超深井鉆井鉆具失效

1、超深井鉆井鉆具失效分析摘 要超深井鉆井在施工中經常發(fā)生斷鉆鋌、卡鉆事故和井漏、井壁失穩(wěn)、鉆具偏磨等復雜情況。這些事故及復雜情況嚴重地制約了鉆井速度，同時造成了一定的經濟損失。通過對鉆具失效情況進行分析，總結了經驗教訓，對今后超深井鉆井的施工有一定的借鑒和指導意義。關鍵詞超深井鉆井；鉆具斷裂；鉆具失效；鉆具損傷內容1 鉆具失效分析鉆具失效形式主要有鉆具斷裂、鉆具刺漏、鉆具內螺紋接頭漲扣、鉆具內螺紋接頭開裂、鉆具偏磨等等。尤其是在深井、超深井以及水平井、大位移井等復雜井的作業(yè)過程中，鉆具斷裂的危害尤其嚴重，輕者增加鉆井成本，延長鉆井周期，重者導致填井側鉆甚至于整井報廢。在深井、超深井等復雜井的鉆探

2、作業(yè)中，用雙扭矩臺肩的鉆具可以有效的提高鉆具承載能力，降低鉆具的斷裂失效事故，提高鉆具的安全可靠性。2 .1失效分析的程序和步驟失效分析程序圖：截取試樣金相分析微觀斷口分析化學成分分析常規(guī)力學分析確定失效的性質綜合分析確定失效的原因下步改進的措施現場調查及殘骸分析調查加工和服役歷史初步觀察分析無損檢測分析失效（故障）發(fā)生宏觀斷口分析2.2整個失效分析過程的幾個環(huán)節(jié)：收集失效件的背景數據。主要包括加工制造歷史、服役條件和服役歷史。失效件的外觀檢查。包括：失效件的變形情況，有無鐓粗、下陷、內孔擴大、彎曲、縮徑、斷面解理形狀等；失效件表面的加工缺陷，如：焊疤、折疊、瘢痕、刮傷、刀痕、裂紋等。斷裂部位

3、所在的位置，是否在鍵槽、尖角、凹坑等應力集中處。觀察表面有無氧化、腐蝕、撕咬、磨損、龜裂、麻坑等。察看相聯(lián)件的情況。1）斷口分析：斷口記錄了斷裂材料主裂縫所留下的痕跡。通過對斷口形貌的分析，不僅可以得到有關部件使用條件和失效特點的資料，還可以了解斷口附近材料的性質和狀況，進而判明斷裂源、裂紋擴展方向和斷裂順序，確定斷裂的性質，從而找到斷裂的主要原因。鉆柱的服役條件及主要失效類型2）鉆柱的工作狀態(tài) 在鉆井過程中，鉆柱是在起下鉆和正常鉆進兩種工序中交替工作的。起下鉆時，鉆柱處于受拉狀態(tài)；鉆進過程中，其狀態(tài)比較復雜，處于由拉、壓、扭等狀態(tài)。在轉盤鉆進時，鉆柱好似一根細長的旋轉軸。在部分自重產生的軸向

4、壓力作用下，下部鉆具不穩(wěn)定呈彎曲狀態(tài)，由于受到井眼的限制，可產生多次彎曲；上部鉆具由于旋轉產生的離心力作用不能保持直線狀態(tài)，再加上扭矩的作用，整個鉆柱成一個近似螺旋形曲線的形式進行復雜的旋轉運動。成螺旋形的鉆柱在井中有公轉、自傳、自轉和反公轉三種運動方式。自轉-指整個鉆柱在井中繞自身軸線旋轉。這樣的轉動使鉆具均勻磨損，并經受交變彎曲應力而使鉆具產生疲勞。公轉-鉆柱在壓力、拉力、離心力和扭矩的聯(lián)合作用下，其軸線彎曲成變波平面正弦曲線形狀，整個軸線按轉盤的旋向繞井眼軸線旋轉。這樣的旋轉式鉆具與井壁摩擦產生偏磨。反公轉鉆柱在自轉和公轉過程中，由于受到鉆井液摩擦阻力、井壁阻力和井底地層對鉆頭抵抗力的影

