超深井钻井钻具失效分析

超深井钻井钻具失效分析[摘要]超深井钻井在施工中经常发生断钻铤、卡钻事故和井漏、井壁失稳、钻具偏磨等复杂情况。这些事故及复杂情况严重地制约了钻井速度，同时造成了一定的经济损失。通过对钻具失效情况进行分析，总结了经验教训，对今后超深井钻井的施工有一定的借鉴和指导意义。[关键词]超深井钻井；钻具断裂；钻具失效；钻具损伤[内容]1钻具失效分析钻具失效形式主要有钻具断裂、钻具刺漏、钻具内螺纹接头涨扣、钻具内螺纹接头开裂、钻具偏磨等等。尤其是在深井、超深井以及水平井、大位移井等复杂井的作业过程中，钻具断裂的危害尤其严重，轻者增加钻井成本，延长钻井周期，重者导致填井侧钻甚至于整井报废。在深井、超深井等复杂井的钻探作业中，用双扭矩台肩的钻具可以有效的提高钻具承载能力，降低钻具的断裂失效事故，提高钻具的安全可靠性。2.1失效分析的程序和步骤失效分析程序图：截取试样金相分析微观断口分析化学成分分析常规力学分析确定失效的性质综合分析确定失效的原因下步改进的措施现场调查及残骸分析调查加工和服役历史初步观察分析无损检测分析失效（故障）发生宏观断口分析2.2整个失效分析过程的几个环节：收集失效件的背景数据。主要包括加工制造历史、服役条件和服役历史。失效件的外观检查。包括：失效件的变形情况，有无镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、缩径、断面解理形状等；失效件表面的加工缺陷，如：焊疤、折叠、瘢痕、刮伤、刀痕、裂纹等。断裂部位所在的位置，是否在键槽、尖角、凹坑等应力集中处。观察表面有无氧化、腐蚀、撕咬、磨损、龟裂、麻坑等。察看相联件的情况。1）断口分析：断口记录了断裂材料主裂缝所留下的痕迹。通过对断口形貌的分析，不仅可以得到有关部件使用条件和失效特点的资料，还可以了解断口附近材料的性质和状况，进而判明断裂源、裂纹扩展方向和断裂顺序，确定断裂的性质，从而找到断裂的主要原因。钻柱的服役条件及主要失效类型2）钻柱的工作状态在钻井过程中，钻柱是在起下钻和正常钻进两种工序中交替工作的。起下钻时，钻柱处于受拉状态；钻进过程中，其状态比较复杂，处于由拉、压、扭等状态。在转盘钻进时，钻柱好似一根细长的旋转轴。在部分自重产生的轴向压力作用下，下部钻具不稳定呈弯曲状态，由于受到井眼的限制，可产生多次弯曲；上部钻具由于旋转产生的离心力作用不能保持直线状态，再加上扭矩的作用，整个钻柱成一个近似螺旋形曲线的形式进行复杂的旋转运动。成螺旋形的钻柱在井中有公转、自传、自转和反公转三种运动方式。自转---指整个钻柱在井中绕自身轴线旋转。这样的转动使钻具均匀磨损，并经受交变弯曲应力而使钻具产生疲劳。公转---钻柱在压力、拉力、离心力和扭矩的联合作用下，其轴线弯曲成变波平面正弦曲线形状，整个轴线按转盘的旋向绕井眼轴线旋转。这样的旋转式钻具与井壁摩擦产生偏磨。反公转钻柱在自转和公转过程中，由于受到钻井液摩擦阻力、井壁阻力和井底地层对钻头抵抗力的影响，会产生反公转，从而使钻头横向摆动，影响钻头的使用和钻具的使用寿命。3钻柱的受力分析钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，在不同的工作状态和不同的位置作用着不同的载荷。概括起来，钻柱在井内主要受有以下几方面力的作用：3.1轴向力有钻柱自重、钻井液对钻具的浮力、井壁和钻井液对钻具的摩擦阻力、钻压等。一般情况下，井口的拉力最大，中和点”下部钻具因钻压的作用，承受压力，井底压力最大。在钻井液中钻柱受到浮力的作用，轴向拉力会减小；在起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。下钻时则与起钻承载相反。径向挤压力起下钻作业时，卡瓦对钻柱产生的挤压力。管外液柱产生的挤压力。地层形变产生的挤压力。3.2弯曲扭矩弯曲力矩是因钻柱上有弯曲变形存在而产生。正常钻进时，当下部钻柱受压弯曲时，以及转盘钻进中由于离心力的作用和井眼偏斜、弯曲等都能使钻柱发生弯曲，于是产生弯矩。弯曲的钻柱在绕自身轴线旋转时，就会承受交变的弯曲应力。最大的弯曲应力产生在挠度最大处。3.3离心力弯曲的钻柱绕井眼轴心旋转时产生的离心力，可使钻柱更加弯曲，使弯曲应力增加。