钻具常见失效形式

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　　摘要：钻具是钻井的主要工具，它在坚硬的地层中钻进时所处环境复杂，载荷多样，受力多变且复合易导致钻具失效，根据钻具失效形式的不同可分为表面损坏、过量变形、钻具刺漏和断裂几大类。腐蚀、磨损、机械损伤都属于表面损坏，钻具断裂又可分为过载断裂、脆性断裂、应力腐蚀断裂等。
　　关键词：失效；刺漏；断裂
　　所谓失效就是钻具不能完全工作或虽可工作但不能达到令人满意的预期功能或受到较严重损伤不能继续的安全可靠使用。钻具在井下受到拉伸、压缩、扭转等作用力，并产生自转、公转和震动，在这些作用下钻具会腐蚀、弯曲变形、胀扣、粘扣、偏磨、断裂等。根据钻具失效形式的不同可以分为以下几类：
　　1、表面损坏
　　钻具使用过程中，表面损坏经常发生，到一定程度时会影响到钻具的安全使用，导致钻具的降级，甚至报废。表面损坏形式主要如下：
　　1.1腐蚀：钻具多为铁合金，在使用、存放过程中钻井过程中注入的钻井液、地层流体以及CO2、H2S气体等都会造成钻具的腐蚀。最常见的腐蚀形式有均匀腐蚀，即整个钻具出现锈蚀，钻具壁变薄。斑点腐蚀，这类腐蚀像斑点一样分布在钻具内外表面，面积较大，但是不深，危害性一般不大。在各类锈斑、垢斑以及钻具各缝隙等处腐蚀成小而深的孔，这类腐蚀是孔腐蚀，一旦穿孔，整根钻具报废。受力最大部位可能发生应力腐蚀，这类腐蚀危害性最大。
　　1.2 磨损：钻具钻进过程中的磨损主要是粘着磨损，接头螺纹部分的磨损多为此类，内外螺纹旋合摩擦，表面温度迅速升高，使内外螺纹表面发生粘结，钻杆脱扣一般属于粘着磨损。钻具在钻井液不断冲蚀下造成冲蚀磨损，如果钻井液中有杂质、井壁的颗粒等对螺纹的磨损多属于磨料磨损。钻具在交变接触应力作用下，表层产生塑性变形，表层薄弱处产生裂纹，表面疲劳磨损。在坚硬地层中钻具磨损加剧，易产生摩擦裂纹。
　　1.3 机械损伤：机械损伤主要是由外力造成的钻具碰伤、卡瓦及其它工具使用不合理对对钻具本体造成压痕等。
　　2、过量变形
　　钻具过量变形包括钻具本体超过极限的弯曲、扭转、挤扁等，或超载后的螺纹部分或整个本体的伸长，接头胀大。
　　3、钻具刺漏
　　钻具刺漏是钻井作业中，钻具材质损伤或者井下钻具之间连接或钻具与接头等连接处密封不好，导致钻井液从薄弱处刺穿钻具的现象。刺漏多发生较深的井中，发生部位多集中在本体、螺纹的加厚过渡带区域和螺纹根部三个位置，其中加厚过渡带区域出现的频率最高。不同位置的刺漏呈现不同状态，在加厚过渡区域和本体的刺漏多呈矩形窗口状，边缘是大锯齿形，螺纹根部的刺漏往往沿着螺纹周向裂开，造成明显刺痕。
　　4、钻具断裂
　　钻具断裂是危害较严重的一类钻具失效事故。主要包括以下几种：
　　4.1過载断裂：施加到钻具上的载荷超过了其承载能力就会发生过载断裂，过载断裂断口处较粗糙、呈纤维状；边缘有与零件表面呈45°角的剪切唇，断口附近有明显的肉眼可见的塑性变形（如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈、鼓包……等。
　　4.2脆性断裂：钻具的韧性差，或在应力集处发生的突然断裂多为脆性断裂，此种断裂在钻柱断裂中占相当大的比例，脆性断裂端口平齐。这种断裂前没有前兆，一般是在不知不觉中发生，是最危险的断裂方式之一。
　　4.3氢脆断裂：钻具在含氢量较高的环境中，如水、酸、氢气中时溶于钢中的氢，在拉应力作用下可使材料产生氢脆。实际中硫化氢或盐酸造成的钻柱应力腐蚀断裂也是因为氢的作用。氢脆宏观断口表面洁净，氢脆断裂区呈结晶颗粒状亮灰色。
　　4.4 应力腐蚀断裂：是应力和腐蚀环境的共同作用下引起的断裂，断口具有脆性断口形貌。对钻具来说主要是工作在含硫油气井中时硫化物应力腐蚀断裂和在某些腐蚀介质（如盐酸、氯化物类）中的应力腐蚀断裂。
　　4.5 疲劳断裂：钻具在交变载荷下较长时间运转时，钻具薄弱处的断裂多为疲劳断裂，多发生在钻具接头螺纹等薄弱部位，一般多在公扣第一和第二螺纹牙根部。此外，钻杆直角台肩根部也会发生。断口宏观形貌光滑程度及形貌不同的裂缝位置。
　　4.6 腐蚀断裂：腐蚀断裂一般发生在应力集中严重的部位或钻具表面有腐蚀坑为源，腐蚀坑发展成裂缝并不断扩大直至断裂。
　　5、结论
　　钻具失效是钻井事故的主要方式，根据失效形式的不同可以分为损坏、变形、刺漏和断裂几类。不同的失效形式有不同的表现，产生的原因也各不相同，通过分类、分析可以更好的研究钻具的失效类型，以便更好的防止钻具失效的发生。
　　参考文献
　　[1]张新平.川东北地区钻具刺漏失效应对之策.石油与装备，2014.2，P68-69.
　　[2]吕拴录，王震，康延军等.MJ1井钻具断裂原因分析钻采工艺.2009.3，P79-80.
　　（作者单位：中石化胜利石油工程有限公司西南分公司）
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