鉆柱疲勞裂紋形成機(jī)理研究

宋周成，鄧昌松，王錦生

陳朋，丁志敏，丁亮亮 （ 中石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒841000）

鉆柱是鉆井系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的組成部分，鉆柱失效是鉆井作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題，鉆柱疲勞失效是其最常見(jiàn)的形式。據(jù)美國(guó)在2000年的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表明，鉆井費(fèi)用占總勘探開(kāi)發(fā)費(fèi)用的50%～80%，大約14%的井會(huì)發(fā)生鉆具疲勞斷裂事故，每次斷裂事故總損失約為106000美元［1～3］。陳世春對(duì)中石油塔里木油田分公司從2001年到2011年4月的10年間鉆柱失效情況進(jìn)行了研究，鉆柱發(fā)生疲勞斷裂和刺漏的總失效次數(shù)為611次，其中刺漏占81%，斷裂占19%［4］。據(jù)中石油石油管材技術(shù)研究院對(duì)過(guò)去數(shù)年鉆柱失效事故的統(tǒng)計(jì)分析，疲勞失效是鉆柱失效最主要的失效形式，鉆柱失效的80%以上是由疲勞直接引起或者與疲勞相關(guān)的情況引起的；李鶴林、馮耀榮的研究指出，國(guó)內(nèi)各油田每年發(fā)生鉆柱疲勞斷裂事故超過(guò)500起，直接經(jīng)濟(jì)損失4000萬(wàn)元以上［5］。

鉆柱處于十分復(fù)雜的工作環(huán)境中，不僅要承受拉壓、彎扭、振動(dòng)、沖擊等多種隨機(jī)交變載荷作用，還要經(jīng)受鉆井液的腐蝕、沖蝕、氫脆，以及與井壁的摩擦、撞擊等作用，使得鉆柱成為鉆井設(shè)備中最薄弱的環(huán)節(jié)［6］。鉆柱疲勞失效包括腐蝕疲勞、應(yīng)力應(yīng)變疲勞、沖蝕疲勞、摩擦疲勞、接觸疲勞、傷痕疲勞等多種失效形式。鉆柱疲勞失效一般不會(huì)出現(xiàn)可以觀察的先兆，事故的發(fā)生往往是災(zāi)難性的，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，是鉆井界的熱點(diǎn)和難道問(wèn)題之一。

1 鉆柱疲勞失效的主要表現(xiàn)形式

疲勞失效是鉆柱失效最常見(jiàn)的破壞形式之一。通常所說(shuō)的刺漏、扭斷、部分拉斷等都是疲勞失效問(wèn)題［7］。鉆柱刺漏是鉆柱上的疲勞裂紋尚未發(fā)展到能造成鉆柱完全破壞的環(huán)形裂紋，只是呈穿孔狀破壞 （如圖1所示）。它是鉆井液在高壓作用下穿過(guò)鉆柱上的疲勞裂紋形成的。鉆井液穿過(guò)這種裂紋時(shí)的高流速和腐蝕性，進(jìn)一步擴(kuò)大了疲勞裂紋，并使裂紋發(fā)展成為穿孔。鉆柱疲勞扭斷時(shí)的斷口一般呈角狀，在發(fā)生破壞前，疲勞裂紋擴(kuò)展成圍繞鉆柱表面的環(huán)形裂紋，最后一部分未扭斷的鉆柱壁在最后的幾圈中被扭斷。疲勞拉斷使鉆柱形成疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展致使鉆柱的有效截面積減小，鉆柱承受的真實(shí)拉應(yīng)力超過(guò)了鉆柱材料允許的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生斷裂。

圖1 鉆柱刺漏

2 疲勞裂紋形成條件

鉆柱產(chǎn)生疲勞裂紋的基本條件是鉆柱在交變載荷反復(fù)作用下，鉆柱材料局部出現(xiàn)了不可逆的塑性變形，材料的組織與性能也將發(fā)生改變。在循環(huán)載荷的初始加載階段，材料均勻發(fā)生變化。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在晶界，夾雜物如雜質(zhì)、熔渣，內(nèi)部缺陷如氣泡、孔洞、微裂紋，易產(chǎn)生應(yīng)力集中的凸臺(tái)、凹溝、倒角、咬痕、擦傷、腐蝕坑，以及微組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分不均勻不連續(xù)部位，易引起應(yīng)力應(yīng)變集中［6］。應(yīng)力應(yīng)變集中使這些區(qū)域應(yīng)力或應(yīng)變的峰值達(dá)到或超過(guò)材料的屈服極限，再加上循環(huán)硬化或循環(huán)軟化作用，這些區(qū)域最先產(chǎn)生微裂紋。鉆柱疲勞斷裂依次經(jīng)歷：“循環(huán)加載、卸載－材料硬化－滑移成核－裂紋擴(kuò)展－鉆柱瞬斷”等過(guò)程。