5、響，會產生反公轉，從而使鉆頭橫向擺動，影響鉆頭的使用和鉆具的使用壽命。3 鉆柱的受力分析鉆柱的受力狀態(tài)與所選用的鉆井方式有關，在不同的工作狀態(tài)和不同的位置作用著不同的載荷。概括起來，鉆柱在井內主要受有以下幾方面力的作用：3.1 軸向力 有鉆柱自重、鉆井液對鉆具的浮力、井壁和鉆井液對鉆具的摩擦阻力、鉆壓等。一般情況下，井口的拉力最大，"中和點”下部鉆具因鉆壓的作用，承受壓力，井底壓力最大。在鉆井液中鉆柱受到浮力的作用，軸向拉力會減?。辉谄疸@過程中，鉆柱與井壁之間的摩擦力以及遇阻、遇卡，均會增大鉆柱上的拉伸載荷。下鉆時則與起鉆承載相反。徑向擠壓力起下鉆作業(yè)時，卡瓦對鉆柱產生的擠壓力。管外

6、液柱產生的擠壓力。地層形變產生的擠壓力。3.2 彎曲扭矩 彎曲力矩是因鉆柱上有彎曲變形存在而產生。正常鉆進時，當下部鉆柱受壓彎曲時，以及轉盤鉆進中由于離心力的作用和井眼偏斜、彎曲等都能使鉆柱發(fā)生彎曲，于是產生彎矩。彎曲的鉆柱在繞自身軸線旋轉時，就會承受交變的彎曲應力。最大的彎曲應力產生在撓度最大處。3.3 離心力彎曲的鉆柱繞井眼軸心旋轉時產生的離心力，可使鉆柱更加彎曲，使彎曲應力增加。3.4 扭轉力矩 轉盤通過鉆柱帶動鉆頭旋轉，破碎巖石，并克服鉆柱與井壁和鉆井液的摩擦阻力，使鉆柱承受扭轉力矩。由于受到井壁和鉆井液摩擦阻力的影響，井口的扭矩比井底大。當在井底使用動力鉆具（渦輪鉆具、螺桿鉆具等）時

7、，作用在鉆柱上的反扭矩，井底大于井口。鉆柱的振動 鉆進時，由于地層的軟硬不均、井底不平，特別是用牙輪鉆頭時，牙輪的滾動，引起鉆柱縱向振動，使“中和點”上下移動，產生交變的擠壓應力。當外界周期的干擾力與鉆柱的固有頻率相同時，引起共振，出現劇烈的“跳鉆”。跳鉆會引起鉆柱的疲勞破壞。 鉆柱的旋轉還會使鉆具產生兩種振動。第一種是由于鉆頭結構、地層、鉆壓等因素的變化引起的扭轉振動。當轉速達到某一臨界值時，鉆柱出現扭轉共振，即“蹩跳”。第二種是橫向振動。這是在轉速達到某一臨界轉速下，鉆柱出現的自激晃振擺動，它會引起鉆柱的嚴重偏磨和彎曲疲勞破壞。3.5 動載 起下鉆過程中，由于鉆柱運動速度的變化，會引起鉆柱

8、的縱向動載，在鉆柱中產生縱向瞬時交變應力。動載的大小與操作有關。 由以上分析得知，井口和井底附近的鉆柱所承受的拉力、扭矩、彎曲和沖擊力等均較大。但上述幾種載荷有些是同時出現，使鉆柱的受力呈現復雜狀態(tài)。鉆柱的主要失效類型 根據上面對鉆柱服役條件的分析，鉆柱的受力狀態(tài)十分復雜，失效的形式也多種多樣。既有靜載，又有沖擊載荷，而且拉、壓、彎、扭無一不有，且大都是交變載荷。工作時又要受到腐蝕、磨損、溫度及壓力的影響。歸納起來，主要有過量變形、斷裂和表面損傷三類。過量變形 它是由于工作應力超過材料的屈服極限引起的。鉆柱的過量變形主要有螺紋部分的拉長，鉆桿本體的彎曲和扭曲（即螺旋形彎曲）。其中鉆桿本體的彎曲

