鉆具常見失效形式

摘要：鉆具是鉆井的主要工具，它在堅硬的地層中鉆進時所處環(huán)境復雜，載荷多樣，受力多變且復合易導致鉆具失效，根據(jù)鉆具失效形式的不同可分為表面損壞、過量變形、鉆具刺漏和斷裂幾大類。腐蝕、磨損、機械損傷都屬于表面損壞，鉆具斷裂又可分為過載斷裂、脆性斷裂、應力腐蝕斷裂等。

關鍵詞：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到令人滿意的預期功能或受到較嚴重損傷不能繼續(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，在這些作用下鉆具會腐蝕、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

鉆具使用過程中，表面損壞經(jīng)常發(fā)生，到一定程度時會影響到鉆具的安全使用，導致鉆具的降級，甚至報廢。表面損壞形式主要如下：

1.1腐蝕：鉆具多為鐵合金，在使用、存放過程中鉆井過程中注入的鉆井液、地層流體以及CO2、H2S氣體等都會造成鉆具的腐蝕。最常見的腐蝕形式有均勻腐蝕，即整個鉆具出現(xiàn)銹蝕，鉆具壁變薄。斑點腐蝕，這類腐蝕像斑點一樣分布在鉆具內(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，整根鉆具報廢。受力最大部位可能發(fā)生應力腐蝕，這類腐蝕危害性最大。

1.2 磨損：鉆具鉆進過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)、井壁的顆粒等對螺紋的磨損多屬于磨料磨損。鉆具在交變接觸應力作用下，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。在堅硬地層中鉆具磨損加劇，易產(chǎn)生摩擦裂紋。

1.3 機械損傷：機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對鉆具本體造成壓痕等。

2、過量變形

鉆具過量變形包括鉆具本體超過極限的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠扁等，或超載后的螺紋部分或整個本體的伸長，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、螺紋的加厚過渡帶區(qū)域和螺紋根部三個位置，其中加厚過渡帶區(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，造成明顯刺痕。

4、鉆具斷裂

鉆具斷裂是危害較嚴重的一類鉆具失效事故。主要包括以下幾種：

4.1過載斷裂：施加到鉆具上的載荷超過了其承載能力就會發(fā)生過載斷裂，過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大的比例，脆性斷裂端口平齊。這種斷裂前沒有前兆，一般是在不知不覺中發(fā)生，是最危險的斷裂方式之一。

4.3氫脆斷裂：鉆具在含氫量較高的環(huán)境中，如水、酸、氫氣中時溶于鋼中的氫，在拉應力作用下可使材料產(chǎn)生氫脆。實際中硫化氫或鹽酸造成的鉆柱應力腐蝕斷裂也是因為氫的作用。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 應力腐蝕斷裂：是應力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的斷裂，斷口具有脆性斷口形貌。對鉆具來說主要是工作在含硫油氣井中時硫化物應力腐蝕斷裂和在某些腐蝕介質(zhì)（如鹽酸、氯化物類）中的應力腐蝕斷裂。

4.5 疲勞斷裂：鉆具在交變載荷下較長時間運轉(zhuǎn)時，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，鉆桿直角臺肩根部也會發(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)生在應力集中嚴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

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（作者單位：中石化勝利石油工程有限公司西南分公司）