3 疲勞裂紋萌生機(jī)理

3．1 滑移與腐蝕

一般認(rèn)為鉆柱疲勞裂紋萌生的機(jī)理主要是滑移成核理論，它是基于疲勞失效斷裂的絕大多數(shù)情況下裂紋在鉆柱表面形成的事實(shí)?；剖窃谕饬ψ饔孟孪噜徳訉油耆朔娱g的相互吸引力而發(fā)生的原子層的移動(dòng)?；评碚撜J(rèn)為晶體中各原子層的間距不同，使得原子層之間的相互作用力不同，結(jié)合強(qiáng)度不一致。晶體中同方向各層原子與鄰近層原子的結(jié)合強(qiáng)度不一致，致使晶體在結(jié)合強(qiáng)度較弱方向上易發(fā)生塑性流動(dòng)，也易發(fā)生斷裂，形成穿晶開(kāi)裂。在外力作用下，當(dāng)外力不太大即處在材料應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的直線(xiàn)段時(shí)，晶體只發(fā)生畸變，去掉外力后晶體發(fā)生恢復(fù)原形狀的彈性變形；當(dāng)外力很大即達(dá)到或超過(guò)材料的屈服應(yīng)力后，晶體相鄰兩層原子發(fā)生相對(duì)滑移，去掉外力后部分晶體發(fā)生不能恢復(fù)原狀的永久性塑性變形。塑性變形是原子的一個(gè)平面沿另一個(gè)平面發(fā)生滑移，并使原子間距增大1%以上。原子間的原有平衡力遭到破壞，原子間的作用力表現(xiàn)為吸引力，宏觀一般表現(xiàn)為材料硬化。

鉆柱在經(jīng)歷拉伸與壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)與沖擊等載荷作用后，鉆柱就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變變化，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，鉆柱表面產(chǎn)生局部的塑性變形，就會(huì)形成一定量的滑移線(xiàn) （如圖2所示）。隨著疲勞載荷的反復(fù)循環(huán)作用，滑移線(xiàn)不斷增多，滑移量不斷增大［8～10］?；屏康牟粩嘣黾樱偈够凭€(xiàn)不斷增多、增粗，新形成的滑移線(xiàn)與鄰近的原滑移線(xiàn)共同組成滑移帶?；茙ч_(kāi)始只局限在晶粒的細(xì)小范圍內(nèi)，隨著載荷作用次數(shù)的增加，其范圍不斷擴(kuò)大。在循環(huán)加載階段，鉆柱表面的一些部位沿著一定的方向發(fā)生滑移。在循環(huán)載荷卸載階段，由于前滑移面上的滑移被應(yīng)變硬化，而新形成的自由表面被氧化阻止，便在相鄰的另一平行的滑移面發(fā)生相反的滑移；循環(huán)載荷作用一段時(shí)間后，在鉆柱表面就會(huì)形成擠入、擠出帶 （如圖3所示）。擠入、擠出帶是滑移帶發(fā)展到駐留滑移帶的產(chǎn)物，駐留滑移帶的形成和發(fā)展過(guò)程是裂紋萌生的過(guò)程。隨著循環(huán)載荷的持續(xù)作用，滑移帶越來(lái)越寬，越來(lái)越深，擠入帶向滑移帶的深處擴(kuò)展，逐漸發(fā)展成凹槽切口或微裂紋，在它們的發(fā)生部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，為以后形成穿過(guò)晶粒的宏觀疲勞裂紋創(chuàng)造了條件。

圖2 鉆柱表面滑移過(guò)程

圖3 鉆柱表面的駐留滑移帶

擠入、擠出帶破壞了鉆柱表面已有的保護(hù)層，使新鮮金屬完全暴露在具有較強(qiáng)腐蝕性的鉆井液中，新鮮金屬的化學(xué)性質(zhì)較活躍而發(fā)生溶解反應(yīng)，反應(yīng)后在鉆柱表面形成鈍化膜。隨著滑移的繼續(xù)，鈍化膜再次遭到破壞而繼續(xù)溶解，因此滑移帶的鈍化膜不斷經(jīng)歷著 “破裂、修復(fù)、再破裂”過(guò)程。腐蝕反應(yīng)不斷進(jìn)行并在駐留滑移帶上加強(qiáng)，加之鉆井液的沖蝕作用，使得鉆柱表面難以形成有效的鈍化膜，反應(yīng)速率加快，易形成腐蝕坑。腐蝕坑產(chǎn)生應(yīng)力集中，疲勞裂紋在此處形成。

