1、超深井钻井钻具失效分析摘 要超深井钻井在施工中经常发生断钻铤、卡钻事故和井漏、井壁失稳、钻具偏磨等复杂情况。这些事故及复杂情况严重地制约了钻井速度，同时造成了一定的经济损失。通过对钻具失效情况进行分析，总结了经验教训，对今后超深井钻井的施工有一定的借鉴和指导意义。关键词超深井钻井；钻具断裂；钻具失效；钻具损伤内容1 钻具失效分析钻具失效形式主要有钻具断裂、钻具刺漏、钻具内螺纹接头涨扣、钻具内螺纹接头开裂、钻具偏磨等等。尤其是在深井、超深井以及水平井、大位移井等复杂井的作业过程中，钻具断裂的危害尤其严重，轻者增加钻井成本，延长钻井周期，重者导致填井侧钻甚至于整井报废。在深井、超深井等复杂井的钻探
2、作业中，用双扭矩台肩的钻具可以有效的提高钻具承载能力，降低钻具的断裂失效事故，提高钻具的安全可靠性。2 .1 失效分析的程序和步骤失效分析程序图：截取试样金相分析 微观断口分析 化学成分分析 常规力学分析确定失效的性质综合分析确定失效的原因下步改进的措施现场调查及残骸分析调查加工和服役历史初步观察分析无损检测分析失效（故障）发生宏观断口分析2.2 整个失效分析过程的几个环节：收集失效件的背景数据。主要包括加工制造历史、服役条件和服役历史。失效件的外观检查。包括：失效件的变形情况，有无镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、缩径、断面解理形状等；失效件表面的加工缺陷，如：焊疤、折叠、瘢痕、刮伤、刀痕、裂纹等
3、。断裂部位所在的位置，是否在键槽、尖角、凹坑等应力集中处。观察表面有无氧化、腐蚀、撕咬、磨损、龟裂、麻坑等。察看相联件的情况。1）断口分析：断口记录了断裂材料主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌的分析，不仅可以得到有关部件使用条件和失效特点的资料，还可以了解断口附近材料的性质和状况，进而判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序，确定断裂的性质，从而找到断裂的主要原因。钻柱的服役条件及主要失效类型2）钻柱的工作状态在钻井过程中，钻柱是在起下钻和正常钻进两种工序中交替工作的。起下钻时，钻柱处于受拉状态；钻进过程中，其状态比较复杂，处于由拉、压、扭等状态。在转盘钻进时，钻柱好似一根细长的旋转轴。在部分自重产
4、生的轴向压力作用下，下部钻具不稳定呈弯曲状态，由于受到井眼的限制，可产生多次弯曲；上部钻具由于旋转产生的离心力作用不能保持直线状态，再加上扭矩的作用，整个钻柱成一个近似螺旋形曲线的形式进行复杂的旋转运动。成螺旋形的钻柱在井中有公转、自传、自转和反公转三种运动方式。自转-指整个钻柱在井中绕自身轴线旋转。这样的转动使钻具均匀磨损，并经受交变弯曲应力而使钻具产生疲劳。公转-钻柱在压力、拉力、离心力和扭矩的联合作用下，其轴线弯曲成变波平面正弦曲线形状，整个轴线按转盘的旋向绕井眼轴线旋转。这样的旋转式钻具与井壁摩擦产生偏磨。反公转钻柱在自转和公转过程中，由于受到钻井液摩擦阻力、井壁阻力和井底地层对钻头抵
