石油钻杆的应力失效分析

摘 要：石油钻杆在钻井中是传递动力的主要工具，在摩擦碰的下，易出现钻柱裂纹成核、扩展、刺漏以致穿孔和断裂。文章根据工程常出现的问题，分析了石油钻杆的应力失效断裂分析。

关键词：石油钻杆；应力失效；断裂；分析

0引言

石油钻杆是钻井过程中主要起传递扭矩和输送泥浆的作用，承受着拉、压、扭、弯曲等交叉作用的复杂应力载荷，要想提高钻杆的工作寿命，加工材料必须具有良好的抗扭、抗冲击、抗弯曲等力学性能，必须采用良好的加工工艺和表面处理措施，提高表面质量，最大限度的消除表面应力集中。钻杆的材料一般为抗硫材料、铝合金材料、钛合金材料、超高强度钢及新型碳纤维复合材料、凯夫拉材料等等。国内常用的有95SS、105SS、S135、G105、26CrMoNbTiB、UD―165等等。这些材料才抗腐蚀、刚磨损、抗疲劳等方面各有所不同，使用的油田也不相同，文章主要针对国内常用的S135材料应用中出现的应力失效断裂情况进行探讨分析。

1.钻杆失效分析的作用

失效分析是判断钻杆失效形式、分析失效原因、研究失效处理方法，从而达到改善钻干设计原理和完善加工工艺，减少和预防钻杆因同一原因引起的重复失效断裂的不良现象，降低石油钻采的经济成本。钻杆是石油钻井设备中必不可少的工具，一般都在恶劣的环境下应用，是，应用频率高，时间长，影响使用寿命的因素多，是石油钻采中最薄弱的环节。分析钻杆的失效原因，有针对性的加以不断的改进，是防止钻杆断裂，保证在钻井中安全运行的重要措施。

2.钻杆断裂分析

文章以某钻井队的两次断裂情况进行着手分析：一是钻杆尺寸为5 1/2"X9.17mm，钢级是S135在某井下2864.3m时发生了5 1/2“的钻杆断裂事故，该井在2863.2m处遇到了4.5吨的阻力，划眼到2864m，悬重由152吨降到110吨，泵压由20MPa降到14.6MPa，起钻时发生断裂，断口离距离公接头0.62m，断口平齐，断口外径140mm，基本无扭曲塑性变形，断口有140mm长的水泥刺痕。二是钻杆尺寸为：5"X18°X8.96mmS135钢级，在井深1389.17m时发生5"X18°钻杆断裂事故。悬重由84吨降到52吨，泵压由12MPa降为8MPa，断口位于公接头加厚过渡段的终了处，距离台肩约0.48m，有泥浆刺痕，产生了45mm X 45mm刺口，呈现椭圆形扭曲塑性变形样，大直径125mm，小直径124mm。

通过对断裂钻杆的观察和对现取样分析，得到以下信息：

2.1石油钻杆的断裂大部门是处于告诉运动过程中，突然受阻，钻杆头在瞬间受到非均匀动载荷高频重复作用，产生了复杂高集中应力变化，是钻杆承受载荷大大超过额定载荷作用，发生了断裂。

2.2断裂带均处在地下较深地带，离地面扶正器较远，靠向钻杆公接头。这说明每一个钻杆的断裂都受到一定的弯曲应力的作用，且深度越深，弯曲应力起到的破坏作用越大。

2.3钻杆断裂前都受到不同程度的强阻力与钻杆的旋转力叠加在一起，在钻杆上形成一定的扭矩，加剧了钻杆的断裂倾向。

2.4断裂带一般都发生在厚度发生变化的过渡终了带，说明了钻杆在加工过程中，在杆中形成了一定的集中应力，在受到外载荷剧烈作用的时候，应力在过渡末梢放生了释放，导致裂纹的产生。