9、和扭曲比較常見。斷裂5鉆柱斷裂原因分析 鉆柱的斷裂時有發(fā)生，在鉆柱失效中的比例較大，它的危害也嚴重。斷裂主要形式有過載斷裂、低應力脆裂、應力腐蝕、氫脆斷裂、疲勞斷裂和腐蝕疲勞破裂等。過載斷裂：它是由于工作應力超過材料的抗拉強度引起。如鉆桿遇卡提升時焊縫熱影響區(qū)的斷裂及蹩鉆時的鉆桿管體折裂。 1）低應力脆裂：低應力脆裂與表面或內部存在缺陷及不良的顯微組織有關，也與受力部位交變頻繁受力有關。如焊縫的脆性斷裂、鉆鋌接頭螺紋部位脆性斷裂。低應力脆性斷裂的主要特點是，脆斷時的使用應力一般低于其屈服強度；易從應力集中嚴重處斷裂，尤其受到沖擊載荷時更為顯著；宏觀斷口齊平，無明顯塑性變形。 2）應力腐蝕斷裂：

10、它是鉆柱失效的常見形式。如鉆柱在含硫油氣井中硫化物應力腐蝕破裂，鉆柱接觸某些腐蝕介質（如鹽酸、鹽類）時的應力腐蝕開裂。有經驗表明，應力集中處對腐蝕介質的敏感度有增強作用，這對鉆具的失效具有不良的促進作用。硬的和脆性鋼比韌性鋼更容易發(fā)生應力腐蝕破壞。 3）氫脆：當金屬晶格中吸附有過多的氫原子時，在拉應力的作用下可使材料產生氫脆。實際上，由硫化氫和鹽酸引起的應力腐蝕其本質是由于氫的作用造成的，所以叫氫脆。尤其對高強度鋼更是敏感。在川東地區(qū)因地層含硫禁止使用高鋼級鉆桿，推薦使用抗硫鉆桿。疲勞：一般發(fā)生于鉆桿內加厚過渡區(qū)、鉆桿、鉆鋌和轉換接頭螺紋部位等截面變化區(qū)域或因表面損傷而造成的應力集中區(qū)。如接頭

11、螺紋根部的疲勞斷裂（為此曾在螺紋根部端設計應用應力減輕槽），鉆桿過渡帶疲勞腐蝕刺穿和方鉆桿標尺焊疤處材料組織的改變引起的應力集中造成的疲勞腐蝕刺穿。 4）疲勞腐蝕：是交変載荷和鉆井液等腐蝕介質聯(lián)合作用的結果，在鉆柱失效中約占40%，且以鉆桿為主。在鉆桿失效中，約80%為腐蝕疲勞。與普通疲勞一樣，裂紋產生于應力集中嚴重部位或一表面腐蝕坑等為萌生裂紋源并擴展。最典型的是鉆鋌螺紋根部的疲勞裂紋和鉆桿過渡帶疲勞裂紋刺穿。表面損傷 包括腐蝕、磨損和機械損傷三方面。表面損傷比較容易發(fā)現和判斷。腐蝕：均勻腐蝕，它是由于化學或電化學反應造成的金屬暴露的全部表面或大部分表面上發(fā)生的腐蝕。如鉆具銹蝕。點蝕（小孔腐

12、蝕），如鉆桿存放或使用過程中內外表面的不均腐蝕，點蝕常常會誘導腐蝕疲勞和應力腐蝕或脆性斷裂。縫隙腐蝕，如鉆桿內加厚過渡區(qū)表面褶皺處的鉆井液腐蝕。磨損：粘著磨損：如鉆具螺紋部位的磨損。磨料磨損：如井壁對鉆柱的磨損。沖蝕磨損：如鉆柱內外表面及螺紋連接部分受到鉆井液的沖蝕損壞。機械損傷：如表面碰傷、焊疤、大鉗卡瓦及其他工具咬傷6、斷口分析 鉆具橫截面多為圓環(huán)形，造成斷裂的因素很多，所以其斷口形貌與典型試件的端口并不完全相同，但其基本特征是一樣的。掌握典型試件的斷口特征后，就可對鉆具斷裂事故進行分析并推斷其斷裂原因。 斷口的宏觀分析 用肉眼或用放大倍數1-20北的放大鏡對端口進行觀察。這種方法能全面地