5、抗力的影响，会产生反公转，从而使钻头横向摆动，影响钻头的使用和钻具的使用寿命。3 钻柱的受力分析钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，在不同的工作状态和不同的位置作用着不同的载荷。概括起来，钻柱在井内主要受有以下几方面力的作用：3.1 轴向力有钻柱自重、钻井液对钻具的浮力、井壁和钻井液对钻具的摩擦阻力、钻压等。一般情况下，井口的拉力最大，“中和点”下部钻具因钻压的作用，承受压力，井底压力最大。在钻井液中钻柱受到浮力的作用，轴向拉力会减小；在起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。下钻时则与起钻承载相反。径向挤压力起下钻作业时，卡瓦对钻柱产生的挤压力。管外液柱
6、产生的挤压力。地层形变产生的挤压力。3.2 弯曲扭矩弯曲力矩是因钻柱上有弯曲变形存在而产生。正常钻进时，当下部钻柱受压弯曲时，以及转盘钻进中由于离心力的作用和井眼偏斜、弯曲等都能使钻柱发生弯曲，于是产生弯矩。弯曲的钻柱在绕自身轴线旋转时，就会承受交变的弯曲应力。最大的弯曲应力产生在挠度最大处。3.3 离心力弯曲的钻柱绕井眼轴心旋转时产生的离心力，可使钻柱更加弯曲，使弯曲应力增加。3.4 扭转力矩转盘通过钻柱带动钻头旋转，破碎岩石，并克服钻柱与井壁和钻井液的摩擦阻力，使钻柱承受扭转力矩。由于受到井壁和钻井液摩擦阻力的影响，井口的扭矩比井底大。当在井底使用动力钻具（涡轮钻具、螺杆钻具等）时，作用在
7、钻柱上的反扭矩，井底大于井口。钻柱的振动钻进时，由于地层的软硬不均、井底不平，特别是用牙轮钻头时，牙轮的滚动，引起钻柱纵向振动，使“中和点”上下移动，产生交变的挤压应力。当外界周期的干扰力与钻柱的固有频率相同时，引起共振，出现剧烈的“跳钻”。跳钻会引起钻柱的疲劳破坏。钻柱的旋转还会使钻具产生两种振动。第一种是由于钻头结构、地层、钻压等因素的变化引起的扭转振动。当转速达到某一临界值时，钻柱出现扭转共振，即“蹩跳”。第二种是横向振动。这是在转速达到某一临界转速下，钻柱出现的自激晃振摆动，它会引起钻柱的严重偏磨和弯曲疲劳破坏。3.5 动载起下钻过程中，由于钻柱运动速度的变化，会引起钻柱的纵向动载，在
8、钻柱中产生纵向瞬时交变应力。动载的大小与操作有关。由以上分析得知，井口和井底附近的钻柱所承受的拉力、扭矩、弯曲和冲击力等均较大。但上述几种载荷有些是同时出现，使钻柱的受力呈现复杂状态。钻柱的主要失效类型根据上面对钻柱服役条件的分析，钻柱的受力状态十分复杂，失效的形式也多种多样。既有静载，又有冲击载荷，而且拉、压、弯、扭无一不有，且大都是交变载荷。工作时又要受到腐蚀、磨损、温度及压力的影响。归纳起来，主要有过量变形、断裂和表面损伤三类。过量变形它是由于工作应力超过材料的屈服极限引起的。钻柱的过量变形主要有螺纹部分的拉长，钻杆本体的弯曲和扭曲（即螺旋形弯曲）。其中钻杆本体的弯曲和扭曲比较常见。断裂
9、5 钻柱断裂原因分析钻柱的断裂时有发生，在钻柱失效中的比例较大，它的危害也严重。断裂主要形式有过载断裂、低应力脆裂、应力腐蚀、氢脆断裂、疲劳断裂和腐蚀疲劳破裂等。过载断裂：它是由于工作应力超过材料的抗拉强度引起。如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂及蹩钻时的钻杆管体折裂。1）低应力脆裂：低应力脆裂与表面或内部存在缺陷及不良的显微组织有关，也与受力部位交变频繁受力有关。如焊缝的脆性断裂、钻铤接头螺纹部位脆性断裂。低应力脆性断裂的主要特点是，脆断时的使用应力一般低于其屈服强度；易从应力集中严重处断裂，尤其受到冲击载荷时更为显著；宏观断口齐平，无明显塑性变形。2）应力腐蚀断裂：它是钻柱失效的常见形式。
