石油钻杆失效分析

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1、石油钻杆失效分析［摘要］钻杆是石油钻柱的三大部分组成之一，是石油钻井的重要工具，服役条件十分恶劣。在钻井过程中，钻杆在任何部位失效都会造成严重的后果，甚至使井报废。所以钻杆失效事故频繁，损失巨大，对石油生产和安全造成了严重影响。本文就钻杆失效现象及原因进行了简要分析。［关键词］失效分析钻杆刺穿疲劳腐蚀中图分类号：T555文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）13-0063-011・钻杆的服役条件分析対于钻杆来讲，由于受到地质和工程因素的影响，出现不同种类的失效形式［1］。钻杆的服役条件

2、包括：钻柱所承受的载荷性质（静载荷、交变载荷、冲击载荷）、加载次序（载荷谱）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪、接触及各种复合应力）、温度、环境介质（空气、水、钻井液、H2S、CO2、NaCl）等。1.1作用在钻柱上的基本载荷钻柱的受力状态与所选用的钻井方式冇关，在不同的工作状态和不同的位置上作用着不同的载荷［2］。概括起来，钻柱上有以下儿种基本载荷:（1）轴向力。处于悬挂状态下的钻柱，在自重作用下，山上到下均受拉力。最下端的拉力为零，井口处的拉力最大。在钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱受拉减小。

3、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裁荷。下钻时钻柱的堆载情况与起钻时相反。循环系统在钻柱内及钻头水跟上所耗损的压力，也将使钻柱承受的拉力增大。（2）径向挤压力。应用卡瓦进行起下钻作业时，由于卡瓦有一定的锥角，在钻柱上引起一定的挤压力。中途测试时，钻柱上也要承受管外液柱的挤压力；（3）弯曲力矩。弯曲力矩的产生是因钻柱上有弯曲变形存在。引起钻柱弯曲变形的主要因素是给定的钻压值超过了钻柱的临界值。在转盘钻井中，钻柱在离心力的作用下，亦会造成弯曲。由于钻柱在弯曲井眼内工作，

4、也将产生弯曲。在弯曲状态，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。（4）离心力。钻柱在钻压的作用下会产生弯曲，在一定的条件下，弯曲钻柱会围绕井眼屮心线旋转而产生离心力，促使钻柱更加弯曲。（5）扭矩。钻头破碎岩石的功率是由转盘通过方钻杆传递给钻柱的。山于钻柱与井壁和钻井液有摩擦阻力，因而钻柱所承受的扭矩井口比井底大。（6）振动载荷。①纵向振动：由于牙轮钻头的结构特点，井底常存在三个突起，牙轮钻头的牙齿交替地引起钻柱纵向跳动。当外界的周期干扰力与钻柱的固有频率相同时，钻柱发生共振，出现剧烈跳钻。跳钻

5、易引起钻柱疲劳破坏。②扭转振动：由于钻头结构、地层、钻压等因索的变化，井底的反扭矩也将随之变化。变化着的扭矩将引起扭振。当转速达到某一临界值时,钻柱也可能出现扭转共振现象。用刮刀钻头钻进软硬交错的地层时，钻柱上受到剧烈的扭振，岀现所谓“蹩跳”［3］。②横向摆振：在某一临界转速下，钻柱将出现摆振，其结果是使钻柱进行公转，引起钻柱严重偏磨。山以上分析得知，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。同时也要注意到上述几种载荷有些是同时出现的，使钻柱的受力呈现复杂状态［4］o1.2钻柱的环

6、境服役介质分析钻柱在正常工作中是在钻井液中的。钻井液是由固体、液体和化学处理剂组成的复杂混合液，一般具有一定的腐蚀性［5］。以下分别做一些简单介绍。(1)二氧化碳：C02属于弱酸性气体，当C02侵入钻井液形成弱酸时,在没有其它导电离子存在时，腐蚀产物在金属表面形成保护层限制腐蚀继续进行，然而钻井液体系中往往存在大量的Cl-、Na+、SO等离子，尤其C1-离子山于半径小，极易穿透FeC03覆盖层，形成点蚀，并和Fe2+形成FeC12,而FeC12又极易水解生成酸，最终形成酸腐蚀。这种腐蚀一旦在某一部位上

7、发生，就会一直进行下去，直到钻具形成穿孔为止，它具有很大的破坏性［6］。(2)氧气：02作为一个腐蚀源在整个钻井过程中进行腐蚀，主要起阴极去极化作用，当含量达到0.3?/L时，对钻具产生腐蚀；当超过10mg/L时，腐蚀也就不再随02浓度的增加而增大，因为此时()2扩散受到限制［7］o(1)硫化氢：硫化氢可以从钻井液添加水、气层气流、溶解硫酸盐的细菌作用或含硫有机处理剂的热分解作用而进入钻井液中。硫化氢很容易溶于水，溶解后呈弱酸性，対钻杆产生腐蚀作用。（4）溶解盐类：氧化物、碳酸盐和硫酸钠、钙、镁会从钻

8、井液添加水、地层水、钻井液处理剂或钻进的某种地层进入到钻井液中。上述几种腐蚀介质常常同时存在，这会过早地引起钻杆的腐蚀损伤，导致使用过程中的早期失效［8］。2•石油钻杆的主要失效形式根据上面钻杆环境服役条件的分析可知：钻杆的受力状态十分复杂。既有静载，乂有冲击载荷，而且拉、压、弯、扭无一不有，并且大部分是交变载荷。工作时又要受腐蚀、磨损、温度及压力的影响［9］。其主要失效形式可分为过量变形、断裂和表面损伤三类。（1）过量变形。过量变形是由工作应力超过材料