13、觀察斷口，是斷口分析的主要手段。 從宏觀分析中大體可以判斷出斷裂的類型（韌性、脆性和疲勞），同時也可以大體上找出斷裂源和裂紋擴展途徑，粗略地找出破壞原因。但由于其放大倍數太小，不能細致地觀察斷口的細節(jié)和微觀形態(tài)。 1、靜載下的斷口宏貌 1）光滑圓柱形試樣 光滑圓柱形試樣的靜拉伸斷口，一般是杯錐狀的。由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇所組成。（如圖）SFRSRF 圖A 光滑圓柱試樣的拉伸斷口S剪切唇；R放射區(qū)；F纖維區(qū) 斷裂裂紋起源于纖維區(qū)，并在此區(qū)緩慢地擴展，當達到一定尺寸后（裂紋臨界尺寸），裂紋開始快速擴展（或稱不穩(wěn)定擴展）而形成放射區(qū)，此時材料由于有效面積的減小，應力狀態(tài)則由三向應力狀態(tài)變?yōu)槎蚱矫?/p>

14、應力狀態(tài)，最后在平面應力狀態(tài)的拉伸應力作用下而破壞，形成剪切唇。 （1）纖維區(qū) 對于光滑圓柱試樣，纖維區(qū)往往位于斷口中央，成粗糙的纖維狀圓環(huán)形花樣特征。在正應力作用下，由于縮頸而產生三向應力，以最小截面處的軸向應力為最大。這些三向應力對于裂紋的產生有很大影響，某些非金屬夾雜物，滲碳體或某些第二相質點，缺陷將促進裂紋的形成。因此裂紋便在這些地方成核長大，裂紋擴展的宏觀平面垂直于拉伸應力方向。 對于單相金屬，普通碳鋼或珠光體鋼，首先在縮頸中央形成顯微空間，然后空洞長大，聚集而成鋸齒狀的纖維斷口。 對于合金，如強度較高的馬氏體，其纖維區(qū)則是由杯形剪切背所構成。纖維區(qū)中央或接近中央的區(qū)域有一個或幾個圓

15、錐坑，是裂紋的起始處，即裂紋核心。大量實驗說明，裂紋核心總有夾雜物存在。（2）放射區(qū) 與纖維區(qū)相鄰的是放射區(qū)，有放射花樣特征。纖維區(qū)與放射區(qū)交界線標志著裂紋有緩慢擴展向快速擴展的轉化。放射線平行于裂紋擴展的方向，而且垂直于裂紋前端的輪廓線，并逆向裂紋起始點。放射花樣也是有材料的剪切變形所造成，與纖維區(qū)不同的是在裂紋達到臨界尺寸后，快速低能撕裂，材料的宏觀塑性變形量很小，表現為脆性斷裂，但在微觀局部區(qū)域，仍有很大的塑性變形，所以放射花樣是剪切型的低能撕裂的一種標志。（3）剪切唇 剪切唇在斷裂過程的最后階段形成。其表面光滑，與拉力方向呈45°角。在剪切唇區(qū)域中，裂紋擴展也是快速的，但它是

16、在平面應力狀態(tài)下發(fā)生的不穩(wěn)定裂紋擴展。光滑圓柱試樣尺寸由小變大，其放射區(qū)增大很快，剪切唇稍有增加，而纖維區(qū)幾乎不變，可見對一定材料，其裂紋擴展的臨界尺寸幾乎是一定的。（4）缺口圓柱試樣 其裂紋源位置在缺口處或接近缺口處。裂紋從表面向心部擴展，其破壞區(qū)比其它區(qū)域要粗糙很多。這是因為裂紋向心部擴展后，心部的應力已由三向應力狀態(tài)變?yōu)槠矫鎽顟B(tài)而發(fā)生韌性破壞的緣故。如果缺口較鈍，裂紋源也可能在試樣的心部形成。但由于試樣表面受缺口約束，所以剪切唇受到很大的限制，甚至不存在剪切唇。7沖擊斷口宏貌 沖擊斷口形貌如下圖所示。首先裂紋源在缺口附近形成，然后是纖維區(qū)、放射區(qū)。由于無缺口一邊是受壓應力，裂紋又是快

