失效分析是分析判断材料的失效模式、性质、原因、研究失效事故处理方法和预防再失效的技术活动与管理活动，是一种科学的分析方法。本文将对钻杆失效进行分析。钻杆很容易受到磨损以及腐蚀等问题的影响从而引发失效事故。而仅仅是在我们国家的油田之中发生的钻杆失效事故就多达数百起，钻杆失效不仅会造成极大的经济财产的损失，并且常常影响到工程的进度，后果十分严重。失败乃是成功之母，通过研究钻杆失效，推进提高钻杆质量以及加强研究钻杆的使用和管理，尽量避免失效事故。

 

　　1失效类型分析

 

　　在钻进过程中的受力繁杂，不仅仅是拉力，还有各种应力，因此失效的种类十分复杂，环境也很苛刻，井下的介质之中还包含有一些具有腐蚀性质的液体，而钻具运转起来后会促使钻杆与井壁之间产生高频率的撞击以及摩擦。钻杆失效的类型种类繁多，主要可以概括为三大类型：断裂失效或者是刺穿失效；表面受损以及过量变形。断裂或者是刺穿失效在失效事故比较常见，疲劳以及腐蚀等因素是罪魁祸首。而腐蚀也极易造成表面受损，机器磨损也是表面受损。当所受到的应力超过钻杆能承受的极限的是，则会引起过量变形[1]。

 

　　1.1断裂失效

 

　　①过载断裂：如“鳖钻时的钻柱体断裂”，“钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂”。

 

　　②氢脆断裂：金属中的氢含量过多时，材料在拉力和应力的作用下很容易产生氢脆。很多人不知道，由硫化氢和盐酸引起的钻柱应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。

 

　　③应力腐蚀断裂：如“钻杆接触某些腐蚀介质时的应力腐蚀开裂”，“钻柱在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂”。

 

　　④低应力脆断：此类失效在钻杆失效中占了很大的比例，是最危险的断裂方式之一。这种断裂主要是由于疲劳损伤引起的，它经常发生在钻铤和转换接头处。这种断裂发生前完全没有预兆，所以经常在不知不觉中造成安全事故。

 

　　⑤疲劳断裂：钻杆接头、钻铤和转换接头螺纹部位等区域容易发生疲劳断裂，螺纹根部、焊缝及划伤等缺陷处会出现应力集中的区域也容易发生疲劳断裂。另外，缺口根部应力比其他区域高出好几倍，所以一旦有缺陷，会很快的发生裂纹并扩展，直到断裂。

 

　　⑥腐蚀疲劳断裂：这种断裂在钻杆失效中经常发生，约占钻杆失效的80%。其裂纹一般也是在应力集中严重的部位以及表面有腐蚀坑的区域萌生并扩展[2]。

 

　　1.2过量变形

 

　　如“钻杆本体超过极限的弯曲及扭转”，“钻杆接头在受载情况下螺纹部分的伸长”。

 

　　1.3磨损失效

 

　　①磨损，主要有三种磨损，分别是粘着磨损、磨料磨损、冲蚀磨损。例如：粘着磨损中的钻铤及转换接头螺纹部位的磨损，磨料磨损中的螺纹脂中的杂质对螺纹的磨损，冲蚀磨损中的钻杆内外表面及连接螺纹受到钻井液的冲蚀磨损。②腐蚀，主要有三种腐蚀，分别是均匀腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀。例如：均匀腐蚀中的钻具锈蚀，小孔腐蚀中的钻杆存放或使用过程中内外表面的点蚀，缝隙腐蚀中的内外螺纹接头连接处未啮合部位的腐蚀。③机械损伤，例如：工具的压痕，烧伤，碰伤等等。

 

　　2钻杆早期失效原因分析

 

　　钻杆结构和材料，地层因素，井眼因素，钻具的组合及钻井工艺操作不当，加工的原因，偏磨，螺纹密封脂，钻井液，钻柱振动，流体介质，钻进时钻杆的基本力学工况，温度，风沙等等，以上因素互作用的结果就是导致钻杆失效[3]。

