的需求逐漸遞增，導致淺層油氣資源的儲蓄量幾近耗空。因此必須要加大對西部油氣田的勘探與開發工作，深井、超深井、高含二氧化碳以及硫化氫的酸性氣田的數量成比增長。在這樣嚴苛的工況環境中，鉆柱的工作環境也更加嚴苛，這樣就會導致鉆柱出現失控的情況更加頻發，鉆桿也是失效事故的多發點，這將會對工程進度造成很大的影響，嚴重拖慢工程的進度，甚至會導致出現大量的財產損失，危害相關人員的生命健康。所以開展高性能鉆機以及鉆探用管的研發工作顯得尤為重要，加強對鉆桿失效案例的原因分析工作以及對其的質量控制工作，保證鉆桿的產品質量以及其使用的可靠性是確保油氣田生產安全性的重要舉措，也是全方位促進提升高性能鉆桿質量水平的不二手段。

1 鉆桿失效情況分析

鉆桿在鉆井之下的受力情況十分復雜，經常處在一種復合載荷的作用情況之下，并且在鉆井的過程之中，鉆桿會不停地和井壁產生摩擦和碰撞，在這種情況下，鉆桿就成為了整個鉆柱最薄弱的部位。一旦鉆桿出現失效的問題，輕則將會拖慢工程的進度，重則將會造成全井報廢的嚴重后果，將會產生巨大的經濟損失。

鉆桿的失效形式主要存在以下兩種：鉆桿螺紋失效，鉆桿本體失效。導致出現鉆桿螺紋失效問題的原因多且復雜，常見的有內螺紋接頭漲螺紋、內螺紋接頭開裂、螺紋粘結、刺漏等、以及鉆桿本體刺漏、斷裂等這幾種。

失效的原因主要能夠氛圍由腐蝕環境引起的失效、使用不規范引起的失效、制造質量不合格出現的失效以及設計不夠合理引發的失效四種。

石油管工程技術研究院相關研究人員展開了材料性能對鉆桿腐蝕疲勞壽命影響的實驗研究，研究人員們將多種材料放在一起進行腐蝕疲勞壽命的對比實驗，最終得到的結果顯示成分偏析是導致腐蝕疲勞壽命縮減的核心因素，并且提出了一種通過低倍組織酸蝕檢驗的方式，該檢驗方式所需要花費的成本相對來說不高，該方法能夠對鉆桿材料的性能進行充分的評判。研究人員針對某油田Φ139.7mm 鉆桿內螺紋接頭縱向開裂失效問題進行了原因分析研究，分析結果顯示由于內外旋合螺紋之間出現了劇烈的摩擦現象，其作用力促使內螺紋牙頂逐漸形成了馬氏體，裂紋從馬氏體的內部產生，并且因為材料之間的橫向沖擊功大大小于縱向沖擊功，所以導致其裂紋沿著縱向產生了脆性擴展，最終引起了鉆桿接頭部位出現了縱向開裂失效的情況。不僅如此，研究人員還指出，加強現場操作的管理，對上扣扭矩環節嚴格把控，均勻涂抹螺紋脂，對于存在螺紋參數超差情況的鉆桿要及時的更換，做好上述措施就能夠最大限度減輕由于螺紋旋合面之間出現劇烈摩擦進而形成馬氏體的現象。除此之外，相關的生產廠家改進自身的熱加工工藝，提升鉆桿接頭材料的橫向沖擊功，這樣也能夠減輕此類失效事故的發生。鉆桿制造質量存在問題也是導致鉆桿出現失效問題的主要原因之一。研究人員對鉆柱失效原因進行了一個統計總結，其中引起鉆桿失效事故的因素之中，由制造質量問題引起的失效事故占據總體數量的三成以上，引起鉆柱失效的制造方面的原因也是十分繁雜，鉆柱的制造工作之中存在的微小缺陷很可能就會形成應力集中或者是降低疲勞裂紋萌生壽命，削弱材料具備的服役抗力，容易誘發鉆柱在早期出現失效的問題。研究人員通過技術手段并結合施工現場的真實情況對刺穿鉆桿失效的原因也進行了分析。最終的分析結論顯示，由空氣鉆井轉用到泥漿鉆井的時候，知識對鉆井的方式以及鉆頭進行了改變，但是并沒有改變其鉆具組合，最終造成鉆具和井壁之間的間隙逐漸擴大，從而造成鉆桿出現疲勞斷裂的情況。

上述的文獻分析結論都充分證明了鉆桿失效主要是由于腐蝕環境因素、使用因素、制造因素和設計因素等因素造成了，但是往往并不是由于單一的一種因素促成，往往是有多個因素伴生，以及在其共同的作用下導致的。所以，要想提升鉆桿的質量，不僅僅要在使用過程之中注意相關的問題，還要加強對鉆桿制造環節的監督，提升鉆桿的質量，進而避免由于鉆桿失效事故導致的損失，促進鉆井工作的安全順利的運行。

2 加強質量控制確保鉆桿質量

隨著我國水平井、深井、超深井、大位移井等鉆井技術的研發程度逐漸加深，其運用的范圍也愈加廣泛，除了API 標準鉆桿，大量的非API 鉆桿也逐漸被廣泛應用在油氣田領域之內，這些非API 鉆桿在一些復雜嚴峻的環境之中都得到了利用，綜合鉆桿失效事故的具體情況進行分析，本文提出了大量有關于提升鉆桿質量控制工作的措施，能夠促進提升鉆桿使用的穩定性以及可靠性。