17、速傳播的，所以當拉應力區(qū)的放射區(qū)進入壓縮區(qū)時，放射區(qū)終止，再度出現纖維區(qū)，三個自由表面的剪切唇與其相連，連接邊呈弧形。有時放射區(qū)可能全部消失，而整個截斷面只有纖維區(qū)和剪切唇兩個區(qū)域。 疲勞端口一般有疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。 疲勞源是疲勞破壞的起始點。一般常在表面，但如果材料內部存在嚴重缺陷，如脆性夾雜物、空洞、化學成分偏析等，也可能在內部發(fā)生。疲勞源有時不止一個，尤其是超負荷疲勞，其應力級較大，斷口上常出現幾個位于不同深度的疲勞源。 疲勞裂紋擴展區(qū)是疲勞斷口最重要的特征，其特征為貝紋狀花樣。這些條紋是裂紋前沿擴展時留下的痕跡。從疲勞源開始向四周推進。并與裂紋擴展方向垂直。當裂紋擴展

18、受到阻礙，或在使用過程中應力級改變時，也會在斷口上留下相應的貝紋狀推進線。在實驗室的恒應力試驗和低周次的疲勞試驗中，這種宏觀的貝紋狀花紋觀察不到。 裂紋擴展區(qū)對衡量材料的性能是很重要的，這個區(qū)大，表明裂紋臨界尺寸大，能較好地抵抗裂紋的擴展。即有足夠的斷裂韌性。 瞬時斷裂區(qū)是最后斷裂區(qū)。是疲勞裂紋達到一定尺寸后，工件的有效面積大為減少，以致不能承受逐漸增大的應力時而斷裂。對于脆性材料，瞬時斷裂區(qū)為結晶狀的脆性斷口，而對塑性材料，此斷裂區(qū)是纖維狀的塑性斷口，表面有剪切唇。 瞬時斷裂區(qū)的斷口形態(tài)與工件尺寸有關，當材料一定時，工件截面積愈大，愈容易達到平面應變條件，得到的是脆性斷口。 從瞬時斷裂區(qū)的大

19、小和位置，也能定性地估測工件負荷的大小。一般說，瞬時斷裂區(qū)面積越大，越靠近中心，則表示工件過載程度越大；相反其面積越小，其位置越靠近邊緣，則表示過載程度越小。8、沿晶斷裂和解理斷裂的宏觀特征 沿晶斷裂多屬于脆性斷裂，在一般正常熱處理的結構鋼中很少發(fā)生，只有在手腐蝕介質的作用時，才可能發(fā)生沿晶斷裂；有時在焊解熱影響區(qū)或焊縫中，由于“熱裂”作用也可能發(fā)生沿晶斷裂。 解理斷裂也屬于脆性斷裂，在這種斷裂中，裂紋主要沿解理面擴展，有時也可在滑移面或晶面上擴展，其斷口一般成人字形花樣。純解理斷口無人字形，而是結晶斷口。在粗晶中則可看到許多強烈反光的小平面，這就是解理平面，所以這種斷口又叫結晶狀斷口。9鉆具

20、失效分析和預防 據統(tǒng)計，我國每年發(fā)生鉆具事故數百起，經濟損失數億元。在鉆具失效停用數量中，按多少順序排列，依次為：腐蝕坑-均勻磨損-卡瓦損傷-偏磨-裂紋-其他。在此，我們結合實際重點講述鉆柱腐蝕與疲勞。 鉆具的疲勞破壞是最常見的，這種破壞是疲勞發(fā)展的一個過程，隨著疲勞裂紋的逐漸發(fā)展，最終導致拉斷、扭斷或刺穿。再則，鉆井液對鉆具有腐蝕作用，所以鉆柱的內壁腐蝕比較嚴重，檢測腐蝕和疲勞裂紋的工作難度較大，鉆桿管體內壁的潛在危險得不到及時發(fā)現，因此，鉆桿的刺穿和折斷較多，這都與腐蝕和疲勞有關。 1）鉆柱脆性斷裂失效分析及預防 脆性斷裂是指材料斷裂前不產生或僅僅產生很小的塑性變形，斷裂過程中單位體積所消

