超深井鉆井鉆具失效

1、超深井鉆井鉆具失效分析摘 要超深井鉆井在施工中經(jīng)常發(fā)生斷鉆鋌、卡鉆事故和井漏、井壁失穩(wěn)、鉆具偏磨等復(fù)雜情況。這些事故及復(fù)雜情況嚴(yán)重地制約了鉆井速度，同時(shí)造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。通過對(duì)鉆具失效情況進(jìn)行分析，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)今后超深井鉆井的施工有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞超深井鉆井；鉆具斷裂；鉆具失效；鉆具損傷內(nèi)容1 鉆具失效分析鉆具失效形式主要有鉆具斷裂、鉆具刺漏、鉆具內(nèi)螺紋接頭漲扣、鉆具內(nèi)螺紋接頭開裂、鉆具偏磨等等。尤其是在深井、超深井以及水平井、大位移井等復(fù)雜井的作業(yè)過程中，鉆具斷裂的危害尤其嚴(yán)重，輕者增加鉆井成本，延長鉆井周期，重者導(dǎo)致填井側(cè)鉆甚至于整井報(bào)廢。在深井、超深井等復(fù)雜井的鉆探

2、作業(yè)中，用雙扭矩臺(tái)肩的鉆具可以有效的提高鉆具承載能力，降低鉆具的斷裂失效事故，提高鉆具的安全可靠性。2 .1失效分析的程序和步驟失效分析程序圖：截取試樣金相分析微觀斷口分析化學(xué)成分分析常規(guī)力學(xué)分析確定失效的性質(zhì)綜合分析確定失效的原因下步改進(jìn)的措施現(xiàn)場調(diào)查及殘骸分析調(diào)查加工和服役歷史初步觀察分析無損檢測分析失效（故障）發(fā)生宏觀斷口分析2.2整個(gè)失效分析過程的幾個(gè)環(huán)節(jié)：收集失效件的背景數(shù)據(jù)。主要包括加工制造歷史、服役條件和服役歷史。失效件的外觀檢查。包括：失效件的變形情況，有無鐓粗、下陷、內(nèi)孔擴(kuò)大、彎曲、縮徑、斷面解理形狀等；失效件表面的加工缺陷，如：焊疤、折疊、瘢痕、刮傷、刀痕、裂紋等。斷裂部位

3、所在的位置，是否在鍵槽、尖角、凹坑等應(yīng)力集中處。觀察表面有無氧化、腐蝕、撕咬、磨損、龜裂、麻坑等。察看相聯(lián)件的情況。1）斷口分析：斷口記錄了斷裂材料主裂縫所留下的痕跡。通過對(duì)斷口形貌的分析，不僅可以得到有關(guān)部件使用條件和失效特點(diǎn)的資料，還可以了解斷口附近材料的性質(zhì)和狀況，進(jìn)而判明斷裂源、裂紋擴(kuò)展方向和斷裂順序，確定斷裂的性質(zhì)，從而找到斷裂的主要原因。鉆柱的服役條件及主要失效類型2）鉆柱的工作狀態(tài) 在鉆井過程中，鉆柱是在起下鉆和正常鉆進(jìn)兩種工序中交替工作的。起下鉆時(shí)，鉆柱處于受拉狀態(tài)；鉆進(jìn)過程中，其狀態(tài)比較復(fù)雜，處于由拉、壓、扭等狀態(tài)。在轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱好似一根細(xì)長的旋轉(zhuǎn)軸。在部分自重產(chǎn)生的軸向

4、壓力作用下，下部鉆具不穩(wěn)定呈彎曲狀態(tài)，由于受到井眼的限制，可產(chǎn)生多次彎曲；上部鉆具由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用不能保持直線狀態(tài)，再加上扭矩的作用，整個(gè)鉆柱成一個(gè)近似螺旋形曲線的形式進(jìn)行復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。成螺旋形的鉆柱在井中有公轉(zhuǎn)、自傳、自轉(zhuǎn)和反公轉(zhuǎn)三種運(yùn)動(dòng)方式。自轉(zhuǎn)-指整個(gè)鉆柱在井中繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。這樣的轉(zhuǎn)動(dòng)使鉆具均勻磨損，并經(jīng)受交變彎曲應(yīng)力而使鉆具產(chǎn)生疲勞。公轉(zhuǎn)-鉆柱在壓力、拉力、離心力和扭矩的聯(lián)合作用下，其軸線彎曲成變波平面正弦曲線形狀，整個(gè)軸線按轉(zhuǎn)盤的旋向繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)。這樣的旋轉(zhuǎn)式鉆具與井壁摩擦產(chǎn)生偏磨。反公轉(zhuǎn)鉆柱在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)過程中，由于受到鉆井液摩擦阻力、井壁阻力和井底地層對(duì)鉆頭抵抗力的影