3．2 夾雜物開(kāi)裂

通常金屬中含有一定量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)一部分來(lái)自金屬礦藏冶煉后的殘留物，一部分來(lái)自冶煉過(guò)程中形成的氧化物、碳化物等，一部分來(lái)自金屬材料要達(dá)到某種性能而人為添加的某些元素。這些雜質(zhì)在金屬冷卻后會(huì)在金屬晶體的晶界上沉淀出來(lái)形成夾雜物。比較典型的如煉鋼煉鐵時(shí)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，鋼材在熔煉和澆鑄時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，某些氧化物夾雜尺寸小，不容易上浮到表層被還原而停留在鑄件中。鑄件凝固過(guò)程中這些氧化物富集在晶界處，并逐漸展開(kāi)，它將晶界兩側(cè)的晶體分離，分割了基體，使鋼材基體的連續(xù)性遭到破壞，降低了基體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，鉆柱加工時(shí)容易在晶界產(chǎn)生微裂紋，也使鉆柱的抗疲勞強(qiáng)度嚴(yán)重降低［11］。其次，由于基體與夾雜物的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)金屬熱液發(fā)生凝固收縮時(shí)，各組分冷卻條件不一致，凝固存在先后順序，以及氧化夾雜物和鋼材自身的物性參數(shù)不同，就會(huì)形成熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力作用下，結(jié)合強(qiáng)度低的部位容易產(chǎn)生疲勞微裂紋［12］。再者，在煉鋼煉鐵中鋼材在凝固和熱處理中均有碳化物以M3C形式存在，易在晶界上析出。碳化物尺寸較大且為硬脆性物質(zhì)，它降低了晶界強(qiáng)度。在疲勞應(yīng)力作用下，碳化物還因自身破裂而形成疲勞裂紋［12］。

根據(jù)滑移成核理論，滑移面上的位錯(cuò)移動(dòng)受到夾雜物粒子阻礙時(shí)，位錯(cuò)在夾雜物周?chē)逊e形成位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)環(huán)一方面受到夾雜物的排斥作用，阻止位錯(cuò)向夾雜物靠攏，另一方面在外力作用下位錯(cuò)環(huán)被推向夾雜物。位錯(cuò)環(huán)被推到夾雜物粒子與晶體界面后，在界面上兩種物質(zhì)分離形成微孔。形成微孔后，位錯(cuò)環(huán)后面的位錯(cuò)受到的排斥力大大減小，使原位錯(cuò)后面的位錯(cuò)重新激活并產(chǎn)生新的位錯(cuò)環(huán)，滑移過(guò)程中不斷向微孔周?chē)埔?。?jīng)過(guò)這樣反復(fù)作用，微孔不斷擴(kuò)大。由于位錯(cuò)可以沿不同滑移面移向夾雜物邊界，因此微孔可以由幾個(gè)滑移面上的位錯(cuò)一起形成。或者其他滑移面上的位錯(cuò)向夾雜物運(yùn)動(dòng)使微孔長(zhǎng)大。微孔的形成使材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到一定值后，就會(huì)在滑移面下方最大張應(yīng)力面上形成微裂紋。當(dāng)夾雜物的粒徑較大、脆性較高時(shí)，在應(yīng)力作用下夾雜物破裂也會(huì)形成微裂紋。

3．3 孿晶、晶界開(kāi)裂

一般在低應(yīng)力高循環(huán)周次 （應(yīng)力交變次數(shù)大于106）時(shí)先形成駐留滑移帶再形成微裂紋，在高應(yīng)力低循環(huán)周次 （應(yīng)力交變次數(shù)在102～105）時(shí)晶界形成裂紋。當(dāng)滑移帶較少，滑移較困難時(shí)孿晶開(kāi)裂是常見(jiàn)疲勞裂紋萌生形式。有共格孿晶界存在時(shí)，優(yōu)先在孿晶界形成駐留滑移帶并形成微裂紋?；泼嫔系奈诲e(cuò)在晶界上受阻，形成位錯(cuò)塞積。位錯(cuò)塞積在晶界上產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)臨界值時(shí)便會(huì)產(chǎn)生晶界開(kāi)裂。材料的晶粒尺寸越大，晶粒形成的位錯(cuò)塞積越嚴(yán)重，晶界上產(chǎn)生的應(yīng)變量越大，集中應(yīng)力就越大，越容易形成微裂紋。

3．4 位錯(cuò)開(kāi)裂

在疲勞過(guò)程的起始階段產(chǎn)生了短而細(xì)的滑移線(xiàn)，這種滑移線(xiàn)可以認(rèn)為是滑移線(xiàn)兩端受阻而造成的位錯(cuò)塞積。如果滑移線(xiàn)上的位錯(cuò)源停止運(yùn)動(dòng)，滑移線(xiàn)就不能移動(dòng)。當(dāng)非常接近的兩滑移線(xiàn)產(chǎn)生交叉滑移后，滑移面上堆積的位錯(cuò)就會(huì)消散掉，滑移面上的位錯(cuò)可以繼續(xù)開(kāi)動(dòng)。平行的兩個(gè)滑移面上兩列相反的位錯(cuò)相消后就會(huì)留下一排孔洞，滑移使得孔洞吸收更多的位錯(cuò)進(jìn)入，孔洞不斷擴(kuò)大，大到一定程度因應(yīng)力集中而逐漸發(fā)展成微裂紋。