21、耗的能量很低的過程。與之相對的韌性斷裂，則指斷裂前產生顯著的塑性變形，單位體積消耗的能量較高的斷裂過程。脆性斷裂沒有任何預兆，往往是突發(fā)性的，危害較大。脆性斷裂的主要特點斷裂時的使用應力很低，一般低于屈服強度，故又稱低應力脆斷。易從應力集中區(qū)嚴重處斷裂，受沖擊載荷，尤為顯著。宏觀斷口齊平，結構粗糙，有放射狀花紋或人字紋。失效事故常常與材料韌性低或使用溫度低于其韌脆轉變溫度有關。與構件存在裂紋源（如疲勞裂紋、粘火裂紋等）有關。影響脆性斷裂的因素4）鉆柱疲勞失效分析及預防 疲勞失效在交變載荷（應力）作用下，經過長時間（或較多的應力循環(huán)周次）運轉后所發(fā)生的“突然”失效或破壞。鉆桿的疲勞失效是最常見的

22、，它是疲勞裂紋的發(fā)展過程，最后的形式是拉斷、扭斷或刺穿等。疲勞機理 在交變應力作用下，在晶體面會產生細?。?0-7mm）的滑移帶，這些滑移帶往往成為萌生疲勞裂紋的區(qū)域。疲勞應力越高，強烈滑移帶的數目越多，疲勞裂紋形成越早。另外腐蝕環(huán)境對疲勞裂紋的產生具有輔助作用，蝕坑也是裂紋源的滋生地。 鉆柱在井內鉆進時呈現彎曲螺旋狀，在彎曲井段旋轉的鉆柱總要受到交替變化的彎曲應力。鉆壓的變化、鉆柱中和點位置的變化，使中和點附近鉆柱承受交變的拉壓應力。由于鉆頭交替接觸井底，地層的變化、轉盤的旋轉等引起縱向振動、橫向振動和扭轉振動的周期變化的干擾力，也使鉆柱受到交變應力的作用。定向井技術的推廣、井下事故的處理等

23、使鉆柱的疲勞損壞更加嚴重。 疲勞失效的特點 斷裂突然發(fā)生，無明顯征兆。 破斷應力低于材料的抗拉強度，而且常常還低于材料的屈服強度。 在交變應力作用下，一般都在疲勞裂紋擴展到一定長度后失穩(wěn)而發(fā)生突然破壞，而且疲勞斷裂過程在宏觀形貌上沒有留下明顯的塑性變形。宏觀斷口一般都有疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)等三個區(qū)域。對產品表面及材料本身的缺陷高度敏感。疲勞裂紋最易產生在材料最薄弱處。反復承受彎曲或扭轉載荷，疲勞裂紋多萌生于表面。5） 鉆桿疲勞失效分析和預防 鉆桿內加厚過渡區(qū)處的應力集中較大，該處是截面突變處，易發(fā)生彎曲，是一個薄弱環(huán)節(jié)，是疲勞或腐蝕疲勞的危險區(qū)。鉆桿在交變應力的作用下，該處極易

24、產生裂紋，鉆井液在高壓作用下穿透裂紋，形成孔洞失效，當刺穿孔洞連成一片時，鉆桿的承載能力下降從而導致斷裂。失效部位基本都發(fā)生于距內外螺紋接頭臺肩450-550mm處，即內加厚過渡區(qū)與管體交界處。 有資料研究表明，鉆桿內加厚過渡區(qū)長度Miu越長，鉆桿的抗疲勞壽命也越高。如G105鉆桿在試驗應力幅為300MPa時，Miu70mm、R（內錐面與管體交界處的曲率半徑）200mm的鉆桿疲勞壽命比Miu33-37mm、R25-37mm的大8倍以上，比Miu70mm、R200mm的大26倍以上。目前，標準尚未對Miu、 R做出統(tǒng)一的規(guī)定。以下是有關單位對部分國外廠家鉆桿Miu、 R的測量數據：鉆桿生產廠家M