5、響，會(huì)產(chǎn)生反公轉(zhuǎn)，從而使鉆頭橫向擺動(dòng)，影響鉆頭的使用和鉆具的使用壽命。3 鉆柱的受力分析鉆柱的受力狀態(tài)與所選用的鉆井方式有關(guān)，在不同的工作狀態(tài)和不同的位置作用著不同的載荷。概括起來，鉆柱在井內(nèi)主要受有以下幾方面力的作用：3.1 軸向力 有鉆柱自重、鉆井液對(duì)鉆具的浮力、井壁和鉆井液對(duì)鉆具的摩擦阻力、鉆壓等。一般情況下，井口的拉力最大，"中和點(diǎn)”下部鉆具因鉆壓的作用，承受壓力，井底壓力最大。在鉆井液中鉆柱受到浮力的作用，軸向拉力會(huì)減小；在起鉆過程中，鉆柱與井壁之間的摩擦力以及遇阻、遇卡，均會(huì)增大鉆柱上的拉伸載荷。下鉆時(shí)則與起鉆承載相反。徑向擠壓力起下鉆作業(yè)時(shí)，卡瓦對(duì)鉆柱產(chǎn)生的擠壓力。管外

6、液柱產(chǎn)生的擠壓力。地層形變產(chǎn)生的擠壓力。3.2 彎曲扭矩 彎曲力矩是因鉆柱上有彎曲變形存在而產(chǎn)生。正常鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)下部鉆柱受壓彎曲時(shí)，以及轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)中由于離心力的作用和井眼偏斜、彎曲等都能使鉆柱發(fā)生彎曲，于是產(chǎn)生彎矩。彎曲的鉆柱在繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)承受交變的彎曲應(yīng)力。最大的彎曲應(yīng)力產(chǎn)生在撓度最大處。3.3 離心力彎曲的鉆柱繞井眼軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，可使鉆柱更加彎曲，使彎曲應(yīng)力增加。3.4 扭轉(zhuǎn)力矩 轉(zhuǎn)盤通過鉆柱帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，破碎巖石，并克服鉆柱與井壁和鉆井液的摩擦阻力，使鉆柱承受扭轉(zhuǎn)力矩。由于受到井壁和鉆井液摩擦阻力的影響，井口的扭矩比井底大。當(dāng)在井底使用動(dòng)力鉆具（渦輪鉆具、螺桿鉆具等）時(shí)

7、，作用在鉆柱上的反扭矩，井底大于井口。鉆柱的振動(dòng) 鉆進(jìn)時(shí)，由于地層的軟硬不均、井底不平，特別是用牙輪鉆頭時(shí)，牙輪的滾動(dòng)，引起鉆柱縱向振動(dòng)，使“中和點(diǎn)”上下移動(dòng)，產(chǎn)生交變的擠壓應(yīng)力。當(dāng)外界周期的干擾力與鉆柱的固有頻率相同時(shí)，引起共振，出現(xiàn)劇烈的“跳鉆”。跳鉆會(huì)引起鉆柱的疲勞破壞。 鉆柱的旋轉(zhuǎn)還會(huì)使鉆具產(chǎn)生兩種振動(dòng)。第一種是由于鉆頭結(jié)構(gòu)、地層、鉆壓等因素的變化引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一臨界值時(shí)，鉆柱出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振，即“蹩跳”。第二種是橫向振動(dòng)。這是在轉(zhuǎn)速達(dá)到某一臨界轉(zhuǎn)速下，鉆柱出現(xiàn)的自激晃振擺動(dòng)，它會(huì)引起鉆柱的嚴(yán)重偏磨和彎曲疲勞破壞。3.5 動(dòng)載 起下鉆過程中，由于鉆柱運(yùn)動(dòng)速度的變化，會(huì)引起鉆柱

8、的縱向動(dòng)載，在鉆柱中產(chǎn)生縱向瞬時(shí)交變應(yīng)力。動(dòng)載的大小與操作有關(guān)。 由以上分析得知，井口和井底附近的鉆柱所承受的拉力、扭矩、彎曲和沖擊力等均較大。但上述幾種載荷有些是同時(shí)出現(xiàn)，使鉆柱的受力呈現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)。鉆柱的主要失效類型 根據(jù)上面對(duì)鉆柱服役條件的分析，鉆柱的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，失效的形式也多種多樣。既有靜載，又有沖擊載荷，而且拉、壓、彎、扭無一不有，且大都是交變載荷。工作時(shí)又要受到腐蝕、磨損、溫度及壓力的影響。歸納起來，主要有過量變形、斷裂和表面損傷三類。過量變形 它是由于工作應(yīng)力超過材料的屈服極限引起的。鉆柱的過量變形主要有螺紋部分的拉長，鉆桿本體的彎曲和扭曲（即螺旋形彎曲）。其中鉆桿本體的彎曲