4 鉆柱疲勞裂紋主要影響因素

4．1 摩擦與碰撞

鉆柱在井筒中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不可避免地與裸露地層巖石、套管發(fā)生摩擦，并瞬間產(chǎn)生大量的摩擦熱。地層溫度較高、鉆井液導(dǎo)熱性不好以及鋒利的堅(jiān)硬巖石對(duì)鉆柱表面的磨削等因素，這些因素在磨削應(yīng)力、摩擦熱作用下，使鉆柱亞表面發(fā)生了金相組織和硬度變化，即鉆柱表層發(fā)生了塑性變形，改變了鉆柱表層的殘余應(yīng)力狀態(tài)，使得鉆柱的抗疲勞強(qiáng)度明顯降低。如果產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力大于材料自身的抗拉強(qiáng)度后，就會(huì)在鉆柱亞表面產(chǎn)生裂紋核。鉆柱在與井壁的碰撞過(guò)程中，殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步改變，使裂紋核得到足夠的能量而紋開(kāi)始擴(kuò)展。碰撞能量也能使鉆柱內(nèi)結(jié)構(gòu)比較薄弱處產(chǎn)生微裂紋，以及硬脆性?shī)A雜物破裂而形成微裂紋。

4．2 硫化氫

在含H2S的油氣井中，H2S不僅腐蝕鉆柱，而且H2S中的H＋容易在鉆柱表面還原成氫原子，并在鉆柱表面形成一層氫原子吸附膜。氫原子體積小，滲透力強(qiáng)，逐漸擴(kuò)散進(jìn)入鉆柱內(nèi)部，在擴(kuò)散過(guò)程中遇到裂縫空隙、晶格層間錯(cuò)、夾渣及內(nèi)部缺陷時(shí)，氫原子在這些部位結(jié)合成比氫原子體積大幾十倍的氫分子，體積膨脹產(chǎn)生極大的向外壓力，迫使晶間鍵斷裂，加劇鉆柱內(nèi)部晶界微裂紋的萌生和擴(kuò)展。H2S嚴(yán)重降低鉆柱的抗疲勞強(qiáng)度，縮短鉆柱使用壽命。

4．3 振動(dòng)與沖擊

滑移過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)塞積現(xiàn)象，它是滑移線(xiàn)受阻而發(fā)生的。位錯(cuò)塞積就會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力和加載應(yīng)力的疊加應(yīng)力大于材料的屈服極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，形成裂紋核。振動(dòng)和沖擊使位錯(cuò)塞積開(kāi)通，殘余應(yīng)力得到降低、釋放、均化［13］，使滑移線(xiàn)繼續(xù)進(jìn)行，一定程度上延緩裂紋的形成。但振動(dòng)和沖擊產(chǎn)生的能量也促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，降低鉆柱的疲勞壽命。

5 結(jié)論與建議

1）疲勞微裂紋一般在鉆柱表面有缺陷的部位優(yōu)先萌生，其萌生方式主要有滑移開(kāi)裂、夾雜物開(kāi)裂、孿晶與晶界開(kāi)裂、位錯(cuò)銷(xiāo)毀等，腐蝕、氫脆、振動(dòng)、沖擊、摩擦、撞擊等因素在很大程度上促進(jìn)了微裂紋的形成與發(fā)展。鉆柱所處的復(fù)雜工作環(huán)境使得鉆柱疲勞裂紋的萌生一般不只是單純的一種萌生方式，而是多種萌生方式共同作用的結(jié)果。

2）對(duì)于因疲勞原因而產(chǎn)生的鉆井事故，要分析事故原因，詳細(xì)記錄好失效鉆具的具體部位、鉆具鋼號(hào)、生產(chǎn)廠家，當(dāng)時(shí)的井身結(jié)構(gòu)和鉆具組合形式，鉆具到井使用情況，以及鉆壓、泵壓等情況，以方便今后研究。

3）鉆柱疲勞裂紋的萌生不能控制只能預(yù)防，主要從科研方面：提高材料科學(xué)水平、設(shè)計(jì)更合理的鉆具結(jié)構(gòu)；現(xiàn)場(chǎng)方面：科學(xué)管理、維護(hù)鉆具，平穩(wěn)操作，采用合理的鉆壓，消除狗腿度等措施提高鉆柱使用壽命。

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