10、如钻柱在含硫油气井中硫化物应力腐蚀破裂，钻柱接触某些腐蚀介质（如盐酸、盐类）时的应力腐蚀开裂。有经验表明，应力集中处对腐蚀介质的敏感度有增强作用，这对钻具的失效具有不良的促进作用。硬的和脆性钢比韧性钢更容易发生应力腐蚀破坏。3）氢脆：当金属晶格中吸附有过多的氢原子时，在拉应力的作用下可使材料产生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的应力腐蚀其本质是由于氢的作用造成的，所以叫氢脆。尤其对高强度钢更是敏感。在川东地区因地层含硫禁止使用高钢级钻杆，推荐使用抗硫钻杆。疲劳：一般发生于钻杆内加厚过渡区、钻杆、钻铤和转换接头螺纹部位等截面变化区域或因表面损伤而造成的应力集中区。如接头螺纹根部的疲劳断裂（为此曾
11、在螺纹根部端设计应用应力减轻槽），钻杆过渡带疲劳腐蚀刺穿和方钻杆标尺焊疤处材料组织的改变引起的应力集中造成的疲劳腐蚀刺穿。4）疲劳腐蚀：是交変载荷和钻井液等腐蚀介质联合作用的结果，在钻柱失效中约占 40%，且以钻杆为主。在钻杆失效中，约 80%为腐蚀疲劳。与普通疲劳一样，裂纹产生于应力集中严重部位或一表面腐蚀坑等为萌生裂纹源并扩展。最典型的是钻铤螺纹根部的疲劳裂纹和钻杆过渡带疲劳裂纹刺穿。表面损伤包括腐蚀、磨损和机械损伤三方面。表面损伤比较容易发现和判断。腐蚀：均匀腐蚀，它是由于化学或电化学反应造成的金属暴露的全部表面或大部分表面上发生的腐蚀。如钻具锈蚀。点蚀（小孔腐蚀），如钻杆存放或使用过程
12、中内外表面的不均腐蚀，点蚀常常会诱导腐蚀疲劳和应力腐蚀或脆性断裂。缝隙腐蚀，如钻杆内加厚过渡区表面褶皱处的钻井液腐蚀。磨损：粘着磨损：如钻具螺纹部位的磨损。磨料磨损：如井壁对钻柱的磨损。冲蚀磨损：如钻柱内外表面及螺纹连接部分受到钻井液的冲蚀损坏。机械损伤：如表面碰伤、焊疤、大钳卡瓦及其他工具咬伤6、断口分析钻具横截面多为圆环形，造成断裂的因素很多，所以其断口形貌与典型试件的端口并不完全相同，但其基本特征是一样的。掌握典型试件的断口特征后，就可对钻具断裂事故进行分析并推断其断裂原因。断口的宏观分析用肉眼或用放大倍数 1-20 北的放大镜对端口进行观察。这种方法能全面地观察断口，是断口分析的主要手
13、段。从宏观分析中大体可以判断出断裂的类型（韧性、脆性和疲劳），同时也可以大体上找出断裂源和裂纹扩展途径，粗略地找出破坏原因。但由于其放大倍数太小，不能细致地观察断口的细节和微观形态。1、静载下的断口宏貌1）光滑圆柱形试样光滑圆柱形试样的静拉伸断口，一般是杯锥状的。由纤维区、放射区和剪切唇所组成。（如图）SFRSRF图A 光滑圆柱试样的拉伸断口S剪切唇；R放射区；F纤维区断裂裂纹起源于纤维区，并在此区缓慢地扩展，当达到一定尺寸后（裂纹临界尺寸），裂纹开始快速扩展（或称不稳定扩展）而形成放射区，此时材料由于有效面积的减小，应力状态则由三向应力状态变为二向平面应力状态，最后在平面应力状态的拉伸应力作
