石油钻杆失效分析

[摘 要]钻杆是石油钻柱的三大部分组成之一，是石油钻井的重要工具，服役条件十分恶劣。在钻井过程中，钻杆在任何部位失效都会造成严重的后果，甚至使井报废。所以钻杆失效事故频繁，损失巨大，对石油生产和安全造成了严重影响。本文就钻杆失效现象及原因进行了简要分析。

[关键词]失效分析 钻杆刺穿 疲劳腐蚀

中图分类号：T555 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0063-01

1.钻杆的服役条件分析

对于钻杆来讲，由于受到地质和工程因素的影响，出现不同种类的失效形式[1]。钻杆的服役条件包括：钻柱所承受的载荷性质（静载荷、交变载荷、冲击载荷）、加载次序（载荷谱）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪、接触及各种复合应力）、温度、环境介质（空气、水、钻井液、H2S、CO2、NaCl）等。

1.1 作用在钻柱上的基本载荷

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上作用着不同的载荷[2]。概括起来，钻柱上有以下几种基本载荷：

（1）轴向力。处于悬挂状态下的钻柱，在自重作用下，由上到下均受拉力。最下端的拉力为零，井口处的拉力最大。在钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱受拉减小。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裁荷。下钻时钻柱的堆载情况与起钻时相反。循环系统在钻柱内及钻头水跟上所耗损的压力，也将使钻柱承受的拉力增大。

（2）径向挤压力。应用卡瓦进行起下钻作业时，由于卡瓦有一定的锥角，在钻柱上引起一定的挤压力。中途测试时，钻柱上也要承受管外液柱的挤压力；

（3）弯曲力矩。弯曲力矩的产生是因钻柱上有弯曲变形存在。引起钻柱弯曲变形的主要因素是给定的钻压值超过了钻柱的临界值。在转盘钻井中，钻柱在离心力的作用下，亦会造成弯曲。由于钻柱在弯曲井眼内工作，也将产生弯曲。在弯曲状态，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。

（4）离心力。钻柱在钻压的作用下会产生弯曲，在一定的条件下，弯曲钻柱会围绕井眼中心线旋转而产生离心力，促使钻柱更加弯曲。

（5）扭矩。钻头破碎岩石的功率是由转盘通过方钻杆传递给钻柱的。由于钻柱与井壁和钻井液有摩擦阻力，因而钻柱所承受的扭矩井口比井底大。

（6）振动载荷。①纵向振动：由于牙轮钻头的结构特点，井底常存在三个突起，牙轮钻头的牙齿交替地引起钻柱纵向跳动。当外界的周期干扰力与钻柱的固有频率相同时，钻柱发生共振，出现剧烈跳钻。跳钻易引起钻柱疲劳破坏。

②扭转振动：由于钻头结构、地层、钻压等因素的变化，井底的反扭矩也将随之变化。变化着的扭矩将引起扭振。当转速达到某一临界值时，钻柱也可能出现扭转共振现象。用刮刀钻头钻进软硬交错的地层时，钻柱上受到剧烈的扭振，出现所谓“蹩跳”[3]。

③横向摆振：在某一临界转速下，钻柱将出现摆振，其结果是使钻柱进行公转，引起钻柱严重偏磨。

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。同时也要注意到上述几种载荷有些是同时出现的，使钻柱的受力呈现复杂状态[4]。

1.2 钻柱的环境服役介质分析

钻柱在正常工作中是在钻井液中的。钻井液是由固体、液体和化学处理剂组成的复杂混合液，一般具有一定的腐蚀性[5]。以下分别做一些简单介绍。

（1）二氧化碳：CO2属于弱酸性气体，当CO2侵入钻井液形成弱酸时， 在没有其它导电离子存在时，腐蚀产物在金属表面形成保护层限制腐蚀继续进行，然而钻井液体系中往往存在大量的Cl-、Na+、SO等离子，尤其Cl-离子由于半径小，极易穿透FeCO3覆盖层，形成点蚀，并和Fe2+形成FeCl2，而FeCl2又极易水解生成酸，最终形成酸腐蚀。这种腐蚀一旦在某一部位上发生，就会一直进行下去，直到钻具形成穿孔为止，它具有很大的破坏性[6]。

