石油钻杆接头的疲劳分析

黄志敏

[摘 要]钻杆是地质钻探和石油开采的重要工具，在钻井过程中，它是连接地面和地下的枢纽。钻杆通过钻杆接头相连接，接头上加工有内、外螺纹，用以连接各单根钻杆。在钻井过程中，钻杆接头受力复杂、工作环境非常苛刻，它往往是钻井设备与工具中的薄弱环节。钻杆接头的疲劳破坏、刺漏及扭断事故是常见的钻井事故，其中钻杆接头抗疲劳性能是目前研究的重点。

[关键词]石油行业；钻杆接头；疲劳分析

中图分类号：TE921.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0031-01

钻杆是石油天然气钻井的最主要工具，主要由钻杆管体和钻杆接头两部分通过焊接的方式连接在一起制造而成。为了保障焊缝部位的整体性能，在焊接之前对钻杆管体端部进行墩粗加厚，实现与钻杆接头的等尺寸连接。钻井过程中，钻杆既要承受复杂的交变载荷作用，受到腐蚀、磨损等多种不利因素的影响，极易发生失效事故。钻杆的主要失效部位包括钻杆管体、钻杆管体端部加厚结构消失部位及钻杆接头螺纹连接部位。钻杆失效事故的发生不仅严重影响了钻井速度，增加了钻井成本，严重时甚至可能会导致整口井报废，造成巨大经济和社会损失。因此研究石油钻杆接头的疲劳现象极为必要。

一、石油钻杆接头疲劳失效现象产生的原因

钻杆疲劳破坏的原因是钻杆在弯曲井眼中旋转时，钻杆体承受周期性交变合应力所致。当钻杆钻探到弯曲井眼处，它的一侧会先受压，然后受拉，再受压，如果钻杆体存在微小裂口，这个缺口就会周期的受拉压，发生疲劳扩展，最后张开破坏。当钻杆的屈服强度远大于平均应力的情况下，在有交变弯曲应力作用的物体上，其不规则的微小裂纹会逐渐发展变成大裂缝，然后破坏，最后低应力疲劳断裂失效。当平均应力非常高，但交变应力循环次数少时，也会产生疲劳断裂，产生低应力疲劳破坏。螺牙的剪切失效和疲劳断裂是钻杆螺纹的疲劳破坏的两种形式。钻杆承受的动载弯矩或钻孔某处的弯曲都将使钻杆承受交变弯曲应力的作用，引起疲劳破坏。由于钻杆螺纹接头比其本体的刚性要小很多，所以钻杆接头螺纹上容易发生应力集中现象，同时螺纹起着切口的作用，因此超过60%钻杆失效均发生在接头的内外螺纹上。外螺纹接头和内螺纹接头的最后一道螺纹附近存在最大弯曲应力，经常在接头的最后一道螺纹根部处发生断裂。

（一）螺纹结构与钻杆疲劳的关系

在具体钻井的过程中，由于钻杆接头需要承受持续的复合荷载力，这样就极为容易在螺纹牙底部位置产生集中的应力，进而导致出现疲劳断裂现象。通常而言，外螺纹接头的断裂多产生于螺纹大端的第2牙或者是第3牙螺纹的根部位置，相比较而言，内螺纹接头经常于最后啮合部位的螺扣处出现断裂现象。可以说，导致螺纹出现疲劳现象的关键因素在于螺纹牙载荷的不均匀分布。就结构角度而言，螺纹的几何形状和螺纹的锥度则是影响螺纹牙荷载的关键要素。

（二）加厚过渡段结构与钻杆疲劳的关系

因为钻杆接头的厚度通常大于钻杆管体的厚度，所以需要在中间位置设置一个过渡结构，也就是我们常说的钻杆加厚过渡。其主要作用在于加强管体和接头的连接强度。因为该位置的钻杆截面极为可能出现突变现象，一旦承受荷载，加厚过渡结构的末端就容易产生一个高应力区。而不同形状的加厚过渡段则显著影响着应力的集中情况，通常而言，加厚过渡段的几何形状受制于过渡区的轴向长度Miu和过渡圆角半径R。据相关研究显示，Miu越长，R越大，此处的应力集中就越小，加厚过渡段的疲劳强度越高。