9、和扭曲比較常見。斷裂5鉆柱斷裂原因分析 鉆柱的斷裂時(shí)有發(fā)生，在鉆柱失效中的比例較大，它的危害也嚴(yán)重。斷裂主要形式有過載斷裂、低應(yīng)力脆裂、應(yīng)力腐蝕、氫脆斷裂、疲勞斷裂和腐蝕疲勞破裂等。過載斷裂：它是由于工作應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度引起。如鉆桿遇卡提升時(shí)焊縫熱影響區(qū)的斷裂及蹩鉆時(shí)的鉆桿管體折裂。 1）低應(yīng)力脆裂：低應(yīng)力脆裂與表面或內(nèi)部存在缺陷及不良的顯微組織有關(guān)，也與受力部位交變頻繁受力有關(guān)。如焊縫的脆性斷裂、鉆鋌接頭螺紋部位脆性斷裂。低應(yīng)力脆性斷裂的主要特點(diǎn)是，脆斷時(shí)的使用應(yīng)力一般低于其屈服強(qiáng)度；易從應(yīng)力集中嚴(yán)重處斷裂，尤其受到?jīng)_擊載荷時(shí)更為顯著；宏觀斷口齊平，無明顯塑性變形。 2）應(yīng)力腐蝕斷裂：

10、它是鉆柱失效的常見形式。如鉆柱在含硫油氣井中硫化物應(yīng)力腐蝕破裂，鉆柱接觸某些腐蝕介質(zhì)（如鹽酸、鹽類）時(shí)的應(yīng)力腐蝕開裂。有經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)力集中處對(duì)腐蝕介質(zhì)的敏感度有增強(qiáng)作用，這對(duì)鉆具的失效具有不良的促進(jìn)作用。硬的和脆性鋼比韌性鋼更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。 3）氫脆：當(dāng)金屬晶格中吸附有過多的氫原子時(shí)，在拉應(yīng)力的作用下可使材料產(chǎn)生氫脆。實(shí)際上，由硫化氫和鹽酸引起的應(yīng)力腐蝕其本質(zhì)是由于氫的作用造成的，所以叫氫脆。尤其對(duì)高強(qiáng)度鋼更是敏感。在川東地區(qū)因地層含硫禁止使用高鋼級(jí)鉆桿，推薦使用抗硫鉆桿。疲勞：一般發(fā)生于鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)、鉆桿、鉆鋌和轉(zhuǎn)換接頭螺紋部位等截面變化區(qū)域或因表面損傷而造成的應(yīng)力集中區(qū)。如接頭

11、螺紋根部的疲勞斷裂（為此曾在螺紋根部端設(shè)計(jì)應(yīng)用應(yīng)力減輕槽），鉆桿過渡帶疲勞腐蝕刺穿和方鉆桿標(biāo)尺焊疤處材料組織的改變引起的應(yīng)力集中造成的疲勞腐蝕刺穿。 4）疲勞腐蝕：是交変載荷和鉆井液等腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用的結(jié)果，在鉆柱失效中約占40%，且以鉆桿為主。在鉆桿失效中，約80%為腐蝕疲勞。與普通疲勞一樣，裂紋產(chǎn)生于應(yīng)力集中嚴(yán)重部位或一表面腐蝕坑等為萌生裂紋源并擴(kuò)展。最典型的是鉆鋌螺紋根部的疲勞裂紋和鉆桿過渡帶疲勞裂紋刺穿。表面損傷 包括腐蝕、磨損和機(jī)械損傷三方面。表面損傷比較容易發(fā)現(xiàn)和判斷。腐蝕：均勻腐蝕，它是由于化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)造成的金屬暴露的全部表面或大部分表面上發(fā)生的腐蝕。如鉆具銹蝕。點(diǎn)蝕（小孔腐

12、蝕），如鉆桿存放或使用過程中內(nèi)外表面的不均腐蝕，點(diǎn)蝕常常會(huì)誘導(dǎo)腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕或脆性斷裂。縫隙腐蝕，如鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)表面褶皺處的鉆井液腐蝕。磨損：粘著磨損：如鉆具螺紋部位的磨損。磨料磨損：如井壁對(duì)鉆柱的磨損。沖蝕磨損：如鉆柱內(nèi)外表面及螺紋連接部分受到鉆井液的沖蝕損壞。機(jī)械損傷：如表面碰傷、焊疤、大鉗卡瓦及其他工具咬傷6、斷口分析 鉆具橫截面多為圓環(huán)形，造成斷裂的因素很多，所以其斷口形貌與典型試件的端口并不完全相同，但其基本特征是一樣的。掌握典型試件的斷口特征后，就可對(duì)鉆具斷裂事故進(jìn)行分析并推斷其斷裂原因。 斷口的宏觀分析 用肉眼或用放大倍數(shù)1-20北的放大鏡對(duì)端口進(jìn)行觀察。這種方法能全面地