3.4扭转力矩转盘通过钻柱带动钻头旋转，破碎岩石，并克服钻柱与井壁和钻井液的摩擦阻力，使钻柱承受扭转力矩。由于受到井壁和钻井液摩擦阻力的影响，井口的扭矩比井底大。当在井底使用动力钻具（涡轮钻具、螺杆钻具等）时，作用在钻柱上的反扭矩，井底大于井口。钻柱的振动钻进时，由于地层的软硬不均、井底不平，特别是用牙轮钻头时，牙轮的滚动，引起钻柱纵向振动，使“中和点”上下移动，产生交变的挤压应力。当外界周期的干扰力与钻柱的固有频率相同时，引起共振，出现剧烈的“跳钻”。跳钻会引起钻柱的疲劳破坏。钻柱的旋转还会使钻具产生两种振动。第一种是由于钻头结构、地层、钻压等因素的变化引起的扭转振动。当转速达到某一临界值时，钻柱出现扭转共振，即“蹩跳”。第二种是横向振动。这是在转速达到某一临界转速下，钻柱出现的自激晃振摆动，它会引起钻柱的严重偏磨和弯曲疲劳破坏。3.5动载起下钻过程中，由于钻柱运动速度的变化，会引起钻柱的纵向动载，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力。动载的大小与操作有关。由以上分析得知，井口和井底附近的钻柱所承受的拉力、扭矩、弯曲和冲击力等均较大。但上述几种载荷有些是同时出现，使钻柱的受力呈现复杂状态。钻柱的主要失效类型根据上面对钻柱服役条件的分析，钻柱的受力状态十分复杂，失效的形式也多种多样。既有静载，又有冲击载荷，而且拉、压、弯、扭无一不有，且大都是交变载荷。工作时又要受到腐蚀、磨损、温度及压力的影响。归纳起来，主要有过量变形、断裂和表面损伤三类。过量变形它是由于工作应力超过材料的屈服极限引起的。钻柱的过量变形主要有螺纹部分的拉长，钻杆本体的弯曲和扭曲（即螺旋形弯曲）。其中钻杆本体的弯曲和扭曲比较常见。断裂5钻柱断裂原因分析钻柱的断裂时有发生，在钻柱失效中的比例较大，它的危害也严重。断裂主要形式有过载断裂、低应力脆裂、应力腐蚀、氢脆断裂、疲劳断裂和腐蚀疲劳破裂等。过载断裂：它是由于工作应力超过材料的抗拉强度引起。如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂及蹩钻时的钻杆管体折裂。1）低应力脆裂：低应力脆裂与表面或内部存在缺陷及不良的显微组织有关，也与受力部位交变频繁受力有关。如焊缝的脆性断裂、钻铤接头螺纹部位脆性断裂。低应力脆性断裂的主要特点是，脆断时的使用应力一般低于其屈服强度；易从应力集中严重处断裂，尤其受到冲击载荷时更为显著；宏观断口齐平，无明显塑性变形。2）应力腐蚀断裂：它是钻柱失效的常见形式。如钻柱在含硫油气井中硫化物应力腐蚀破裂，钻柱接触某些腐蚀介质（如盐酸、盐类）时的应力腐蚀开裂。有经验表明，应力集中处对腐蚀介质的敏感度有增强作用，这对钻具的失效具有不良的促进作用。硬的和脆性钢比韧性钢更容易发生应力腐蚀破坏。3）氢脆：当金属晶格中吸附有过多的氢原子时，在拉应力的作用下可使材料产生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的应力腐蚀其本质是由于氢的作用造成的，所以叫氢脆。尤其对高强度钢更是敏感。在川东地区因地层含硫禁止使用高钢级钻杆，推荐使用抗硫钻杆。疲劳：一般发生于钻杆内加厚过渡区、钻杆、钻铤和转换接头螺纹部位等截面变化区域或因表面损伤而造成的应力集中区。如接头螺纹根部的疲劳断裂（为此曾在螺纹根部端设计应用应力减轻槽），钻杆过渡带疲劳腐蚀刺穿和方钻杆标尺焊疤处材料组织的改变引起的应力集中造成的疲劳腐蚀刺穿。4）疲劳腐蚀：是交変载荷和钻井液等腐蚀介质联合作用的结果，在钻柱失效中约占40%，且以钻杆为主。在钻杆失效中，约80%为腐蚀疲劳。与普通疲劳一样，裂纹产生于应力集中严重部位或一表面腐蚀坑等为萌生裂纹源并扩展。最典型的是钻铤螺纹根部的疲劳裂纹和钻杆过渡带疲劳裂纹刺穿。表面损伤包括腐蚀、磨损和机械损伤三方面。表面损伤比较容易发现和判断。腐蚀：均匀腐蚀，它是由于化学或电化学反应造成的金属暴露的全部表面或大部分表面上发生的腐蚀。如钻具锈蚀。点蚀（小孔腐蚀），如钻杆存放或使用过程中内外表面的不均腐蚀，点蚀常常会诱导腐蚀疲劳和应力腐蚀或脆性断裂。缝隙腐蚀，如钻杆内加厚过渡区表面褶皱处的钻井液腐蚀。