鉆桿加厚過渡區失效原因分析及預防措施

李沛軒

關鍵詞：加厚過渡區;刺漏;腐蝕 ;預防措施

1. 引言

鉆桿加厚過渡區管體刺漏是鉆桿失效的主要形式之一，該處由于幾何形狀發生變化，應力比較集中，并且在井下，高速的鉆井液體流過鉆桿內加厚過渡區時，流場發生突變，造成較大的局部渦流和較大的壓力波動，且會在局部出現超低壓，加上泥漿的腐蝕，所以極易發生鉆桿刺漏，每年都有一定數量的加厚過渡區管體刺漏，損失比較大，為確保鉆井安全。

2. 鉆桿加厚過渡區的服役條件

2.1 鉆桿加厚過渡區的應力分析

鉆柱在鉆井過程中，根據不同的鉆井方式，在不同的工作狀態和不同的位置上作用著不同的載荷，這些載荷包括軸向力、徑向擠壓力、彎曲力矩、離心力、扭矩和振動載荷，這些載荷或單獨存在，或同時存在，使鉆柱的的受力呈現復雜狀態。

2.2 泥漿在鉆桿加厚過渡區的影響

根據統計數據，鉆桿加厚過渡區刺漏絕大部分發生在內螺紋接頭端，內螺紋端泥漿流道結構的變化是由小到大，鉆桿接頭處的流道最小，加厚過渡帶流道稍大一些，鉆桿本體內的流道最大，管內的靜壓力隨著流道尺寸的擴大而逐漸增大，泥漿經過擴大的的流道，管內截面積增大，如果入口的流量保持不變，那么流體的速度將隨著流道的擴大而減小，同時由于泥漿的總能量保持不變，而壓力將隨著流道的逐漸擴大而增大，屬于一個增壓過程。

2.3 鉆井液對鉆柱的腐蝕

鉆柱在正常工作過程中處于鉆井液中。鉆井液是由固體、液體和化學處理劑組成的負

重混合液，一般均有一定的腐蝕性。鉆井液的腐蝕性取決于它的組成，根據添加劑的不同，其ph值多在8～12之間。鉆柱在工作過程中，由于鉆井液和其它腐蝕介質與鉆柱的相互作用，會嚴重降低鉆柱的使用壽命，鉆井液的PH值越低，對鉆柱的腐蝕越嚴重。除鉆井液外，在鉆井過程中經常遇到的腐蝕介質有溶解氧、二氧化碳、硫化氫、溶解鹽類等。

3. 鉆桿加厚過渡區的失效過程

鉆桿加厚過渡區的失效機理為腐蝕疲勞。鉆桿腐蝕疲勞失效是腐蝕介質（鉆井泥漿與井下介質）和彎曲交變應力共同作用的結果。鉆桿加厚過渡區腐蝕疲勞的失效過程為：沖刷鉆桿內涂層、蝕坑的形成、裂紋的萌生、裂紋的擴展、裂紋的刺穿。

3.1 鉆桿加厚區內涂層的破壞

內涂層的主要作用是保護鉆桿內壁，其結構是在鉆桿內壁噴涂一層耐腐蝕的有機材料，把鉆桿內壁與泥漿隔離開來，起到防腐蝕的作用。

3.2 蝕坑的形成

蝕坑的形成與腐蝕介質，尤其是鉆井泥漿有關。泥漿的PH值一般呈弱堿性，而且不可避免地含有溶解氧和CI-，具有較強的腐蝕性。

當鉆井泥漿中有溶解氧存在時，由于鉆桿管壁直接裸露在含氧介質中，其表面易發生吸氧腐蝕反應：

陽極反應：Fe-2e→Fe2+

陰極反應：O2+2H2O+4e→4OH-

總反應式：2Fe+O2+2H2O→4OH-

亞鐵離子隨后水解生成Fe O，若脫水并進一步氧化會變成F e2O3，腐蝕產物對腐蝕的動力學影響很大，一般情況下FeO和Fe2O3都是疏松多孔的，與基體的附著力差，不起保護作用，使氧腐蝕無阻礙地繼續進行下去。

3.3 裂紋的萌生

在使用過程中，由于腐蝕介質的作用，鉆桿內外壁尤其是斷口附近產生大量的腐蝕坑。在外加應力和腐蝕介質的共同作用下，腐蝕不斷加速，在腐蝕坑底部導致應力集中。外加應力循環一定周次后，蝕坑底部開始萌生裂紋。

3.4 裂紋的擴展

腐蝕疲勞裂紋在交變應力和腐蝕介質作用下迅速擴展。蝕坑底部萌生的多條裂紋平行地分布與鉆桿內外壁的水平面上。由于交變應力隨著鉆桿截面減小而增大，因此裂紋尖端擴展至一定長度與另一擴展裂紋相遇，擴展將進一步加快。

3.5 裂紋的刺穿

由于裂紋的不斷擴展，裂紋部位的壁厚也逐漸減薄，當剩余壁厚不足以承受鉆桿內壁壓力的時候，鉆桿內壁的高壓鉆井液沖破剩余壁厚，最終形成鉆桿刺穿孔洞。

4. 鉆桿加厚過渡區管體刺漏失效的預防措施

4.1 控制泵壓和轉盤轉速

高泵壓下沖蝕作用強，加劇了鉆桿加厚過渡帶的刺漏，轉盤的高轉速提高了鉆桿的彎曲應力和泥漿的壁面剪切應力，也加速了鉆桿加厚過渡帶的刺漏，因此應適當控制泵壓和轉盤轉速，以減少鉆桿加厚過渡帶的刺漏。

4.2 要求過渡帶幾何尺寸

鉆桿加厚過渡帶的幾何尺寸對刺漏的關系很大，在鉆桿購置過程當中，要特別對這些尺寸提出技術要求。

4.3 鉆井液管理

加強鉆井液的管理，在條件允許的情況下，使PH值保持在10或10以上，同時在鉆桿存放前，應當清洗、吹干。

4.4 保護好鉆桿內涂層

鉆桿加厚過渡區管體刺漏失效的第一步是內涂層被破壞，破壞內涂層的途徑除加厚過渡區受到拉伸、扭轉、彎曲應力，泥漿的沖刷，還與井隊使用鉆桿濾清器，及使用金屬尖銳硬物通鉆桿水眼有關，為此采取以下措施：

4.4.1 設計鉆桿濾清器保護裝置

鉆桿濾清器對鉆桿加厚過渡區的危害是比較大的，近幾年鉆桿刺漏的統計也證明了這一點，在使用螺桿鉆具、渦輪鉆具鉆井，及使用鉆井儀器時，為防止鉆井液中的大顆粒或其他物質堵塞儀器，不得不使用鉆桿濾清器，從而造成對鉆桿的危害。

要解決濾清器對鉆桿的危害，進一步分析研究，鉆桿濾清器一般安裝在方鉆桿以下第一根鉆桿內，才產生對鉆桿的損害，設想有一種裝置專門放置鉆桿濾清器，濾清器傷害只能傷害這種裝置，傷害不到鉆桿。有了這種裝置，既保護了鉆桿，又不妨礙井隊使用鉆桿濾清器。

為防止通徑規對內涂層產生破壞作用，通徑規由尼龍材料制成。

5. 結論

通過對鉆桿加厚過渡帶發生失效的原因分析，制定了一系列的預防措施，在現場應用后，降低了鉆桿加厚過渡帶的失效幾率，2020年鉆桿管體刺漏22起，2021年14起，降低了8起，基本遏制了鉆桿加厚過渡帶失效上升的趨勢。

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