13、觀察斷口，是斷口分析的主要手段。 從宏觀分析中大體可以判斷出斷裂的類型（韌性、脆性和疲勞），同時(shí)也可以大體上找出斷裂源和裂紋擴(kuò)展途徑，粗略地找出破壞原因。但由于其放大倍數(shù)太小，不能細(xì)致地觀察斷口的細(xì)節(jié)和微觀形態(tài)。 1、靜載下的斷口宏貌 1）光滑圓柱形試樣 光滑圓柱形試樣的靜拉伸斷口，一般是杯錐狀的。由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇所組成。（如圖）SFRSRF 圖A 光滑圓柱試樣的拉伸斷口S剪切唇；R放射區(qū)；F纖維區(qū) 斷裂裂紋起源于纖維區(qū)，并在此區(qū)緩慢地?cái)U(kuò)展，當(dāng)達(dá)到一定尺寸后（裂紋臨界尺寸），裂紋開始快速擴(kuò)展（或稱不穩(wěn)定擴(kuò)展）而形成放射區(qū)，此時(shí)材料由于有效面積的減小，應(yīng)力狀態(tài)則由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎蚱矫?/p>

14、應(yīng)力狀態(tài)，最后在平面應(yīng)力狀態(tài)的拉伸應(yīng)力作用下而破壞，形成剪切唇。 （1）纖維區(qū) 對(duì)于光滑圓柱試樣，纖維區(qū)往往位于斷口中央，成粗糙的纖維狀圓環(huán)形花樣特征。在正應(yīng)力作用下，由于縮頸而產(chǎn)生三向應(yīng)力，以最小截面處的軸向應(yīng)力為最大。這些三向應(yīng)力對(duì)于裂紋的產(chǎn)生有很大影響，某些非金屬夾雜物，滲碳體或某些第二相質(zhì)點(diǎn)，缺陷將促進(jìn)裂紋的形成。因此裂紋便在這些地方成核長大，裂紋擴(kuò)展的宏觀平面垂直于拉伸應(yīng)力方向。 對(duì)于單相金屬，普通碳鋼或珠光體鋼，首先在縮頸中央形成顯微空間，然后空洞長大，聚集而成鋸齒狀的纖維斷口。 對(duì)于合金，如強(qiáng)度較高的馬氏體，其纖維區(qū)則是由杯形剪切背所構(gòu)成。纖維區(qū)中央或接近中央的區(qū)域有一個(gè)或幾個(gè)圓

15、錐坑，是裂紋的起始處，即裂紋核心。大量實(shí)驗(yàn)說明，裂紋核心總有夾雜物存在。（2）放射區(qū) 與纖維區(qū)相鄰的是放射區(qū)，有放射花樣特征。纖維區(qū)與放射區(qū)交界線標(biāo)志著裂紋有緩慢擴(kuò)展向快速擴(kuò)展的轉(zhuǎn)化。放射線平行于裂紋擴(kuò)展的方向，而且垂直于裂紋前端的輪廓線，并逆向裂紋起始點(diǎn)。放射花樣也是有材料的剪切變形所造成，與纖維區(qū)不同的是在裂紋達(dá)到臨界尺寸后，快速低能撕裂，材料的宏觀塑性變形量很小，表現(xiàn)為脆性斷裂，但在微觀局部區(qū)域，仍有很大的塑性變形，所以放射花樣是剪切型的低能撕裂的一種標(biāo)志。（3）剪切唇 剪切唇在斷裂過程的最后階段形成。其表面光滑，與拉力方向呈45°角。在剪切唇區(qū)域中，裂紋擴(kuò)展也是快速的，但它是

16、在平面應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展。光滑圓柱試樣尺寸由小變大，其放射區(qū)增大很快，剪切唇稍有增加，而纖維區(qū)幾乎不變，可見對(duì)一定材料，其裂紋擴(kuò)展的臨界尺寸幾乎是一定的。（4）缺口圓柱試樣 其裂紋源位置在缺口處或接近缺口處。裂紋從表面向心部擴(kuò)展，其破壞區(qū)比其它區(qū)域要粗糙很多。這是因?yàn)榱鸭y向心部擴(kuò)展后，心部的應(yīng)力已由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)而發(fā)生韌性破壞的緣故。如果缺口較鈍，裂紋源也可能在試樣的心部形成。但由于試樣表面受缺口約束，所以剪切唇受到很大的限制，甚至不存在剪切唇。7沖擊斷口宏貌 沖擊斷口形貌如下圖所示。首先裂紋源在缺口附近形成，然后是纖維區(qū)、放射區(qū)。由于無缺口一邊是受壓應(yīng)力，裂紋又是快