 

　　2.1材料本身因素

 

　　主要表现在两个方面：一是材料成分不恰当。有的材料本身比较粗糙，夹杂物多，晶粒粗大，这样很容易引起断裂。二是材料钢级选择不当。我们都知道，强度高的刚更容易发生氢脆断裂。钢级钻杆的腐蚀疲劳强度并不是随着钢级强度升高而增加，而是随着钢级强度的升高而降低。所以，我们一般选择屈服强度低于634MPa的钢材，以减少氢脆破坏的发生。

 

　　2.2地层因素

 

　　一般钻杆失效的情形都发生在深井中，主要是因为浅井中的岩石硬度不高，震动力小，不容易发生疲劳破坏。而对于深井来说，岩石硬度大，震动力大，极容易发生疲劳破坏。不同的地层构造，对钻杆接箍研磨程度的大小也大不相同。可钻性差的地层很容易使钻杆发生疲劳失效的情形。这些都表明地层也是造成钻杆失效的重要原因之一[4]。

 

　　2.3井眼因素

 

　　井眼因素主要包括两个方面：一是井径不规则，井径扩大极容易造成钻柱弯矩。二是缩径，缩径是指井径缩小，这主要是由于地层泥页岩吸水膨胀造成的，稳定器通过缩径之后的井口时，会产生较高的扭矩，加剧钻柱的疲劳破坏。

 

　　2.4操作不当

 

　　①顿钻容易使钻具弯曲并失去弹性，最终造成过载断裂。

 

　　②起下钻时不能猛提猛刹，否则容易增加井口处的轴向载荷，导致钻具过量变形。在大钩上发生作用的载荷超过钻具的屈服极限时，钻具或接头螺纹就会被拉长变形，最终也可能导致过载断裂。

 

　　③中和点以上的一段钻杆内经常发生蹩钻，蹩钻的发生是由于钻具上扣扭矩偏小，蹩钻极容易使钻杆发生扭曲，超扭矩部分会引起螺纹部分再次进扣，这样就会使钻具涨扣，于是连接部位便会失效。

 

　　④上卸扣时，不可用力使用大钳，否则会使管体外表面留有牙痕。这些痕迹极可能诱发应力腐蚀纹，造成断裂失效，所以操作一定要得当。

 

　　⑤上扣扭矩问题：上扣扭矩不足就不能产生足够的弹性压缩变形。发生弯曲后的钻铤就会导致台肩分离，这样，公接头由于得不到台肩的支撑，在公母接头相互接触的台肩处没有足够的负荷，所以难以与母接头啮合，就很容易产生疲劳破坏。台肩分离之后，公母接头之间会有空隙，高压泥浆就会从这个空隙中喷出来，破坏螺纹和台肩。总的来说，小尺寸钻铤上扣过紧，大尺寸钻铤上扣扭矩不够，这些现象经常会发生[5]。

 

　　⑥螺纹脂主要有两个作用：一是防止粘扣，为了避免金属的直接接触，所以在螺纹和台肩之间涂上螺纹脂。二是起到密封作用，密封公母接头之间的空隙。选择性能良好的、符合井下钻具要求的螺纹脂很重要。如果选择的螺纹脂和金属添加剂都不符合要求，那么在极高的扭矩以及强大的压力作用下，油膜就会逐渐消失，刺扣和粘扣的现象就会发生。沙子或泥土掉入螺纹脂中，都会给螺纹脂造成极大的污染，这样钻铤接头的擦伤和密封就会不严实，所以一定要妥善保护好螺纹脂。另外要注意的是台肩处的螺纹脂一定要均匀涂抹，不要留空白，否则很容易发生粘扣现象。

 

　　2.5加工的原因

 

　　①钻杆内加厚过渡区应力集中。

 

