钻具断裂的失效分析及预防

张孝兵 海照新 陈保民(川庆钻探工程公司长庆钻井总公司，陕西 西安 710018)

钻具断裂的失效分析及预防

张孝兵 海照新 陈保民(川庆钻探工程公司长庆钻井总公司，陕西 西安 710018)

油气田勘探开发过程中钻具受力状态十分复杂，所以其失效形式也多种多样。如过量变形、断裂、表面磨损等。发生井下钻具断裂事故，处理费用数额大，更甚者会发生打捞失败而弃井。通过多年井下钻具断裂事故的处理经验、案例分析及试验研究总结出，大多数的钻杆断裂事故都是由于疲劳而引起的。

失效;疲劳;过量变形;钻具断裂

1 钻具断裂事故发生的一般规律

在钻井实践中观察到的大量钻杆断裂现象可概括为：①钻杆大多数的断裂事故发生于旋转钻进过程中或在钻进后立即提离井底的时候；②大多数断裂发生在据钻杆接头1.2米的范围内；③管体的疲劳和腐蚀疲劳断裂均发生在内加厚过渡区消失处；④在有腐蚀性的洗井液中将引起管体或接头严重坑蚀，从断裂面上看到的这些裂纹是从内表面的腐蚀斑点开始的；⑤上提遇卡而拔断钻杆，断裂位置通常发生在已经产生疲劳裂纹，但尚未发展成为断裂的部位；⑥钻杆接头螺纹的疲劳断裂多发生于内螺纹接头大端第一和第二螺纹牙根部或外螺纹接头大端第一和第二螺纹牙根部。

2 钻具断裂事故中钻具的失效形式

2.1 钻杆管体的疲劳和腐蚀疲劳断裂

钻杆发生疲劳和腐蚀疲劳断裂破坏的主要原因是由于钻杆在弯曲井眼中旋转时发生周期性交变旋转弯曲应力以及井下腐蚀介质共同作用所致。

影响钻杆疲劳和腐蚀疲劳断裂的主要因素：①钻杆材料的抗拉强度和疲劳极限的影响；②钻杆材料冲击韧性的影响；③钻杆表面质量的影响；④腐蚀环境的影响；⑤拉伸和弯曲的组合影响；⑥累计疲劳。

2.2 钻杆内加厚过渡区刺穿失效事故

在钻杆管端镦粗加厚工艺控制过程中，由于内加厚过渡区太短，在钻杆使用中，在该区产生严重的应力集中，进而导致腐蚀集中并形成较深的腐蚀坑。在旋转钻井过程中，钻杆受到旋转弯曲交变载荷的作用，在腐蚀坑底产生疲劳裂纹，最终导致钻杆刺穿或断裂，这属于钻杆的腐蚀疲劳断裂。

2.3 内涂层钻杆加厚过渡区刺穿失效事故（内刺穿）

由于钻杆（内涂层）内加厚过渡区的形状不良，在钻杆使用时导致局部涂层脱落并产生集中腐蚀（涂层脱落处的腐蚀速率要远远高于正常的腐蚀速率），很快会产生较深的腐蚀坑。在旋转钻井过程中，钻杆受到旋转弯曲交变载荷的作用，在腐蚀坑底产生疲劳裂纹，最终导致钻杆刺穿或断裂，这也属于钻杆的腐蚀疲劳

2.4 内涂层钻杆管体刺穿失效事故（外刺穿）

内涂层钻杆在涂层质量可靠、完好的情况下，解决了内加厚过渡区的腐蚀疲劳破坏问题，但钻杆外表面的腐蚀问题仍然存在。钻井时，钻杆在钻井液的腐蚀作用下，外表面会产生腐蚀坑，而管体中部的腐蚀坑在旋转钻进时会被井壁或套管磨平，但距离接头密封面约1.5m范围内的外表腐蚀坑却磨不到，且钻杆上距离接头1～2m处的弯曲应力最大（接头的刚度远大于管体）；在旋转弯曲交变载荷的作用下，这些腐蚀坑低将会会产生疲劳裂纹，一旦疲劳裂纹形成，很快就会扩展穿透钻杆壁厚（裂纹由外向里扩展），发生钻杆刺漏事故。多起类似的内涂层钻杆的刺穿失效案例的失效分析结果已证明了这一点。