17、速傳播的，所以當(dāng)拉應(yīng)力區(qū)的放射區(qū)進(jìn)入壓縮區(qū)時(shí)，放射區(qū)終止，再度出現(xiàn)纖維區(qū)，三個(gè)自由表面的剪切唇與其相連，連接邊呈弧形。有時(shí)放射區(qū)可能全部消失，而整個(gè)截?cái)嗝嬷挥欣w維區(qū)和剪切唇兩個(gè)區(qū)域。 疲勞端口一般有疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。 疲勞源是疲勞破壞的起始點(diǎn)。一般常在表面，但如果材料內(nèi)部存在嚴(yán)重缺陷，如脆性夾雜物、空洞、化學(xué)成分偏析等，也可能在內(nèi)部發(fā)生。疲勞源有時(shí)不止一個(gè)，尤其是超負(fù)荷疲勞，其應(yīng)力級(jí)較大，斷口上常出現(xiàn)幾個(gè)位于不同深度的疲勞源。 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)是疲勞斷口最重要的特征，其特征為貝紋狀花樣。這些條紋是裂紋前沿?cái)U(kuò)展時(shí)留下的痕跡。從疲勞源開始向四周推進(jìn)。并與裂紋擴(kuò)展方向垂直。當(dāng)裂紋擴(kuò)展

18、受到阻礙，或在使用過程中應(yīng)力級(jí)改變時(shí)，也會(huì)在斷口上留下相應(yīng)的貝紋狀推進(jìn)線。在實(shí)驗(yàn)室的恒應(yīng)力試驗(yàn)和低周次的疲勞試驗(yàn)中，這種宏觀的貝紋狀花紋觀察不到。 裂紋擴(kuò)展區(qū)對(duì)衡量材料的性能是很重要的，這個(gè)區(qū)大，表明裂紋臨界尺寸大，能較好地抵抗裂紋的擴(kuò)展。即有足夠的斷裂韌性。 瞬時(shí)斷裂區(qū)是最后斷裂區(qū)。是疲勞裂紋達(dá)到一定尺寸后，工件的有效面積大為減少，以致不能承受逐漸增大的應(yīng)力時(shí)而斷裂。對(duì)于脆性材料，瞬時(shí)斷裂區(qū)為結(jié)晶狀的脆性斷口，而對(duì)塑性材料，此斷裂區(qū)是纖維狀的塑性斷口，表面有剪切唇。 瞬時(shí)斷裂區(qū)的斷口形態(tài)與工件尺寸有關(guān)，當(dāng)材料一定時(shí)，工件截面積愈大，愈容易達(dá)到平面應(yīng)變條件，得到的是脆性斷口。 從瞬時(shí)斷裂區(qū)的大

19、小和位置，也能定性地估測工件負(fù)荷的大小。一般說，瞬時(shí)斷裂區(qū)面積越大，越靠近中心，則表示工件過載程度越大；相反其面積越小，其位置越靠近邊緣，則表示過載程度越小。8、沿晶斷裂和解理斷裂的宏觀特征 沿晶斷裂多屬于脆性斷裂，在一般正常熱處理的結(jié)構(gòu)鋼中很少發(fā)生，只有在手腐蝕介質(zhì)的作用時(shí)，才可能發(fā)生沿晶斷裂；有時(shí)在焊解熱影響區(qū)或焊縫中，由于“熱裂”作用也可能發(fā)生沿晶斷裂。 解理斷裂也屬于脆性斷裂，在這種斷裂中，裂紋主要沿解理面擴(kuò)展，有時(shí)也可在滑移面或晶面上擴(kuò)展，其斷口一般成人字形花樣。純解理斷口無人字形，而是結(jié)晶斷口。在粗晶中則可看到許多強(qiáng)烈反光的小平面，這就是解理平面，所以這種斷口又叫結(jié)晶狀斷口。9鉆具

20、失效分析和預(yù)防 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年發(fā)生鉆具事故數(shù)百起，經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元。在鉆具失效停用數(shù)量中，按多少順序排列，依次為：腐蝕坑-均勻磨損-卡瓦損傷-偏磨-裂紋-其他。在此，我們結(jié)合實(shí)際重點(diǎn)講述鉆柱腐蝕與疲勞。 鉆具的疲勞破壞是最常見的，這種破壞是疲勞發(fā)展的一個(gè)過程，隨著疲勞裂紋的逐漸發(fā)展，最終導(dǎo)致拉斷、扭斷或刺穿。再則，鉆井液對(duì)鉆具有腐蝕作用，所以鉆柱的內(nèi)壁腐蝕比較嚴(yán)重，檢測腐蝕和疲勞裂紋的工作難度較大，鉆桿管體內(nèi)壁的潛在危險(xiǎn)得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此，鉆桿的刺穿和折斷較多，這都與腐蝕和疲勞有關(guān)。 1）鉆柱脆性斷裂失效分析及預(yù)防 脆性斷裂是指材料斷裂前不產(chǎn)生或僅僅產(chǎn)生很小的塑性變形，斷裂過程中單位體積所消