二、提高钻杆接头抗疲劳措施

材料的疲劳特性可用最大应力、应力循环次数、应力比（循环特性）来表述，在一定的应力比值下，当循环次数在 103-104时属于低周期疲劳，当循环次数低于 103时，属于静应力强度，当大多钻杆接头承受变应力时，通常其应力循环次数大于 104，属高周疲劳。影响钻杆接头的疲劳强度的因素很多，比如材料受到的极限应力、应力状态、工作环境、加工工艺和加工质量，可以从这些方面加以改进。第一，材料。钻杆接头的材料选择不仅要满足其静应力还要考虑其抗疲劳的特性。一般尽量提高钻杆接头材料的切口敏感性，接头材料的断裂韧性值，这样裂纹扩散的速度就会减慢，同时还要注意其轧材的纤维方向和其主要受力方向尽量一致和材料的抗腐蚀性能等；第二，减缓应力集中值。应力集中是产生接头疲劳破坏之源，钻杆接头的疲劳破坏通常在其应力最大处开始，在钻杆接头的设计中要尽可能的避免应力集中现象的出现；第三，降低载荷和降低工作温度。实践已经证明，钻杆接头在较低的交变应力下，不易发生疲劳裂纹，即便其发生裂纹，在低载荷下其裂纹扩散的速度也很慢。在工况下，要避免钻杆的超载，降低钻杆的工况温度，对提高其抗疲劳特性也有很大帮助；第四，增加加工精度。减少表面微观不平的凹坑，钻杆接头破坏常常在表面开始，裂纹通常在表面质量差的地方产生。

三、钻杆接头结构的改进分析

（一）螺纹结构改进

由上文的分析可以得知，之所以导致钻杆接头失效现象，主要原因在于连接螺纹的几何形状以及所产生的集中应力。在持续交变循环的应力作用之下，螺纹的牙底极为容易出现应力集中现象，进而诱发疲劳裂纹的产生。疲劳裂纹在经受切应力以及腐蚀力的作用之下，会出现反复的塑性变形，进而逐渐扩大，直至最后导致疲劳断裂现象的产生。通常而言，公接头出现断裂现象，多发生在螺纹大端的第2以及第3牙螺纹的根部，而母接头出现断裂现象，则多产生在最后几牙的螺纹位置。现阶段，在大部分油气开采过程中，多使用的是API接头螺纹。然而由于其结构自身的缺陷性，使得在具体应用过程中，公接头的大端螺纹根部容易产生较高的应力水平，且应力的集中也比较大，这样自然会导致疲劳裂纹的产生。

针对这种现象，可以对钻杆接头进行适当的改进，据相关研究显示，可以采用一种新型的钻杆接头螺纹。其主要改进要点在于：基于之前所开发的牙底大圆弧螺纹基础上，并确保内螺纹的锥度为1：6不变，而外螺纹的锥度则改变为1：6.23。和普通的API接头螺纹结构相比较，这种新型的螺纹结构形式能够促使应力更加均匀的进行分布。例如HLDS-38型双台肩接头为例，经有限元分析结果表明，采用本设计以后，接头前三牙螺纹应力可比常规HLDS-38接头降低30%以上。

（二）过渡段结构改进

研究设计出一种新型过渡段结构。与以往内加厚过渡段形式不同，该结构将过渡段分为两个锥面和过渡圆角，有利于应力在过渡段部分更均匀分布，降低内加厚过渡区消失点处的应力集中，提高了加厚过渡段的疲劳强度。

（三）接头整体结构改进

对于钻杆来讲，抗扭性能是其最重要的性能指标之一而接头部分的抗扭性能一般远低于管体，成为整个钻杆柱中的薄弱环节。如何提高钻杆接头的抗扭性能是每个钻杆生产厂均十分关心的问题。上海海隆石油管材研究所在现有技术的基础上，最近成功开发了一种新型定向钻杆接头HLBT-8A，具有优良的抗扭性能，可以满足在较硬底层幵采煤层气的要求，已经获得了应用。

总而言之，石油钻杆通过螺纹接头首尾相连，从而实现钻井过程中的扭矩传递以及冷却液传输，是石油勘探及开采过程中的主要设备。钻杆转换接头在钻井过程中工作条件恶劣，是钻杆最容易发生失效的区域，因此它是决定钻杆质量以及使用寿命的关键。文章分析石油钻杆接头出现疲劳失效的主要原因，改进措施，最后以API接头为例，重点分析了接头结构的改进方法，期望对同行能够有所借鉴。

参考文献

[1] 马荣峰.钻杆接头仿生抗疲劳研究[D].吉林大学，2013.

[2] 任辉.API石油钻杆接头应力分析及结构改进研究[D].华东理工大学，2011.