钻柱失效机理分析及预防对策

摘要：柱是钻井机械的重要组成部分，钻柱失效会给钻井带来巨大风险，本文通过大量的统计分析，得出了目前导致钻柱失效的主要因素，其中环境的腐蚀是重要因素；在此基础上，笔者根据实际工作经验提出了相应的对策，为解决钻柱失效问题提供了一定的指导。

关键词：钻井 钻柱 失效 断裂

1 概述

钻柱是石油钻井过程中的重要组成部分，其主要作为连接钻头、施加钻压、传递扭矩、为钻井液流动提供通道等。由于石油钻井过程中钻柱所处环境非常恶劣，不仅承受拉、压力，还要承受扭力、离心力及振动，同时受到高速钻井液的冲刷及腐蚀，因此极易发生破坏失效，据统计全国各油田每年发生的钻柱失效事故有1000例左右，为钻井生产带来了极大的风险。因此深入分析钻柱失效机理，并在现有条件下提出相应的预防对策，就显得尤为重要[1]。

2 钻柱失效机理分析

钻组失效主要包括钻杆失效、钻铤失效及转换接头失效。其中钻杆失效事故占钻柱总失效事故的50%～60%，钻杆主要失效形式是管体刺穿；钻铤失效事故略低于钻杆失效事故，钻铤螺纹处断裂是钻铤的主要失效类型，占钻铤失效事故的70%～80%；钻柱转换接头失效数量相对钻杆和钻铤来说较少，主要失效类型为螺纹断裂和脱扣。经过统计分析，钻柱失效主要存在以下几方面原因。

2.1 钻柱自身因素

钻柱自身因素是导致钻柱失效的内因，失效分析表明，大部分失效事故与钻柱质量有关，比较突出的有以下几个问题[2]：

（1）钻杆内加厚过渡区结构不合理。失效分析和试验研究已证实，内加厚过渡区结构不合理（M太短，尺太小）是钻杆在该部位失效的主要原因。

（2）钻杆接头、钻铤、转换接头韧性差。

（3）螺纹加工质量差。如螺纹根部圆角半径过小，不符合API标准要求，导致严重的应力集中。

（4）强度指标不合格。

（5）热处理不当，修复工艺不当。

2.2 环境因素

钻柱失效事故中约有60%以上都与其在钻井液中的腐蚀行为有关。腐蚀是造成钻柱失效的主要原因，并且腐蚀带来的附加检查、维修和事故处理等使得钻井效率下降和费用增加[3]。

（1）钻井液

钻井液种类、pH值、固相含量、流速、温度和扰动情况等都对钻柱失效有不同程度的影响。钻井液pH值偏酸性、固相含量增多、流速越快、温度越高、扰动越厉害，则钻柱腐蚀越明显。

（2）溶解氧

在钻井过程中，钻井液循环系统是完全开放的，大气中的氧以及地表、地下水中的氧会通过泥浆罐、泥浆泵等设备在钻井液的循环过程中混入其中成为游离氧，在空气和泡沫等欠平衡钻井中氧的含量更高，这些都会造成钻杆服役过程中的氧腐蚀环境。因为氧是一种阴极去极化剂，随着空气压力的增大，氧含量增加，导致金属钢片的腐蚀加剧。

（3）CO2气体

CO2腐蚀是世界石油工业中一种常见的腐蚀类型，也是困扰我国油气工业发展的一个极为突出的问题。我国相当一些主力油田CO2含量很高，而且随着油井含水量愈来愈高、深层含CO2油气层的开发日益增多、注CO2强化采油工艺的普遍推广，CO2腐蚀问题越来越严重。

（4）硫化氢

钻井液中H2S的存在，特别是在交变应力作用下容易引起钻柱的应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳断裂，随钻井液中H2S含量升高，钻柱的腐蚀疲劳寿命显著降低。

（5） 其它腐蚀介质

主要来自钻井液处理剂、地层水和岩层，其中以Cl-的影响最为显著。由于氯离子半径小、穿透能力强，容易透过钻柱构件表面膜内极小的孔隙，直接与金属接触。氯离子本身并没有腐蚀作用，但氯离子有催化、促进腐蚀的作用。