21、耗的能量很低的過程。與之相對(duì)的韌性斷裂，則指斷裂前產(chǎn)生顯著的塑性變形，單位體積消耗的能量較高的斷裂過程。脆性斷裂沒有任何預(yù)兆，往往是突發(fā)性的，危害較大。脆性斷裂的主要特點(diǎn)斷裂時(shí)的使用應(yīng)力很低，一般低于屈服強(qiáng)度，故又稱低應(yīng)力脆斷。易從應(yīng)力集中區(qū)嚴(yán)重處斷裂，受沖擊載荷，尤為顯著。宏觀斷口齊平，結(jié)構(gòu)粗糙，有放射狀花紋或人字紋。失效事故常常與材料韌性低或使用溫度低于其韌脆轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。與構(gòu)件存在裂紋源（如疲勞裂紋、粘火裂紋等）有關(guān)。影響脆性斷裂的因素4）鉆柱疲勞失效分析及預(yù)防 疲勞失效在交變載荷（應(yīng)力）作用下，經(jīng)過長時(shí)間（或較多的應(yīng)力循環(huán)周次）運(yùn)轉(zhuǎn)后所發(fā)生的“突然”失效或破壞。鉆桿的疲勞失效是最常見的

22、，它是疲勞裂紋的發(fā)展過程，最后的形式是拉斷、扭斷或刺穿等。疲勞機(jī)理 在交變應(yīng)力作用下，在晶體面會(huì)產(chǎn)生細(xì)?。?0-7mm）的滑移帶，這些滑移帶往往成為萌生疲勞裂紋的區(qū)域。疲勞應(yīng)力越高，強(qiáng)烈滑移帶的數(shù)目越多，疲勞裂紋形成越早。另外腐蝕環(huán)境對(duì)疲勞裂紋的產(chǎn)生具有輔助作用，蝕坑也是裂紋源的滋生地。 鉆柱在井內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)呈現(xiàn)彎曲螺旋狀，在彎曲井段旋轉(zhuǎn)的鉆柱總要受到交替變化的彎曲應(yīng)力。鉆壓的變化、鉆柱中和點(diǎn)位置的變化，使中和點(diǎn)附近鉆柱承受交變的拉壓應(yīng)力。由于鉆頭交替接觸井底，地層的變化、轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)等引起縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的周期變化的干擾力，也使鉆柱受到交變應(yīng)力的作用。定向井技術(shù)的推廣、井下事故的處理等

23、使鉆柱的疲勞損壞更加嚴(yán)重。 疲勞失效的特點(diǎn) 斷裂突然發(fā)生，無明顯征兆。 破斷應(yīng)力低于材料的抗拉強(qiáng)度，而且常常還低于材料的屈服強(qiáng)度。 在交變應(yīng)力作用下，一般都在疲勞裂紋擴(kuò)展到一定長度后失穩(wěn)而發(fā)生突然破壞，而且疲勞斷裂過程在宏觀形貌上沒有留下明顯的塑性變形。宏觀斷口一般都有疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)等三個(gè)區(qū)域。對(duì)產(chǎn)品表面及材料本身的缺陷高度敏感。疲勞裂紋最易產(chǎn)生在材料最薄弱處。反復(fù)承受彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷，疲勞裂紋多萌生于表面。5） 鉆桿疲勞失效分析和預(yù)防 鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)處的應(yīng)力集中較大，該處是截面突變處，易發(fā)生彎曲，是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，是疲勞或腐蝕疲勞的危險(xiǎn)區(qū)。鉆桿在交變應(yīng)力的作用下，該處極易

24、產(chǎn)生裂紋，鉆井液在高壓作用下穿透裂紋，形成孔洞失效，當(dāng)刺穿孔洞連成一片時(shí)，鉆桿的承載能力下降從而導(dǎo)致斷裂。失效部位基本都發(fā)生于距內(nèi)外螺紋接頭臺(tái)肩450-550mm處，即內(nèi)加厚過渡區(qū)與管體交界處。 有資料研究表明，鉆桿內(nèi)加厚過渡區(qū)長度Miu越長，鉆桿的抗疲勞壽命也越高。如G105鉆桿在試驗(yàn)應(yīng)力幅為300MPa時(shí)，Miu70mm、R（內(nèi)錐面與管體交界處的曲率半徑）200mm的鉆桿疲勞壽命比Miu33-37mm、R25-37mm的大8倍以上，比Miu70mm、R200mm的大26倍以上。目前，標(biāo)準(zhǔn)尚未對(duì)Miu、 R做出統(tǒng)一的規(guī)定。以下是有關(guān)單位對(duì)部分國外廠家鉆桿Miu、 R的測量數(shù)據(jù)：鉆桿生產(chǎn)廠家M