磨损：粘着磨损：如钻具螺纹部位的磨损。磨料磨损：如井壁对钻柱的磨损。冲蚀磨损：如钻柱内外表面及螺纹连接部分受到钻井液的冲蚀损坏。机械损伤：如表面碰伤、焊疤、大钳卡瓦及其他工具咬伤6、断口分析钻具横截面多为圆环形，造成断裂的因素很多，所以其断口形貌与典型试件的端口并不完全相同，但其基本特征是一样的。掌握典型试件的断口特征后，就可对钻具断裂事故进行分析并推断其断裂原因。断口的宏观分析用肉眼或用放大倍数1-20北的放大镜对端口进行观察。这种方法能全面地观察断口，是断口分析的主要手段。从宏观分析中大体可以判断出断裂的类型（韧性、脆性和疲劳），同时也可以大体上找出断裂源和裂纹扩展途径，粗略地找出破坏原因。但由于其放大倍数太小，不能细致地观察断口的细节和微观形态。1、静载下的断口宏貌1）光滑圆柱形试样光滑圆柱形试样的静拉伸断口，一般是杯锥状的。由纤维区、放射区和剪切唇所组成。（如图）SFRSRF图A光滑圆柱试样的拉伸断口S—剪切唇；R—放射区；F—纤维区断裂裂纹起源于纤维区，并在此区缓慢地扩展，当达到一定尺寸后（裂纹临界尺寸），裂纹开始快速扩展（或称不稳定扩展）而形成放射区，此时材料由于有效面积的减小，应力状态则由三向应力状态变为二向平面应力状态，最后在平面应力状态的拉伸应力作用下而破坏，形成剪切唇。（1）纤维区对于光滑圆柱试样，纤维区往往位于断口中央，成粗糙的纤维状圆环形花样特征。在正应力作用下，由于缩颈而产生三向应力，以最小截面处的轴向应力为最大。这些三向应力对于裂纹的产生有很大影响，某些非金属夹杂物，渗碳体或某些第二相质点，缺陷将促进裂纹的形成。因此裂纹便在这些地方成核长大，裂纹扩展的宏观平面垂直于拉伸应力方向。对于单相金属，普通碳钢或珠光体钢，首先在缩颈中央形成显微空间，然后空洞长大，聚集而成锯齿状的纤维断口。对于合金，如强度较高的马氏体，其纤维区则是由杯形剪切背所构成。纤维区中央或接近中央的区域有一个或几个圆锥坑，是裂纹的起始处，即裂纹核心。大量实验说明，裂纹核心总有夹杂物存在。（2）放射区与纤维区相邻的是放射区，有放射花样特征。纤维区与放射区交界线标志着裂纹有缓慢扩展向快速扩展的转化。放射线平行于裂纹扩展的方向，而且垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆向裂纹起始点。放射花样也是有材料的剪切变形所造成，与纤维区不同的是在裂纹达到临界尺寸后，快速低能撕裂，材料的宏观塑性变形量很小，表现为脆性断裂，但在微观局部区域，仍有很大的塑性变形，所以放射花样是剪切型的低能撕裂的一种标志。（3）剪切唇剪切唇在断裂过程的最后阶段形成。其表面光滑，与拉力方向呈45°角。在剪切唇区域中，裂纹扩展也是快速的，但它是在平面应力状态下发生的不稳定裂纹扩展。光滑圆柱试样尺寸由小变大，其放射区增大很快，剪切唇稍有增加，而纤维区几乎不变，可见对一定材料，其裂纹扩展的临界尺寸几乎是一定的。（4）缺口圆柱试样其裂纹源位置在缺口处或接近缺口处。裂纹从表面向心部扩展，其破坏区比其它区域要粗糙很多。这是因为裂纹向心部扩展后，心部的应力已由三向应力状态变为平面应力状态而发生韧性破坏的缘故。如果缺口较钝，裂纹源也可能在试样的心部形成。但由于试样表面受缺口约束，所以剪切唇受到很大的限制，甚至不存在剪切唇。7冲击断口宏貌冲击断口形貌如下图所示。首先裂纹源在缺口附近形成，然后是纤维区、放射区。由于无缺口一边是受压应力，裂纹又是快速传播的，所以当拉应力区的放射区进入压缩区时，放射区终止，再度出现纤维区，三个自由表面的剪切唇与其相连，连接边呈弧形。有时放射区可能全部消失，而整个截断面只有纤维区和剪切唇两个区域。疲劳端口一般有疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬间断裂区。疲劳源是疲劳破坏的起始点。一般常在表面，但如果材料内部存在严重缺陷，如脆性夹杂物、空洞、化学成分偏析等，也可能在内部发生。疲劳源有时不止一个，尤其是超负荷疲劳，其应力级较大，断口上常出现几个位于不同深度的疲劳源。疲劳裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征，