2.5断裂前有明显的哧口出现，表明断裂不是突然发生的，而是在裂缝的基础上发生的断裂，这与第四条的应力破坏正好吻合。

2.6从断裂后的材质取样分析，发现断裂前后内部仍有一定的内压力进一步影响裂纹的形成与发展。

3.造成失效的宏观和微观因素

3.1宏观因素

钻杆承受的内压力、受腐蚀造成的内表面产生的敏感缺陷，如裂纹、脱落、刺孔等等。从断口形貌的断裂方向看，切向载荷产生扭矩对裂纹的轴向扩展破坏；旋转作用弯矩使裂纹产生轴向扩展；合力产生的应力超过抗拉强度极限，造成过载断裂。从观察表明裂纹的起始和扩展方向看与表面缺陷有关，钻杆疲劳核心在管子的表面。但是，宏观特征并不能说明引起断裂的裂纹形成原因，钻杆自身使用材料的缺陷和环境因素都有可能形成内表面缺陷，如涂层自身缺陷可以导致内表面局部腐蚀，形成裂纹源；外载荷可以导致涂层破裂，引起内表面局部腐蚀； 材料内部缺陷可以形成应力集中。可以看出钻杆的断裂终与材料中的孔洞、缺口、裂纹和应力集中有密切的联系，是造成结构破损的最重要的原因。这些早期出现的裂纹和应力集中大都在锥形体与管柱之间过渡区域的圆周上，伴随着疲劳断裂始终。所以宏观因素就是疲劳断裂和刺孔穿透。

图1 断裂口的宏观特征

3.2微观因素

对引起钻杆宏观因素进行进一步研究，找出破坏机理就是微观影响因素。本文采用光学和电子显微镜对断裂和刺孔不同部位的金相组织特征和微区成分进行观察分析。具体如下实验。钻杆为S135，断裂分析采取了在断裂口上取样，重点在疲劳源区上取样，取多个点K1 ，K2，K3…（图2） 。取两个不同的钻杆B和N在各自的加粗段、过渡段和母材段分别取样，编号分别为B1， B2， B3…和N1 ， N2， N3…。裂纹分析在一只B管的内表面上疑似含有裂纹的缺陷的位置进行金相分析，按上述B序列进行编号；刺孔分析样品取自N管穿孔部位，按上述N序列编号进行实验分析。用光学和电子显微镜对断裂和刺孔的上述位置进行观察并对化学成分和力学性能进行分析，获取热处理和热加工对钻杆的影响，管段、过渡段、加粗段、断口的金相组织变化，B管内表面裂纹金相组织变化。对B、N管的墩粗段、过渡段及B管直管段进行显微硬度测试；对刺孔进行电子显微镜能谱分析、断口电子显微镜观察

图2疲劳源区

3.3通过以上实验和分析得出：

断裂失效是由钻卡加工过程中墩粗工艺温度过低，变形量过大，导致过渡段低温段

易形成一个组织不稳定的高应力集中区，成为疲劳源区。这种现象一般是来自墩粗锻造裂纹和喷砂形成的不均匀。高应力释放，必然引起裂痕，在外部高循环载荷的不断作用下，出现疲劳扩展。结合上述断口的宏观特征，可以得出过渡段低温区形成高应力区和外部循环载荷作用是断裂产生的主要原因。要防止钻杆断裂，首先是严格控制墩粗工艺，变形段的热处理过程中最低温度一定要严格控制在再结晶温度以上，并严格控制每次加热后的弯曲变形，同时要控制好内表面质量，尤其是过渡段。其次是，积极研究改进热处理工艺，提高变形区的强化处理。

刺孔主要是钻杆工作过程中，被岩石等地质结构造成中的液体腐蚀点坑造成的，是从由外表面向内进行扩展的，当蚀坑的深度使管子的壁厚承受不了内部压力时，穿孔就会发生。重实验观察和分析来看，主要是由强腐蚀性的氯离子引起的。氯离子的腐蚀和点坑及液体压力是形成刺孔的主要原因。防止刺孔的措施，首先是防止氯离子的侵蚀，其次是避免钻杆在地下长期静置、运转，同时加强清洗。

4.结论

断裂和刺孔是石油钻杆当前失效的两种主要形式，从对钻杆断裂和刺孔的现场取样观察分析，可以得出，疲劳断裂是断裂的主要原因，穿透性是刺孔的主要危害和特征。通过光学仪器对断口和刺孔的金相组织、微区成分及力学性能进行仔细分析，得出钻杆的断裂与热处理工艺密切相关，刺孔与管子表面的点腐蚀行为有关。在钻杆的应该过程中，我们要根据影响的因素和钻井的地质构造情况对钻杆做好相应的处理和保护措施，提高钻杆的使用寿命。

参考文献：

[1]李鹤林，李平全，冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防[M].北京：石油工业出版社，1999.

[2]房舟.钻杆的失效分析[D].西南石油学院，2006.

作者简介：李勇，（1984―）男，河北人，助理工程师，主要从事石油钻用管内涂层电器工程。