　　②接头完整螺纹长度低于标准范围。

 

　　③螺纹加工质量差。

 

　　④焊接工艺不良。

 

　　⑤内外螺纹接头锥度误差配合不佳。

 

　　⑥台肩面宽度小于标准值。

 

　　⑦钻铤没有加工应力分散槽，热处理不当。

 

　　⑧外径磨损及内孔增大。

 

　　⑨螺纹类型不当。

 

　　⑩钻杆接头吊卡台肩处圆角半径过小。

 

　　2.6温度

 

　　①低温。低温中的材料的冲击力值也很低，极容易引起冷脆断裂；低温状态下很难上扣扭矩。

 

　　②高温。高温会加快腐蚀速度；高温下的螺纹密封脂的性能会下降。

 

　　2.7钻柱振动

 

　　钻柱的剧烈振动会使钻柱台肩负荷以及弹性压缩量发生很大的变化。当台肩处的弹性压缩量发生变化时，也会导致接头两螺纹间的间隙发生变化。间隙变化会引起泥浆的强烈冲击，瞬时高压还可以达到原高压泥浆的数倍。随着间隙的变化，高压泥浆就会挤入螺纹之间，反反复复之后，螺纹很容易就会被冲坏。钻柱的振动是引起螺纹刺扣的主要原因，剧烈的振动则是引起粘扣的主要原因[6]。

 

　　2.8流体介质

 

　　钻井液循环系统并不是完全密封的，所以氧气很容易在钻井液的循环过程中混人钻井液中，形成一种叫游离氧的物质。泥浆中混入到一定的氧气时，就会对钻杆表面造成腐蚀。倾入到钻井液中的H2S、CO2、HCI都会对钻杆造成腐蚀。

 

　　3失效分析的改进方法

 

　　3.1改进钻杆内加厚过渡带的结构

 

　　三十年前，我国经常发生钻杆内加厚过渡带刺漏失效的事故，其主要原因是钻杆内加厚过渡带短，过渡的圆弧太小，存在较大的应力集中。为了减少失效事故的发生，提高钻杆的使用性能，优化改进加厚过渡带的结构是必不可少的。随着科学技术的不断发展，经过科研人员不断深入的研究和探讨，总结出了钻杆内加厚过渡带长度应当不小于76.2mm，过渡带消失位置圆弧应当不小于300mm，但在国内外生产钻杆的内加厚过渡带长度普遍还是在100mm左右。总的来说，钻杆内加厚过渡带的优化有效的降低了大批量的刺漏失效事故发生[7]。

 

　　3.2钻杆内涂层的开发和应用

 

　　钻杆材料的本质其实是一种中碳合金钢，这种材料在存放中往往会受到外部环境的影响而腐蚀，钻杆内壁腐蚀情况更严重。长期经受腐蚀的钻杆壁厚会逐渐变薄，久而久之，钻杆承受载荷的能力会慢慢降低，不仅如此，腐蚀产生的腐蚀坑很容易导致应力集中，钻杆很容易出现裂纹。据统计，腐蚀导致的腐蚀失效和腐蚀疲劳失效是导致钻杆失效最主要的原因。基于这个事实，内涂层钻杆的研发应运而生，它在提高钻杆使用寿命的同时，更减少了由腐蚀导致的钻杆失效事故的发生。通过在现场使用钻杆内涂层，有涂层的比没有涂层的钻杆发生腐蚀失效或腐蚀疲劳失效的情形要少很多，于是，钻杆内涂层得到了广泛的应用。据不完全统计，使用内涂层钻杆的数量已经占到了钻杆总量的90%。

 

　　3.3改造钻杆接头台肩结构

 