25、iu，mmR，mm日本鋼管15-350-20日本住友金屬35-5010-70新日本制鐵40-6550-100德國曼內(nèi)斯曼40-7060-1506)鉆桿接頭螺紋的疲勞失效 鉆桿接頭螺紋的疲勞失效主要發(fā)生在兩個(gè)區(qū)域。一個(gè)是內(nèi)螺紋接頭里端的第一個(gè)完整螺紋附近（里端2-3牙處），一個(gè)是在外螺紋接頭臺(tái)肩側(cè)的第一個(gè)完整螺紋附近（大端1-2扣處）。這與螺紋嚙合時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。外螺紋與內(nèi)螺紋接頭的嚙合是從第三牙（即第一個(gè)完整螺紋）開始的，而內(nèi)螺紋則是從里端第2-3牙處與外螺紋接頭嚙合的，這兩個(gè)區(qū)域是連接區(qū)域內(nèi)較大應(yīng)力集中區(qū)。 鉆桿接頭螺紋斷裂失效相比鉆桿管體過渡帶刺穿比例要小得多。解決螺紋斷裂失效的辦法是改

26、變嚙合處的應(yīng)力狀態(tài)，即加工應(yīng)力減輕槽，但由于受到加工數(shù)量、材料成本的限制，似乎不太現(xiàn)實(shí)，因此，到目前為止，尚未見加工有應(yīng)力減輕槽的鉆桿在使用，僅有的是受力復(fù)雜的加重鉆桿、鉆鋌。7)鉆桿螺紋斷裂原因主要有： 螺紋根部圓角半徑過小，根部應(yīng)力集中大。 上扣扭矩過小，外螺紋在彎矩作用下第一完整螺紋嚙合處彎曲應(yīng)力劇增。 內(nèi)外螺紋接頭追堵無差配合不佳、旋合后剛度不相配合，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中。 鉆桿接頭吊卡臺(tái)肩處的疲勞失效 鉆桿接頭吊卡臺(tái)肩有兩種型式：90°和18°。 吊卡臺(tái)肩處是一截面突變處，尤其當(dāng)90°直臺(tái)肩過渡圓角半徑較小時(shí)，應(yīng)力集中較高，容易發(fā)生應(yīng)力疲勞裂紋刺穿或斷裂失效

27、。試驗(yàn)表明，直角臺(tái)肩處的圓角半徑大于6mm時(shí)，不容易發(fā)生疲勞破壞。當(dāng)直角臺(tái)肩處的圓角半徑小于5mm時(shí)，容易發(fā)生疲勞破壞。 案例：華北某鉆井隊(duì)在使用5”G105 90°鉆桿鉆進(jìn)至1800-2500m時(shí)接連發(fā)生吊卡臺(tái)肩根部刺穿、斷裂6起，后經(jīng)超聲波探傷發(fā)現(xiàn)58根鉆桿吊卡臺(tái)肩根部存有裂紋缺陷。該套鉆具吊卡臺(tái)肩根部曲率半徑小于5mm，根部應(yīng)力集中大，服役過程中在交變應(yīng)力作用下萌生疲勞裂紋，最后導(dǎo)致刺漏。8)鉆鋌疲勞斷裂失效 現(xiàn)場調(diào)查表明，鉆鋌的斷裂尤其是鉆鋌螺紋的斷裂在鉆鋌失效事故中占有相當(dāng)大的比例。與鉆桿接頭疲勞斷裂一樣，不同的是，鉆鋌螺紋斷裂失效幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆桿接頭，原因主要是鉆鋌的服役

28、條件比鉆桿要復(fù)雜。 鉆鋌疲勞斷裂特征鉆鋌的疲勞破壞十分普遍，不同的地區(qū)均可發(fā)生。但深井地區(qū)和地層復(fù)雜地區(qū)更容易發(fā)生。鉆鋌的疲勞斷裂與鉆桿的疲勞斷裂一樣，大多發(fā)生在井斜變化大、方位變化比較大的“狗腿子”井段及井內(nèi)。 鉆鋌疲勞斷裂均發(fā)生在接頭的螺紋部位。內(nèi)螺紋接頭斷裂面一般在距螺紋消失第4-6牙處，外螺紋的斷裂面則在接頭臺(tái)肩側(cè)（大端）的第1-2牙附近，即位于內(nèi)外螺紋連接的最后嚙合處。鉆鋌的疲勞斷裂裂紋一般起源于螺紋根部，并具有多源特征，與各種因素引起的應(yīng)力集中增大有關(guān)。 鉆鋌疲勞斷裂與尺寸有很大關(guān)系，尺寸越大，越易發(fā)生。內(nèi)外螺紋連接后的彎曲強(qiáng)度比對(duì)鉆鋌的疲勞失效又嚴(yán)重影響。 鉆鋌的疲勞失效與鉆鋌材

29、料的性能有關(guān)。低韌性的材料更容易發(fā)生早期疲勞失效。在苛刻井中，當(dāng)應(yīng)力集中較大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和材料韌性不足時(shí)，鉆鋌的疲勞失效極易發(fā)生。影響鉆鋌疲勞斷裂的因素螺紋結(jié)構(gòu)因素-螺紋類型不當(dāng)造成內(nèi)外螺紋彎曲疲勞強(qiáng)度不平衡。API RG 7G推薦，平衡連接是彎曲強(qiáng)度比為2.5：1，在鉆井條件潤需的范圍內(nèi)可在3.2：1-1.93：1之間變化。-不同的螺紋類型，其螺紋牙型及螺紋根部圓角半徑是不同的。選用具有較小圓角半徑的螺紋類型會(huì)在螺紋根部造成較大的應(yīng)力集中。螺紋類型螺紋牙型及代號(hào)螺紋根部圓角半徑，mmNC23-NC77平齒頂、圓齒底V-0.038型螺紋0.9652 3/84 1/2REG、 3 1/2FH、4

