鉆具常見(jiàn)失效形式

摘要：鉆具是鉆井的主要工具，它在堅(jiān)硬的地層中鉆進(jìn)時(shí)所處環(huán)境復(fù)雜，載荷多樣，受力多變且復(fù)合易導(dǎo)致鉆具失效，根據(jù)鉆具失效形式的不同可分為表面損壞、過(guò)量變形、鉆具刺漏和斷裂幾大類。腐蝕、磨損、機(jī)械損傷都屬于表面損壞，鉆具斷裂又可分為過(guò)載斷裂、脆性斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂等。

關(guān)鍵詞：失效；刺漏；斷裂

所謂失效就是鉆具不能完全工作或雖可工作但不能達(dá)到令人滿意的預(yù)期功能或受到較嚴(yán)重?fù)p傷不能繼續(xù)的安全可靠使用。鉆具在井下受到拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等作用力，并產(chǎn)生自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和震動(dòng)，在這些作用下鉆具會(huì)腐蝕、彎曲變形、脹扣、粘扣、偏磨、斷裂等。根據(jù)鉆具失效形式的不同可以分為以下幾類：

1、表面損壞

鉆具使用過(guò)程中，表面損壞經(jīng)常發(fā)生，到一定程度時(shí)會(huì)影響到鉆具的安全使用，導(dǎo)致鉆具的降級(jí)，甚至報(bào)廢。表面損壞形式主要如下：

1.1腐蝕：鉆具多為鐵合金，在使用、存放過(guò)程中鉆井過(guò)程中注入的鉆井液、地層流體以及CO2、H2S氣體等都會(huì)造成鉆具的腐蝕。最常見(jiàn)的腐蝕形式有均勻腐蝕，即整個(gè)鉆具出現(xiàn)銹蝕，鉆具壁變薄。斑點(diǎn)腐蝕，這類腐蝕像斑點(diǎn)一樣分布在鉆具內(nèi)外表面，面積較大，但是不深，危害性一般不大。在各類銹斑、垢斑以及鉆具各縫隙等處腐蝕成小而深的孔，這類腐蝕是孔腐蝕，一旦穿孔，整根鉆具報(bào)廢。受力最大部位可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕，這類腐蝕危害性最大。

1.2 磨損：鉆具鉆進(jìn)過(guò)程中的磨損主要是粘著磨損，接頭螺紋部分的磨損多為此類，內(nèi)外螺紋旋合摩擦，表面溫度迅速升高，使內(nèi)外螺紋表面發(fā)生粘結(jié)，鉆桿脫扣一般屬于粘著磨損。鉆具在鉆井液不斷沖蝕下造成沖蝕磨損，如果鉆井液中有雜質(zhì)、井壁的顆粒等對(duì)螺紋的磨損多屬于磨料磨損。鉆具在交變接觸應(yīng)力作用下，表層產(chǎn)生塑性變形，表層薄弱處產(chǎn)生裂紋，表面疲勞磨損。在堅(jiān)硬地層中鉆具磨損加劇，易產(chǎn)生摩擦裂紋。

1.3 機(jī)械損傷：機(jī)械損傷主要是由外力造成的鉆具碰傷、卡瓦及其它工具使用不合理對(duì)對(duì)鉆具本體造成壓痕等。

2、過(guò)量變形

鉆具過(guò)量變形包括鉆具本體超過(guò)極限的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠扁等，或超載后的螺紋部分或整個(gè)本體的伸長(zhǎng)，接頭脹大。

3、鉆具刺漏

鉆具刺漏是鉆井作業(yè)中，鉆具材質(zhì)損傷或者井下鉆具之間連接或鉆具與接頭等連接處密封不好，導(dǎo)致鉆井液從薄弱處刺穿鉆具的現(xiàn)象。刺漏多發(fā)生較深的井中，發(fā)生部位多集中在本體、螺紋的加厚過(guò)渡帶區(qū)域和螺紋根部三個(gè)位置，其中加厚過(guò)渡帶區(qū)域出現(xiàn)的頻率最高。不同位置的刺漏呈現(xiàn)不同狀態(tài)，在加厚過(guò)渡區(qū)域和本體的刺漏多呈矩形窗口狀，邊緣是大鋸齒形，螺紋根部的刺漏往往沿著螺紋周向裂開(kāi)，造成明顯刺痕。

4、鉆具斷裂

鉆具斷裂是危害較嚴(yán)重的一類鉆具失效事故。主要包括以下幾種：

4.1過(guò)載斷裂：施加到鉆具上的載荷超過(guò)了其承載能力就會(huì)發(fā)生過(guò)載斷裂，過(guò)載斷裂斷口處較粗糙、呈纖維狀；邊緣有與零件表面呈45°角的剪切唇，斷口附近有明顯的肉眼可見(jiàn)的塑性變形（如殘余扭角、撓曲、變粗、縮頸、鼓包……等。

4.2脆性斷裂：鉆具的韌性差，或在應(yīng)力集處發(fā)生的突然斷裂多為脆性斷裂，此種斷裂在鉆柱斷裂中占相當(dāng)大的比例，脆性斷裂端口平齊。這種斷裂前沒(méi)有前兆，一般是在不知不覺(jué)中發(fā)生，是最危險(xiǎn)的斷裂方式之一。

4.3氫脆斷裂：鉆具在含氫量較高的環(huán)境中，如水、酸、氫氣中時(shí)溶于鋼中的氫，在拉應(yīng)力作用下可使材料產(chǎn)生氫脆。實(shí)際中硫化氫或鹽酸造成的鉆柱應(yīng)力腐蝕斷裂也是因?yàn)闅涞淖饔?。氫脆宏觀斷口表面潔凈，氫脆斷裂區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀亮灰色。

4.4 應(yīng)力腐蝕斷裂：是應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的斷裂，斷口具有脆性斷口形貌。對(duì)鉆具來(lái)說(shuō)主要是工作在含硫油氣井中時(shí)硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和在某些腐蝕介質(zhì)（如鹽酸、氯化物類）中的應(yīng)力腐蝕斷裂。

4.5 疲勞斷裂：鉆具在交變載荷下較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鉆具薄弱處的斷裂多為疲勞斷裂，多發(fā)生在鉆具接頭螺紋等薄弱部位，一般多在公扣第一和第二螺紋牙根部。此外，鉆桿直角臺(tái)肩根部也會(huì)發(fā)生。斷口宏觀形貌光滑程度及形貌不同的裂縫位置。

4.6 腐蝕斷裂：腐蝕斷裂一般發(fā)生在應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位或鉆具表面有腐蝕坑為源，腐蝕坑發(fā)展成裂縫并不斷擴(kuò)大直至斷裂。

5、結(jié)論

鉆具失效是鉆井事故的主要方式，根據(jù)失效形式的不同可以分為損壞、變形、刺漏和斷裂幾類。不同的失效形式有不同的表現(xiàn)，產(chǎn)生的原因也各不相同，通過(guò)分類、分析可以更好的研究鉆具的失效類型，以便更好的防止鉆具失效的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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[2]呂拴錄，王震，康延軍等.MJ1井鉆具斷裂原因分析鉆采工藝.2009.3，P79-80.

（作者單位：中石化勝利石油工程有限公司西南分公司）