25、iu，mmR，mm日本鋼管15-350-20日本住友金屬35-5010-70新日本制鐵40-6550-100德國曼內斯曼40-7060-1506)鉆桿接頭螺紋的疲勞失效 鉆桿接頭螺紋的疲勞失效主要發(fā)生在兩個區(qū)域。一個是內螺紋接頭里端的第一個完整螺紋附近（里端2-3牙處），一個是在外螺紋接頭臺肩側的第一個完整螺紋附近（大端1-2扣處）。這與螺紋嚙合時的應力狀態(tài)有關。外螺紋與內螺紋接頭的嚙合是從第三牙（即第一個完整螺紋）開始的，而內螺紋則是從里端第2-3牙處與外螺紋接頭嚙合的，這兩個區(qū)域是連接區(qū)域內較大應力集中區(qū)。 鉆桿接頭螺紋斷裂失效相比鉆桿管體過渡帶刺穿比例要小得多。解決螺紋斷裂失效的辦法是改

26、變嚙合處的應力狀態(tài)，即加工應力減輕槽，但由于受到加工數量、材料成本的限制，似乎不太現實，因此，到目前為止，尚未見加工有應力減輕槽的鉆桿在使用，僅有的是受力復雜的加重鉆桿、鉆鋌。7)鉆桿螺紋斷裂原因主要有： 螺紋根部圓角半徑過小，根部應力集中大。 上扣扭矩過小，外螺紋在彎矩作用下第一完整螺紋嚙合處彎曲應力劇增。 內外螺紋接頭追堵無差配合不佳、旋合后剛度不相配合，從而產生應力集中。 鉆桿接頭吊卡臺肩處的疲勞失效 鉆桿接頭吊卡臺肩有兩種型式：90°和18°。 吊卡臺肩處是一截面突變處，尤其當90°直臺肩過渡圓角半徑較小時，應力集中較高，容易發(fā)生應力疲勞裂紋刺穿或斷裂失效

27、。試驗表明，直角臺肩處的圓角半徑大于6mm時，不容易發(fā)生疲勞破壞。當直角臺肩處的圓角半徑小于5mm時，容易發(fā)生疲勞破壞。 案例：華北某鉆井隊在使用5”G105 90°鉆桿鉆進至1800-2500m時接連發(fā)生吊卡臺肩根部刺穿、斷裂6起，后經超聲波探傷發(fā)現58根鉆桿吊卡臺肩根部存有裂紋缺陷。該套鉆具吊卡臺肩根部曲率半徑小于5mm，根部應力集中大，服役過程中在交變應力作用下萌生疲勞裂紋，最后導致刺漏。8)鉆鋌疲勞斷裂失效 現場調查表明，鉆鋌的斷裂尤其是鉆鋌螺紋的斷裂在鉆鋌失效事故中占有相當大的比例。與鉆桿接頭疲勞斷裂一樣，不同的是，鉆鋌螺紋斷裂失效幾率遠遠大于鉆桿接頭，原因主要是鉆鋌的服役

28、條件比鉆桿要復雜。 鉆鋌疲勞斷裂特征鉆鋌的疲勞破壞十分普遍，不同的地區(qū)均可發(fā)生。但深井地區(qū)和地層復雜地區(qū)更容易發(fā)生。鉆鋌的疲勞斷裂與鉆桿的疲勞斷裂一樣，大多發(fā)生在井斜變化大、方位變化比較大的“狗腿子”井段及井內。 鉆鋌疲勞斷裂均發(fā)生在接頭的螺紋部位。內螺紋接頭斷裂面一般在距螺紋消失第4-6牙處，外螺紋的斷裂面則在接頭臺肩側（大端）的第1-2牙附近，即位于內外螺紋連接的最后嚙合處。鉆鋌的疲勞斷裂裂紋一般起源于螺紋根部，并具有多源特征，與各種因素引起的應力集中增大有關。 鉆鋌疲勞斷裂與尺寸有很大關系，尺寸越大，越易發(fā)生。內外螺紋連接后的彎曲強度比對鉆鋌的疲勞失效又嚴重影響。 鉆鋌的疲勞失效與鉆鋌材