2.1 加強鉆桿產品標準理解及應用

鉆桿的生產工作以及訂貨工作都應該嚴格按照API SPEC 5DP《鉆桿規范》標準進行，也就是在整個鉆桿生產以及后期投入使用的過程之中都需要嚴格依照該規范進行相關的質量檢測工作，對能夠對產品的質量造成影響以及破壞產品性能穩定性的因素進行分析研究，一定要充分保障產品的合格率符合標準。對于出現失效情況的試樣，在檢測的過程之中也要嚴格遵守規范標準進行相關的檢測工作。對于部分失效破壞比較嚴重的樣品，如果無法從標準的位置取樣的試驗樣品，必須通過了各項檢測以后根據最終得到的檢測數據來進行判斷，判斷需符合生產、使用以及檢測機構聯合確認的標準。所以，也就是代表所有的鉆桿生產、訂貨乃至質檢機構都必須要強化對鉆桿質量標準的理解，只有這樣才能夠盡可能確保鉆桿最終的得到的質檢結果的有效性。

2.2 依據工況條件制定補充訂貨技術協議提升鉆桿適用性

API Spec 5DP《鉆桿規范》標準所規定的技術條件是國際上鉆桿生產廠家的平均水平。現實的施工過程之中發生的鉆桿失效的案例也能夠充分證明，在鉆桿實際的使用過程之中，因為要面臨著極其復雜的工況條件，各種工況條件共同作用，就導致鉆桿所工作的環境相對來說比較惡劣。由此可見，API 標準規定的技術指標并不能完美適配所有的工況環境。所以在進行鉆桿失效原因分析工作的時候已經要將實際的鉆桿工況的環境納入考量的范圍之內。鉆桿具體的使用環境情況決定著鉆桿最終的質量性能評判的標準，例如如需在腐蝕環境之中工作的話，鉆桿的材料的選擇也應該衡量其環境具體的腐蝕程度，來進行耐腐蝕材料的選擇；根據工況最終確定的載荷與溫度條件來進行對應的鉆桿選擇。

2.3 加強鉆桿現場規范操作及使用管理

現場操作的不恰當和失誤也是導致鉆桿失效事故發生的一大原因。選擇好符合質量以及標準要求的鉆桿之后，如若在使用的過程之中存在不當操作，也很有可能會引發鉆桿的失效事故，從而造成出現財產損失。所以，我們不僅僅要對鉆桿的質量進行嚴格的要求，施工現場的操作行為也必須符合相關的操作規范，要加強對操作現場的管理監察力度，只有將對現場的操作質量管理進行嚴格把控，促使鉆桿質量能夠和現場的操作規范相匹配，這樣才能最大限度的將鉆桿失效事故發生的可能性降到最低。不僅如此，相關的現場操作管理規范必須要建立完善，日常對鉆桿的維護工作也要做到位，盡可能減少對鉆桿的損害。

2.4 加強無損檢測技術的應用

除了標準規定的一系列內容以外，還應該引入無損檢測技術在鉆桿質量控制工作之中的運用，在對應的補貨技術條件中之中要新增出對相關鉆桿部位進行無損檢測的內容，要提升對鉆桿無損檢測的要求。只有將無損檢測技術和鉆桿的質量控制工作相結合，充分利用技術的優越性來完善鉆桿的質量管理工作，確保鉆桿的質量能夠符合使用保準的規定，才能夠進一步確保施工現場的安全順利進行，降低鉆桿失效事故發生的機率。

3 嚴苛工況用非 API 高性能鉆桿質量控制流程

（1）生產商必須要按照非API 鉆桿生產的技術標準對產品的整體性能進行檢測，充分保障產品本身的質量不存在問題。

（2）在鉆桿產品投入到正式的使用之前，還需要任命第三方檢測機構對鉆桿的質量進行全面的檢測工作。然后，根據相關的工作條件和補充訂購的技術條件，對鉆桿產品的性能進行進一步的適用性評價，以確定其適用范圍。針對油氣田使用的質量問題和年度監督抽查故障分析中發現的質量問題，分析其故障的具體原因，提出有針對性的改進措施，進一步提高鉆桿的質量管理，確保高性能鉆桿質量的可靠性。結合工廠檢驗的質量控制過程，結合以往的第三方檢驗、適用性評價、質量監督和抽查檢查，如圖1 所示，可以進一步保證鉆桿質量的可靠性。

圖1 高性能鉆桿質量控制流程

4 結語

通過以上我們可知：鉆桿的質量控制工作涉及到產品研究、涉及、開發甚至使用的整個過程之中。做好鉆桿的質量控制工作有利于節約成本比，減少失效事故的發生，能夠進一步促進鉆桿產品的質量得到提升。本文研究得到的結論如下：

（1）通過對鉆桿失效事故的成因進行分析研究，最終得出要加強質量控制、避免出現鉆桿失效事故，只有這樣才能夠保證鉆井工作的安全運行。

（2）根據鉆桿失效的原因分析結果，本文建議要加強對鉆桿產品的要求，要更加理解鉆桿產品標準；有嚴格規劃鉆桿現場施工的操作規范，加強對其的使用管理，引進無損檢測技術在鉆桿檢測方面的應用，以此來達到提升鉆桿質量的目的，確保鉆桿能夠滿足使用需求，保障在特定的工況情況下施工不出現失效事故。

（3）開發一系列相應的非原料藥高性能鉆桿的質量控制手段，包括廠前檢驗，建議使用第三方檢驗機構對質量監督和現場檢查相結合的質量控制手段進行評價，提高全尺寸適用性條件模擬試驗的強度，確保鉆桿的質量符合相關規定，確保嚴格工作環境下油氣田勘探開發工作的質量和性能。