2.5 钻杆的过量变形

这是由于工作应力超过材料的屈服强度引起的。如钻杆接头在过载情况下螺纹部分变形伸长，钻杆管体弯曲及扭曲变形。

2.6 钻杆的过载断裂

这是由于工作应力超过材料的抗拉强度引起的。

2.7 钻杆的应力腐蚀断裂及氢脆

钻杆在含有H2S钻井液中的腐蚀是一种氢去极化过程，铁

溶解和析氢分别在阳极和阴极上进行：

阳极反应：Fe→Fe++2e

阴极反应：2H++2e→Had+Had→H2↑

Hab→钢种扩散

式中Had为表面上吸附的氢原子，Hab为钢中吸收的氢原子。

原子态氢将在材料内的各种缺陷如第二相、晶界、空穴等处聚合成分子氢。氢的不断增加会在这些缺陷处形成压力很高的氢气区。对于低强度钻杆，由于其材料塑性较好，所以在靠近表面处使金属变形外凸，形成鼓泡；而较内部的缺陷处，高压氢使材料产生阶梯形裂纹或分层，随着裂纹的连接可以变成贯穿裂纹，从而引起钻杆的破裂。

2.8 钻杆接头的疲劳断裂

钻杆内螺纹接头的疲劳断裂多发生于大端第一和第二螺纹牙根部。其主要原因是内螺纹接头的弯曲强度比不足和断裂位置螺纹根部的应力值高。钻杆外螺纹接头的疲劳断裂多发生于大端第一和第二螺纹牙根部。其主要原因是内外螺纹接头配合不良（紧配合）外螺纹接头断裂位置螺纹根部的应力值高

2.9 钻杆接头的胀大失效

钻杆接头的胀大或密封台肩面变形的原因为：上扣扭矩不足及钻进中遇到卡钻、蹩钻。

预防措施：按照API RP 7G推荐扭矩上扣、提高接头的抗胀扣能力（提高接头材料强度、提高接头抗扭强度）、选用双台肩钻杆接头、优化钻杆尺寸、减少卡钻、蹩钻。

钻杆接头的胀大或密封台肩面压陷变形失效见上图

2.10 钻杆直角台肩根部疲劳断裂

钻杆内螺纹接头结构型式不合理及直角台肩根部应力集中导致直角台肩根部疲劳失效（现在已很少发生）。应优先选用18°锥度台肩；改进内螺纹接头水眼结构。

2.11 钻杆接头的纵裂失效

钻杆接头材料韧性不足和扭矩过大导致接头纵裂。

2.12 钻杆内螺纹接头的外表面热裂纹

钻杆接头与井壁或套管摩擦瞬时产生大量摩擦热，局部温度超过材料的相变温度，发生组织变化，热应力和组织应力一旦超过材料的破断强度即产生摩擦裂纹。

2.13 钻杆接头的磨损失效

粘着磨损。造成粘扣的主要原因有钢材硬度不够、螺纹主要参数不达标、使用铅油不符。

2.14 钻杆接头的刺漏失效

接头密封台肩面尺寸小、上扣扭矩不足、井下弯曲应力过大以及拉应力过大导致钻杆接头密封面刺漏。API标准已修订了钻杆接头密封台肩面尺寸规定，而且现也普遍采用扭矩大钳上扣，此类失效事故现已很少。

3 预防措施

（1）科学管理，对钻具进行分级管理，根据施工井型配发不同级别的钻具。

（2）合理使用，操作过程中杜绝超负荷提、拉钻具。

（3）严格检验，对回收钻具通过科学有效的检测仪器如漏磁设备、内窥镜等进行检验。