29、料的性能有關。低韌性的材料更容易發(fā)生早期疲勞失效。在苛刻井中，當應力集中較大，結構強度和材料韌性不足時，鉆鋌的疲勞失效極易發(fā)生。影響鉆鋌疲勞斷裂的因素螺紋結構因素-螺紋類型不當造成內外螺紋彎曲疲勞強度不平衡。API RG 7G推薦，平衡連接是彎曲強度比為2.5：1，在鉆井條件潤需的范圍內可在3.2：1-1.93：1之間變化。-不同的螺紋類型，其螺紋牙型及螺紋根部圓角半徑是不同的。選用具有較小圓角半徑的螺紋類型會在螺紋根部造成較大的應力集中。螺紋類型螺紋牙型及代號螺紋根部圓角半徑，mmNC23-NC77平齒頂、圓齒底V-0.038型螺紋0.9652 3/84 1/2REG、 3 1/2FH、4

30、1/2FH平齒頂、圓齒底V-0.040型螺紋0.5085 1/28 5/8REG、 5 1/2FH、6 5/8FH平齒頂、圓齒底V-0.050型螺紋0.6354FH、2 3/85 1/2IF平齒頂、圓齒底V-0.065型螺紋0.381從表中可以看出，數字型（NC）螺紋根部圓角半徑較大，應力集中系數較小。螺紋的加工質量-螺紋根部形狀及圓角半徑。-臺肩面寬度。-接頭完整螺紋長度。-其他螺紋參數。外徑磨損及內徑變大在實際鉆井中，由于內螺紋外徑磨損比外螺紋內徑磨損快得多，結果彎曲強度比相對減小。當彎曲強度比降至2.0：1以下時，可能發(fā)生內螺紋疲勞失效禍端不變形脹大直至縱裂。鉆鋌外徑磨損變小和內徑變大時

31、，疲勞壽命會下降。材料性能影響 鉆鋌材料性能直接影響彎曲疲勞壽命和失效形式。在一定范圍內，鉆鋌的抗拉強度越高，其彎曲疲勞極限越高。我國鉆鋌用鋼為中碳合金鋼。扭矩的影響-上扣扭矩。上扣扭矩太小，臺肩負荷不夠，壓不緊工作時易于分離，螺紋根部應力增大，容易發(fā)生早期疲勞失效，而且也易失去密封，造成鉆井液刺損螺紋和密封臺肩面。同時還容易造成二次進扣，導致內螺接頭脹大或縱裂，或外螺紋接頭危險界面上的應力增高，也易發(fā)生早期疲勞失效。上扣扭矩過大，會使螺紋部分的應力集中增大，疲勞壽命降低，也易使密封臺肩面擦傷而影響密封性能。-使用扭矩。井下超扭矩會引起螺紋部分再次進扣，引起連接部位失效。在深井、超深井、大斜度

32、定向井等苛刻條件下，會嚴重降低鉆鋌的使用壽命。預防鉆鋌失效的措施減小螺紋處的應力集中，改善應力分布。-盡量采用數字型螺紋。-加工應力減輕槽或適當減小螺紋最后嚙合處的螺紋牙高，減小螺紋根部本體剛度是提高鉆鋌疲勞壽命的有效措施。-螺紋滾壓強化可使表面產生殘余壓應力，從而提高疲勞壽命。-螺紋鍍銅不但可使表面產生殘余壓應力，還可改善螺紋嚙合后局部產生的高盈利及應力集中。按標準加工螺紋，確保加工質量。注意鉆鋌連接部位的結構強度。-在選擇螺紋連接類型及內外徑尺寸時，是內外螺紋連接后的彎曲強度比近于平衡。-注意外徑磨損后的內螺紋彎曲疲勞強度下降問題。材料性能應符合要求。P、S含量不大于0。035%，粘脆性要好，熱處理應避免回火脆性。使用方面，應嚴格按有關標準和規(guī)范要求執(zhí)行，避免上扣不到位或過緊造成的不良影響。使用標準螺紋脂。9)鉆桿腐蝕疲勞失效（1）鉆桿疲勞失效過程：在腐蝕環(huán)境中觀體內比產生腐蝕坑-腐蝕坑底產生腐蝕裂紋-以腐蝕裂紋為疲勞遠在變動載荷和腐蝕介質作用下裂紋逐漸擴展-局部刺穿-整根管體斷裂。大量失效分析中觀察到，鉆桿腐蝕疲勞失效大都發(fā)生在距內外螺紋接頭端面內0.5-1米范圍內的內加