30、1/2FH平齒頂、圓齒底V-0.040型螺紋0.5085 1/28 5/8REG、 5 1/2FH、6 5/8FH平齒頂、圓齒底V-0.050型螺紋0.6354FH、2 3/85 1/2IF平齒頂、圓齒底V-0.065型螺紋0.381從表中可以看出，數(shù)字型（NC）螺紋根部圓角半徑較大，應(yīng)力集中系數(shù)較小。螺紋的加工質(zhì)量-螺紋根部形狀及圓角半徑。-臺(tái)肩面寬度。-接頭完整螺紋長度。-其他螺紋參數(shù)。外徑磨損及內(nèi)徑變大在實(shí)際鉆井中，由于內(nèi)螺紋外徑磨損比外螺紋內(nèi)徑磨損快得多，結(jié)果彎曲強(qiáng)度比相對(duì)減小。當(dāng)彎曲強(qiáng)度比降至2.0：1以下時(shí)，可能發(fā)生內(nèi)螺紋疲勞失效禍端不變形脹大直至縱裂。鉆鋌外徑磨損變小和內(nèi)徑變大時(shí)

31、，疲勞壽命會(huì)下降。材料性能影響 鉆鋌材料性能直接影響彎曲疲勞壽命和失效形式。在一定范圍內(nèi)，鉆鋌的抗拉強(qiáng)度越高，其彎曲疲勞極限越高。我國鉆鋌用鋼為中碳合金鋼。扭矩的影響-上扣扭矩。上扣扭矩太小，臺(tái)肩負(fù)荷不夠，壓不緊工作時(shí)易于分離，螺紋根部應(yīng)力增大，容易發(fā)生早期疲勞失效，而且也易失去密封，造成鉆井液刺損螺紋和密封臺(tái)肩面。同時(shí)還容易造成二次進(jìn)扣，導(dǎo)致內(nèi)螺接頭脹大或縱裂，或外螺紋接頭危險(xiǎn)界面上的應(yīng)力增高，也易發(fā)生早期疲勞失效。上扣扭矩過大，會(huì)使螺紋部分的應(yīng)力集中增大，疲勞壽命降低，也易使密封臺(tái)肩面擦傷而影響密封性能。-使用扭矩。井下超扭矩會(huì)引起螺紋部分再次進(jìn)扣，引起連接部位失效。在深井、超深井、大斜度

32、定向井等苛刻條件下，會(huì)嚴(yán)重降低鉆鋌的使用壽命。預(yù)防鉆鋌失效的措施減小螺紋處的應(yīng)力集中，改善應(yīng)力分布。-盡量采用數(shù)字型螺紋。-加工應(yīng)力減輕槽或適當(dāng)減小螺紋最后嚙合處的螺紋牙高，減小螺紋根部本體剛度是提高鉆鋌疲勞壽命的有效措施。-螺紋滾壓強(qiáng)化可使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞壽命。-螺紋鍍銅不但可使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，還可改善螺紋嚙合后局部產(chǎn)生的高盈利及應(yīng)力集中。按標(biāo)準(zhǔn)加工螺紋，確保加工質(zhì)量。注意鉆鋌連接部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。-在選擇螺紋連接類型及內(nèi)外徑尺寸時(shí)，是內(nèi)外螺紋連接后的彎曲強(qiáng)度比近于平衡。-注意外徑磨損后的內(nèi)螺紋彎曲疲勞強(qiáng)度下降問題。材料性能應(yīng)符合要求。P、S含量不大于0。035%，粘脆性要好，熱處理應(yīng)避免回火脆性。使用方面，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求執(zhí)行，避免上扣不到位或過緊造成的不良影響。使用標(biāo)準(zhǔn)螺紋脂。9)鉆桿腐蝕疲勞失效（1）鉆桿疲勞失效過程：在腐蝕環(huán)境中觀體內(nèi)比產(chǎn)生腐蝕坑-腐蝕坑底產(chǎn)生腐蝕裂紋-以腐蝕裂紋為疲勞遠(yuǎn)在變動(dòng)載荷和腐蝕介質(zhì)作用下裂紋逐漸擴(kuò)展-局部刺穿-整根管體斷裂。大量失效分析中觀察到，鉆桿腐蝕疲勞失效大都發(fā)生在距內(nèi)外螺紋接頭端面內(nèi)0.5-1米范圍內(nèi)的內(nèi)加