14、用下而破坏，形成剪切唇。（1）纤维区对于光滑圆柱试样，纤维区往往位于断口中央，成粗糙的纤维状圆环形花样特征。在正应力作用下，由于缩颈而产生三向应力，以最小截面处的轴向应力为最大。这些三向应力对于裂纹的产生有很大影响，某些非金属夹杂物，渗碳体或某些第二相质点，缺陷将促进裂纹的形成。因此裂纹便在这些地方成核长大，裂纹扩展的宏观平面垂直于拉伸应力方向。对于单相金属，普通碳钢或珠光体钢，首先在缩颈中央形成显微空间，然后空洞长大，聚集而成锯齿状的纤维断口。对于合金，如强度较高的马氏体，其纤维区则是由杯形剪切背所构成。纤维区中央或接近中央的区域有一个或几个圆锥坑，是裂纹的起始处，即裂纹核心。大量实验说明，
15、裂纹核心总有夹杂物存在。（2）放射区与纤维区相邻的是放射区，有放射花样特征。纤维区与放射区交界线标志着裂纹有缓慢扩展向快速扩展的转化。放射线平行于裂纹扩展的方向，而且垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆向裂纹起始点。放射花样也是有材料的剪切变形所造成，与纤维区不同的是在裂纹达到临界尺寸后，快速低能撕裂，材料的宏观塑性变形量很小，表现为脆性断裂，但在微观局部区域，仍有很大的塑性变形，所以放射花样是剪切型的低能撕裂的一种标志。（3）剪切唇剪切唇在断裂过程的最后阶段形成。其表面光滑，与拉力方向呈 45角。在剪切唇区域中，裂纹扩展也是快速的，但它是在平面应力状态下发生的不稳定裂纹扩展。光滑圆柱试样尺寸由小变大
16、，其放射区增大很快，剪切唇稍有增加，而纤维区几乎不变，可见对一定材料，其裂纹扩展的临界尺寸几乎是一定的。（4）缺口圆柱试样其裂纹源位置在缺口处或接近缺口处。裂纹从表面向心部扩展，其破坏区比其它区域要粗糙很多。这是因为裂纹向心部扩展后，心部的应力已由三向应力状态变为平面应力状态而发生韧性破坏的缘故。如果缺口较钝，裂纹源也可能在试样的心部形成。但由于试样表面受缺口约束，所以剪切唇受到很大的限制，甚至不存在剪切唇。7 冲击断口宏貌冲击断口形貌如下图所示。首先裂纹源在缺口附近形成，然后是纤维区、放射区。由于无缺口一边是受压应力，裂纹又是快速传播的，所以当拉应力区的放射区进入压缩区时，放射区终止，再度出
17、现纤维区，三个自由表面的剪切唇与其相连，连接边呈弧形。有时放射区可能全部消失，而整个截断面只有纤维区和剪切唇两个区域。疲劳端口一般有疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬间断裂区。疲劳源是疲劳破坏的起始点。一般常在表面，但如果材料内部存在严重缺陷，如脆性夹杂物、空洞、化学成分偏析等，也可能在内部发生。疲劳源有时不止一个，尤其是超负荷疲劳，其应力级较大，断口上常出现几个位于不同深度的疲劳源。疲劳裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征，其特征为贝纹状花样。这些条纹是裂纹前沿扩展时留下的痕迹。从疲劳源开始向四周推进。并与裂纹扩展方向垂直。当裂纹扩展受到阻碍，或在使用过程中应力级改变时，也会在断口上留下相应的贝纹状推进
18、线。在实验室的恒应力试验和低周次的疲劳试验中，这种宏观的贝纹状花纹观察不到。裂纹扩展区对衡量材料的性能是很重要的，这个区大，表明裂纹临界尺寸大，能较好地抵抗裂纹的扩展。即有足够的断裂韧性。瞬时断裂区是最后断裂区。是疲劳裂纹达到一定尺寸后，工件的有效面积大为减少，以致不能承受逐渐增大的应力时而断裂。对于脆性材料，瞬时断裂区为结晶状的脆性断口，而对塑性材料，此断裂区是纤维状的塑性断口，表面有剪切唇。瞬时断裂区的断口形态与工件尺寸有关，当材料一定时，工件截面积愈大，愈容易达到平面应变条件，得到的是脆性断口。从瞬时断裂区的大小和位置，也能定性地估测工件负荷的大小。一般说，瞬时断裂区面积越大，越靠近中心