2.3 力学因素

石油钻柱在井下钻进过程中不仅与腐蚀性介质直接接触，同时还承受拉伸、弯曲、挤压等复杂应力的作用，极易发生疲劳破坏。

（1）钻具在井下要发生弯曲，在旋转时就会承受交变弯曲应力。由于连接螺纹处刚度较低，且是应力集中区，该区域极易发生螺纹损害和疲劳破坏。

（2）钻井过程中，振动和碰撞载荷非常激烈。横向振动异常突出，是导致钻具动态不稳定和疲劳破坏的重要原因之一。横向振动使钻具在旋转下横向变形弯曲，进而引起离心力的作用，进一步加剧横摆和弯曲，最终导致钻具弓状弯曲，产生钻具偏磨和急剧磨损现象；另外，横向振动也加剧了钻具剌扣、粘扣。

（3）井斜角、方位角变化的影响。钻井过程中因地质、操作等复杂因素井身多有弯斜和方位变化，形成所谓“狗腿”。“狗腿”越严重，意味着钻杆承受弯曲交变载荷越大，从而降低钻杆的腐蚀疲劳寿命。随着钻井向水平井、定向井方向的发展，其腐蚀疲劳越来越严重。

3 钻柱失效预防对策

如前所述，石油钻柱的工作条件恶劣，受力复杂，失效频繁，损失严重，采取有效措施提高钻柱的使用寿命，具有重大意义。根据钻柱的失效原因分析近年来的工作实践，结合国内外的研究结果，提出以下建议。

3.1 正确选材

钻杆材料的化学成分、组织状态和强度级别不同时，其寿命差别较大。在钻杆具有足够的韧性时.疲劳裂纹可以扩展到穿透壁厚而不断裂，可避免钻柱断落在井中。

3.2改善工作环境

通过改善钻柱与钻井液接触的工作环境可适当提高钻柱使用寿命，包括向钻井液中添加缓蚀剂、推广使用内涂层钻杆、适当提高钻井液pH值等方法。将钻井液pH值保持在1O或l0以上。此外，为减少磨损，钻杆接头喷焊耐磨合金带。

3.3合理设计钻柱，降低服役载荷及应力

合理设计钻柱，并在钻井过程中正确调整钻压，可有效降低钻柱失效机理，主要应注意一下几点：（1）钻具合理搭配；（2）采用高抗扭拒钻具接头；（3）配置钻杆防护圈；（4）采用外螺纹接头朝上的钻井工艺；（5）设计低工作应力钻柱。

3.4提高钻具质量

在钻具结构设计方面，应进行以下几方面的改进：（1）改进钻杆内加厚过渡区结构；（2）改进螺纹加工状况；（3）改进螺纹形状及锥度；（4）加工应力减轻槽；（5）改进钻头接头台肩结构；（6）采用合理的弯曲强度比；（7）螺纹滚压强化；（8）提高摩擦焊修复钻杆焊区性能；（9）提高钻具母体内在质量；（10）在钻杆接头外圆敷焊耐磨带；（11）钻柱强韧化。

3.5加强管理

严格执行钻具的使用制度，管好、用好钻具。应尽可能避免钻杆露天长期存放，当钻杆从井内提出时应及时用清水冲洗掉内外表面的钻井液。

4 结论

通过上述分析，可以看出钻杆自身机构、材质以及环境的腐蚀及钻压的施加不合理是导致钻杆失效的主要因素，为减少钻柱失效事故，应在钻柱选材、设计、加工以及钻井的井身结构设计、钻井参数优选等方面加强研究，以提高钻柱使用寿命。

参考文献

[1]陈庭根， 管志川. 钻井工程理论与技术[M]. 石油大学出版社， 2002： 119-120.

[2]冯耀荣，马宝钿和金志浩等. 钻柱构件失效模式与安全韧性判据的研究[J]. 西安交通大学学报. 1998， 4： 23-25.

[3]刘勇， 龙永强和刘平等. 液固两相介质流中Cu-Cr-Zr合金的冲蚀磨损行为[J].中国有色金属学报. 2007， 10： 56-58.