（2）氧气：O2作为一个腐蚀源在整个钻井过程中进行腐蚀，主要起阴极去极化作用，当含量达到0.3/L时，对钻具产生腐蚀；当超过10mg/L时，腐蚀也就不再随O2浓度的增加而增大，因为此时O2扩散受到限制[7]。

（3）硫化氢：硫化氢可以从钻井液添加水、气层气流、溶解硫酸盐的细菌作用或含硫有机处理剂的热分解作用而进入钻井液中。硫化氢很容易溶于水，溶解后呈弱酸性，对钻杆产生腐蚀作用。

（4）溶解盐类：氧化物、碳酸盐和硫酸钠、钙、镁会从钻井液添加水、地层水、钻井液处理剂或钻进的某种地层进入到钻井液中。

上述几种腐蚀介质常常同时存在，这会过早地引起钻杆的腐蚀损伤，导致使用过程中的早期失效[8]。

2.石油钻杆的主要失效形式

根据上面钻杆环境服役条件的分析可知：钻杆的受力状态十分复杂。既有静载，又有冲击载荷，而且拉、压、弯、扭无一不有，并且大部分是交变载荷。工作时又要受腐蚀、磨损、温度及压力的影响[9]。其主要失效形式可分为过量变形、断裂和表面损伤三类。

（1）过量变形。过量变形是由工作应力超过材料的屈服极限而引起的。如钻杆接头在受载情况下螺纹部分的伸长，钻杆本体的弯曲及扭转。

（2）断裂。断裂在钻杆失效事故中所占的比例较大，危害也比较严重。主要断裂形式有过载断裂、低应力脆断、应力腐蚀、氢脆、疲劳和腐蚀疲劳等。

①过载断裂：它是由于工作应力超过材料的抗拉强度引起的。如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂及蹩钻时钻杆管体折断。

②低应力脆断：在整个钻杆失效中占有相当大的比例。钻杆、钻铤和钻柱转换接头中均有低应力脆断发生。

③应力腐蚀：它是钻杆失效的常见形式。如钻杆在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀破裂及钻杆接触某些腐蚀介质时的应力腐蚀开裂。

④氢脆：当金属中存在过多的氢时，在拉应力的作用下可以使材料产生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的应力腐蚀其本质也是由于氢的作用造成的。

⑤疲劳：一般发生于钻杆接头、钻铤和转换接头螺纹部位等截面变化区域或因表面损伤面造成的应力集中区。

⑥腐蚀疲劳：是交变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%。统计表明，在钻杆失效中，约80%为腐蚀疲劳。与普通疲劳一样，裂纹一般产生于应力集中严重部位或表面腐蚀坑等为源萌生裂纹并扩展。

（3）表面损伤。表面损伤包括腐蚀、磨损和机械损伤三个方面。

①腐蚀：包括均匀腐蚀、小孔腐蚀（即点蚀，如钻杆存放或使用过程中内外表面的点蚀）和缝隙腐蚀。

②磨损：包括粘着磨损、磨料磨损和冲蚀磨损。

③机械损伤：如表面碰伤、烧伤，大钳、卡瓦以及其它工具的压痕等[4]。

参考文献

[1] 张根旺等.国产Φ127mm钻杆管体失效分析.石油矿场机械，2005，34（2）：77-78.

[2] 林元华等.钻柱失效机理及其疲劳寿命预测研究.石油钻采工艺，2004，2，26（1）：19-22.

[3] 陈理中等译.美国钻井手册.第一版.北京：石油工业出版社，1980

[4] 李鹤林，冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防措施.石油机械，1990，18（8）：38-44.

[5] C.C.Patton.Corrrosion Fatigue problems in petroleum roduction，Corrosion/71 Nationl Conference of NACE 1971