19、，则表示工件过载程度越大；相反其面积越小，其位置越靠近边缘，则表示过载程度越小。8、沿晶断裂和解理断裂的宏观特征沿晶断裂多属于脆性断裂，在一般正常热处理的结构钢中很少发生，只有在手腐蚀介质的作用时，才可能发生沿晶断裂；有时在焊解热影响区或焊缝中，由于“热裂”作用也可能发生沿晶断裂。解理断裂也属于脆性断裂，在这种断裂中，裂纹主要沿解理面扩展，有时也可在滑移面或晶面上扩展，其断口一般成人字形花样。纯解理断口无人字形，而是结晶断口。在粗晶中则可看到许多强烈反光的小平面，这就是解理平面，所以这种断口又叫结晶状断口。9 钻具失效分析和预防据统计，我国每年发生钻具事故数百起，经济损失数亿元。在钻具失效停用
20、数量中，按多少顺序排列，依次为：腐蚀坑-均匀磨损-卡瓦损伤-偏磨-裂纹-其他。在此，我们结合实际重点讲述钻柱腐蚀与疲劳。钻具的疲劳破坏是最常见的，这种破坏是疲劳发展的一个过程，随着疲劳裂纹的逐渐发展，最终导致拉断、扭断或刺穿。再则，钻井液对钻具有腐蚀作用，所以钻柱的内壁腐蚀比较严重，检测腐蚀和疲劳裂纹的工作难度较大，钻杆管体内壁的潜在危险得不到及时发现，因此，钻杆的刺穿和折断较多，这都与腐蚀和疲劳有关。1）钻柱脆性断裂失效分析及预防脆性断裂是指材料断裂前不产生或仅仅产生很小的塑性变形，断裂过程中单位体积所消耗的能量很低的过程。与之相对的韧性断裂，则指断裂前产生显著的塑性变形，单位体积消耗的能量
21、较高的断裂过程。脆性断裂没有任何预兆，往往是突发性的，危害较大。脆性断裂的主要特点切切-断裂时的使用应力很低，一般低于屈服强度，故又称低应力脆断。易从应力集中区严重处断裂，受冲击载荷，尤为显著。宏观断口齐平，结构粗糙，有放射状花纹或人字纹。失效事故常常与材料韧性低或使用温度低于其韧脆转变温度有关。与构件存在裂纹源（如疲劳裂纹、粘火裂纹等）有关。影响脆性断裂的因素4）钻柱疲劳失效分析及预防疲劳失效在交变载荷（应力）作用下，经过长时间（或较多的应力循环周次）运转后所发生的“突然”失效或破坏。钻杆的疲劳失效是最常见的，它是疲劳裂纹的发展过程，最后的形式是拉断、扭断或刺穿等。疲劳机理在交变应力作用下，
22、在晶体面会产生细小（10-7mm）的滑移带，这些滑移带往往成为萌生疲劳裂纹的区域。疲劳应力越高，强烈滑移带的数目越多，疲劳裂纹形成越早。另外腐蚀环境对疲劳裂纹的产生具有辅助作用，蚀坑也是裂纹源的滋生地。钻柱在井内钻进时呈现弯曲螺旋状，在弯曲井段旋转的钻柱总要受到交替变化的弯曲应力。钻压的变化、钻柱中和点位置的变化，使中和点附近钻柱承受交变的拉压应力。由于钻头交替接触井底，地层的变化、转盘的旋转等引起纵向振动、横向振动和扭转振动的周期变化的干扰力，也使钻柱受到交变应力的作用。定向井技术的推广、井下事故的处理等使钻柱的疲劳损坏更加严重。 疲劳失效的特点断裂突然发生，无明显征兆。破断应力低于材料的抗