　　吊卡作为一种重要的井口工具在钻杆起下钻过程中起着非常重要的作用。早期的钻杆内螺纹接头的台肩大都采用直角形式，吊卡承载面也采用的是直角平面，这样做方便钻杆接头台肩坐封在钻台上。二者都采用直角的形式有利于钻台平面与吊卡的下接触面是平面接触，吊卡的上接面与钻杆接头的台肩面也是平面接触，不会给对方过多的载荷，也不会使吊卡的合页销因过大受力而导致吊卡被崩开，这样不仅减少了安全事故的发生，也有利于快捷方便的进行下钻作业。经过科研人员的长期分析和研究指出，采用18度斜坡台肩结构更方便更合理。不管是采用九十度的台肩结构，还是十八度的，钻杆接头的失效事故都明显减少了。

 

　　3.4改进钻杆接头扭矩台肩的尺寸

 

　　外螺纹接头密封台肩倒角直径偏小也是导致钻杆接头胀大失效发生的主要原因。内外螺纹接头的密封台肩面施加给扭矩产生的接触压力来保障钻杆螺纹连接的密封，所以为了满足接头密封面产生的接触压力符合密封的要求，给扭矩上扣时必须使用专用的扭矩吊钳。一般情况下，外螺纹接头的密封台肩倒角直径偏小就会导致密封台肩接触面积减小，再加上过载扭矩的作用，外螺纹接头将会被挤到里面，于是内螺纹接头就会胀大而失效[8]。

 

　　3.5改进钻杆接头扭矩台肩的结构

 

　　使用钻杆时，经常会发生钻杆接头断裂失效的事故。据分析，失效的主要原因是在螺纹连接中的局部螺纹位置的应力特别大，而螺纹齿底是应力最集中的区域，所以很容易产生裂纹。为了使螺纹受力能够更均匀，优化螺纹连接的应力分布是很重要的，双扭矩台肩的钻杆接头就可以优化应力分布。应力的分布变均匀之后，就可以降低局部的最大应力值，从而提高钻杆接头的使用寿命，进而减少由失效产生的事故发生。近年来，双扭矩台肩的钻杆接头已广泛应用到许多钻杆受力工况很恶劣的复杂钻探作业中，并取得了良好的效果。

 

　　4结语

 

　　最近，又有一些新的结构优化和材料优化被提出来，例如抗硫钻杆、铝合金钻杆、大尺寸非标准钻杆、高抗扭钻杆接头等等，这些都是为了有效预防钻杆失效情况的发生。但是，随着近几年来一些复杂钻井工艺的采用，还是会经常发生钻杆失效事故。现阶段，不断加强钻杆失效的的分析和研究，并查找失效的原因，有针对性的优化并改善钻杆的结构，还有许许多多的工作等着我们去做。

 

　　参考文献

 

　　[1]朱丽霞，仝珂，瞿婷婷，韩新利，李金凤，冯耀荣.G105钻杆管体刺穿失效分析[J].理化检验（物理分册）.2010（04）.

 

　　[2]王炳英，薄国公.螺杆钻具主轴的断裂失效分析[J].热加工工艺.2010（14）.

 

　　[3]张瑟，张国正，张春婉，马强，金磊.双台肩钻杆接头开裂失效分析[J].石油矿场机械.2010（01）.

 

　　[4]任辉，高连新，鲁喜宁.新型双台肩钻杆接头研究与应用[J].石油机械.2011（03）.

 

　　[5]李建强，于丽松，牛成杰，李志昊，岳鹏，陈玉松.石油钻杆的生产现状与发展趋势[J].焊管.2011（11）.

 

　　[6]谷振乾，张新胜，王永江，张国正，张春婉.5-1/2FH双台肩钻杆内螺纹接头断裂原因分析[J].理化检验（物理分册）.2011（09）0.

 

　　[7]狄勤丰，陈锋，王文昌，王明杰，赵域栋，袁鹏斌，周永其.双台肩钻杆接头三维力学分析[J].石油学报.2012（05）.

 

　　[8]李齐富，陈长青，杨勇平.Φ127mmS135钻杆接头刺孔失效分析[J].科技传播.2010（08）.