23、拉强度，而且常常还低于材料的屈服强度。在交变应力作用下，一般都在疲劳裂纹扩展到一定长度后失稳而发生突然破坏，而且疲劳断裂过程在宏观形貌上没有留下明显的塑性变形。宏观断口一般都有疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区等三个区域。对产品表面及材料本身的缺陷高度敏感。疲劳裂纹最易产生在材料最薄弱处。反复承受弯曲或扭转载荷，疲劳裂纹多萌生于表面。5）钻杆疲劳失效分析和预防钻杆内加厚过渡区处的应力集中较大，该处是截面突变处，易发生弯曲，是一个薄弱环节，是疲劳或腐蚀疲劳的危险区。钻杆在交变应力的作用下，该处极易产生裂纹，钻井液在高压作用下穿透裂纹，形成孔洞失效，当刺穿孔洞连成一片时，钻杆的承载能力下降从而导
24、致断裂。失效部位基本都发生于距内外螺纹接头台肩 450-550mm 处，即内加厚过渡区与管体交界处。有资料研究表明，钻杆内加厚过渡区长度 Miu 越长，钻杆的抗疲劳寿命也越高。如 G105 钻杆在试验应力幅为 300MPa 时，Miu70mm、R（内锥面与管体交界处的曲率半径）200mm 的钻杆疲劳寿命比 Miu33-37mm、R25-37mm 的大 8 倍以上，比 Miu70mm、R200mm 的大 26倍以上。目前，标准尚未对 Miu、 R 做出统一的规定。以下是有关单位对部分国外厂家钻杆 Miu、 R 的测量数据：钻杆生产厂家 Miu，mm R，mm日本钢管 15-35 0-20日本住友
25、金属 35-50 10-70新日本制铁 40-65 50-100德国曼内斯曼 40-70 60-1506)钻杆接头螺纹的疲劳失效钻杆接头螺纹的疲劳失效主要发生在两个区域。一个是内螺纹接头里端的第一个完整螺纹附近（里端 2-3 牙处），一个是在外螺纹接头台肩侧的第一个完整螺纹附近（大端 1-2 扣处）。这与螺纹啮合时的应力状态有关。外螺纹与内螺纹接头的啮合是从第三牙（即第一个完整螺纹）开始的，而内螺纹则是从里端第 2-3 牙处与外螺纹接头啮合的，这两个区域是连接区域内较大应力集中区。钻杆接头螺纹断裂失效相比钻杆管体过渡带刺穿比例要小得多。解决螺纹断裂失效的办法是改变啮合处的应力状态，即加工应力减
26、轻槽，但由于受到加工数量、材料成本的限制，似乎不太现实，因此，到目前为止，尚未见加工有应力减轻槽的钻杆在使用，仅有的是受力复杂的加重钻杆、钻铤。7)钻杆螺纹断裂原因主要有：螺纹根部圆角半径过小，根部应力集中大。上扣扭矩过小，外螺纹在弯矩作用下第一完整螺纹啮合处弯曲应力剧增。内外螺纹接头追堵无差配合不佳、旋合后刚度不相配合，从而产生应力集中。钻杆接头吊卡台肩处的疲劳失效钻杆接头吊卡台肩有两种型式：90和 18。吊卡台肩处是一截面突变处，尤其当 90直台肩过渡圆角半径较小时，应力集中较高，容易发生应力疲劳裂纹刺穿或断裂失效。试验表明，直角台肩处的圆角半径大于 6mm 时，不容易发生疲劳破坏。当直角
27、台肩处的圆角半径小于 5mm 时，容易发生疲劳破坏。案例：华北某钻井队在使用 5”G105 90钻杆钻进至 1800-2500m 时接连发生吊卡台肩根部刺穿、断裂 6 起，后经超声波探伤发现 58 根钻杆吊卡台肩根部存有裂纹缺陷。该套钻具吊卡台肩根部曲率半径小于 5mm，根部应力集中大，服役过程中在交变应力作用下萌生疲劳裂纹，最后导致刺漏。8)钻铤疲劳断裂失效现场调查表明，钻铤的断裂尤其是钻铤螺纹的断裂在钻铤失效事故中占有相当大的比例。与钻杆接头疲劳断裂一样，不同的是，钻铤螺纹断裂失效几率远远大于钻杆接头，原因主要是钻铤的服役条件比钻杆要复杂。钻铤疲劳断裂特征钻铤的疲劳破坏十分普遍，不同的地区
28、均可发生。但深井地区和地层复杂地区更容易发生。钻铤的疲劳断裂与钻杆的疲劳断裂一样，大多发生在井斜变化大、方位变化比较大的“狗腿子”井段及井内。钻铤疲劳断裂均发生在接头的螺纹部位。内螺纹接头断裂面一般在距螺纹消失第 4-6 牙处，外螺纹的断裂面则在接头台肩侧（大端）的第 1-2 牙附近，即位于内外螺纹连接的最后啮合处。钻铤的疲劳断裂裂纹一般起源于螺纹根部，并具有多源特征，与各种因素引起的应力集中增大有关。钻铤疲劳断裂与尺寸有很大关系，尺寸越大，越易发生。内外螺纹连接后的弯曲强度比对钻铤的疲劳失效又严重影响。钻铤的疲劳失效与钻铤材料的性能有关。低韧性的材料更容易发生早期疲劳失效。在苛刻井中，当应力
29、集中较大，结构强度和材料韧性不足时，钻铤的疲劳失效极易发生。影响钻铤疲劳断裂的因素螺纹结构因素-螺纹类型不当造成内外螺纹弯曲疲劳强度不平衡。API RG 7G 推荐，平衡连接是弯曲强度比为 2.5：1，在钻井条件润需的范围内可在 3.2：1-1.93：1 之间变化。-不同的螺纹类型，其螺纹牙型及螺纹根部圆角半径是不同的。选用具有较小圆角半径的螺纹类型会在螺纹根部造成较大的应力集中。螺纹类型 螺纹牙型及代号 螺纹根部圆角半径，mmNC23-NC77 平齿顶、圆齿底 V-0.038 型螺纹 0.9652 3/84 1/2REG、 平齿顶、圆齿底 V-0.040 型螺纹 0.5083 1/2FH、4
30、 1/2FH5 1/28 5/8REG、 5 1/2FH、6 5/8FH 平齿顶、圆齿底 V-0.050 型螺纹 0.6354FH、2 3/85 1/2IF 平齿顶、圆齿底 V-0.065 型螺纹 0.381从表中可以看出，数字型（NC）螺纹根部圆角半径较大，应力集中系数较小。螺纹的加工质量-螺纹根部形状及圆角半径。-台肩面宽度。-接头完整螺纹长度。-其他螺纹参数。外径磨损及内径变大在实际钻井中，由于内螺纹外径磨损比外螺纹内径磨损快得多，结果弯曲强度比相对减小。当弯曲强度比降至 2.0：1 以下时，可能发生内螺纹疲劳失效祸端不变形胀大直至纵裂。钻铤外径磨损变小和内径变大时，疲劳寿命会下降。材料
31、性能影响钻铤材料性能直接影响弯曲疲劳寿命和失效形式。在一定范围内，钻铤的抗拉强度越高，其弯曲疲劳极限越高。我国钻铤用钢为中碳合金钢。扭矩的影响-上扣扭矩。上扣扭矩太小，台肩负荷不够，压不紧工作时易于分离，螺纹根部应力增大，容易发生早期疲劳失效，而且也易失去密封，造成钻井液刺损螺纹和密封台肩面。同时还容易造成二次进扣，导致内螺接头胀大或纵裂，或外螺纹接头危险界面上的应力增高，也易发生早期疲劳失效。上扣扭矩过大，会使螺纹部分的应力集中增大，疲劳寿命降低，也易使密封台肩面擦伤而影响密封性能。-使用扭矩。井下超扭矩会引起螺纹部分再次进扣，引起连接部位失效。在深井、超深井、大斜度定向井等苛刻条件下，会严
32、重降低钻铤的使用寿命。预防钻铤失效的措施减小螺纹处的应力集中，改善应力分布。-尽量采用数字型螺纹。-加工应力减轻槽或适当减小螺纹最后啮合处的螺纹牙高，减小螺纹根部本体刚度是提高钻铤疲劳寿命的有效措施。-螺纹滚压强化可使表面产生残余压应力，从而提高疲劳寿命。-螺纹镀铜不但可使表面产生残余压应力，还可改善螺纹啮合后局部产生的高盈利及应力集中。按标准加工螺纹，确保加工质量。注意钻铤连接部位的结构强度。-在选择螺纹连接类型及内外径尺寸时，是内外螺纹连接后的弯曲强度比近于平衡。-注意外径磨损后的内螺纹弯曲疲劳强度下降问题。材料性能应符合要求。P、S 含量不大于 0。035%，粘脆性要好，热处理应避免回火
33、脆性。使用方面，应严格按有关标准和规范要求执行，避免上扣不到位或过紧造成的不良影响。使用标准螺纹脂。9)钻杆腐蚀疲劳失效（1）钻杆疲劳失效过程：在腐蚀环境中观体内比产生腐蚀坑-腐蚀坑底产生腐蚀裂纹-以腐蚀裂纹为疲劳远在变动载荷和腐蚀介质作用下裂纹逐渐扩展-局部刺穿-整根管体断裂。大量失效分析中观察到，钻杆腐蚀疲劳失效大都发生在距内外螺纹接头端面内 0.5-1 米范围内的内加厚过渡区终了处。也有少量中间管体刺穿失效的事例。（2）钻杆过渡区腐蚀疲劳失效原因有：墩粗加厚时易产生皱褶、压坑。过渡段锥度部分过短且与管体交界处曲率半径太小，造成应力集中。该处内径由小变大易造成钻井液涡流或滞流，产生气蚀或由
34、于速度突然减慢，残留钻井液。钻杆接头及加厚部分刚性较高，不易弯曲，在狗腿子井段钻杆内加厚过渡区终了处正好是截面突变处，易产生弯曲。交变弯曲应力与蚀坑形成叠加，致使蚀坑迅速加深并萌生裂纹。管外过渡区与管内不同，管体比较光滑，且在钻井过程中经常受井壁摩擦，不利于形成蚀坑，在清洗和存放过程中易清洗，无留存，不易发生腐蚀。10)影响钻杆腐蚀疲劳寿命的主要因素介质腐蚀性的影响钻井液低 PH 值、高的溶解氧浓度会使钻杆的腐蚀疲劳强度大幅下降。H2S、CO2、溶解氧、盐、酸等都是影响钻柱腐蚀疲劳的主要腐蚀介质。而且几种介质同时作用，使腐蚀更加严重。-在大量 H2S 气侵的情况下，钻井液的 PH 值会降到 4
35、-5 左右，产生硫化物应力腐蚀和氢脆。硫化氢腐蚀的主要形态是全面腐蚀和很深的溃疡状腐蚀，在钻柱表面形成形状、大小、深度各异的大量的腐蚀坑河腐蚀条带，导致壁厚变薄、穿孔、破裂。- CO2 为弱酸性气体，荣誉钻井液后生成弱酸，并电离出 H+HCO3-CO32-，且井筒是高温、高压和高浓度的环境，对钻具形成非常严重的腐蚀。其形态为溃疡状腐蚀，严重时呈蜂窝状。气侵后可使腐蚀。-溶解氧腐蚀是在中性和碱性环境中发生的，而钻井液的 PH 值大多是中性和碱性。随着氧浓度的增加，腐蚀呈线性增加。它是钻柱使用寿命下降的最主要原因，虽然硫化氢和二氧化碳引起的后果是严重的，但毕竟能造成大量硫化氢和二氧化碳气侵的情况不
36、多，所以最普遍存在钻井液中溶解氧引起的各种形态的腐蚀，如腐蚀疲劳、缝隙腐蚀和点蚀。钻杆内表面有无内涂耐腐蚀有机材料层。10 结论1) 在深井和超深井的施工中必须使用高质量钻具，尽量采用大尺寸的钻杆，改善钻杆受力的同时可有效增加处理钻具事故的能力。2) 钻具组合时要充分考虑钻柱整体的刚度平滑过渡，避免刚度突变点，如不同尺寸的钻具同时使用时，要注意平缓过渡。钻井参数的合理选择；转速要避免井钻柱蹩跳钻及钻柱共振的产生。钻压要避免钻杆受压导致的钻具屈曲，发生偏磨，钻具断裂等。参考文献1黄汉仁,杨坤鹏,罗平亚.钻井液工艺原理M ,石油工业出版社.2李鹤林,李平全,冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防J.石油工业出版社,1999.3王新虎,冯耀荣.钻具螺纹接头牙载荷计算方法的探讨J.石油机械,1998.4林元华,施太和.复杂地层钻具接头力学性能模拟及应用J.钢铁,2005.
