钻具失效案例分析

钻具失效案例分析中油集团管材研究所张国正2004年2月钻柱力学分析钻柱自重和泥浆浮力作用在钻柱上，产生拉伸或压缩作用力井眼弯曲或钻柱承受超过临界屈曲载荷而弯曲，这是导致钻柱疲劳的主要原因之一。钻柱承受扭转力，当扭转力过大时可能导致钻具弯曲变形、胀扣、粘扣等失效。钻柱的公转与振动。结果导致钻具偏磨、疲劳断裂。2002年长庆气田共发生钻具失效事故193起。其中钻铤155起，占80.3％。钻杆37起，占19.2％。转换接头1起，占0.5％。在155起钻铤失效事故中，母扣裂纹或断裂113起，占58.5％。公母扣刺坏的31起，占20.0％。公扣裂纹或者断裂7起，占4.5％。在37起钻杆失效事故中，管体加厚过度带部位刺穿的24起，占64.9％。公扣断裂的2起，占5.4％。扣刺坏的5起，占13.5％。吊卡台肩裂纹6起，占16.2％。转换接头失效是因螺纹刺坏而失效。长庆油田钻具失效情况塔里木油田2001年-2003年6月共发生钻具失效事故157起，其中钻杆121起，占77%，大部分为加厚过渡带消失部位刺穿失效，钻铤21起，占13%，全部为公母扣断裂或刺漏失效。12156214020406080100120140钻杆加重钻杆方钻杆钻铤其它钻柱构件失效次数塔里木油田钻具失效情况1995-2000失效部件比例图钻铤35%钻杆21%接头16%扶正器11%加重钻杆8%减震器5%其它4%塔里木油田钻具失效情况脆性断裂16%应力腐蚀断裂6%韧性断裂6%其它类型6%疲劳断裂66%失效形式统计结果钻具主要失效形式变形：包括钻具拉长、挤扁、弯曲、粘扣等；断裂：包括脆性断裂和塑性断裂；磨损：包括冲蚀磨损；腐蚀：包括均云腐蚀和坑腐蚀；应力腐蚀：包括H2S应力腐蚀和氢脆；疲劳断裂：包括腐蚀疲劳。钻具拉伸变形失效原因：过载钻杆弯曲变形失效原因：井眼“狗腿度”太大导致内螺纹接头胀扣过载断裂断于管体断于摩擦对焊处1)断口宏观形貌粗糙、色泽灰暗、呈纤维状；边缘有与零件表面呈45°角的剪切唇。断口附近有明显的肉眼可见的塑性变形(如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈、鼓包……等)；2)断口微观形貌主要是韧窝花样；3)失效零件材料为韧性金属材料，失效环境温度在该材料韧—脆转变温度以上；4)存在静载荷下(拉伸、扭转、弯曲……)工作条件。5)断口附近金相组织有明显的变形层。6)失效件表面镀层、添层、有机涂层……等覆盖的脆性膜破裂。7)断口表面与零件表面呈45°角。过载断裂的特征脆性断裂钻铤公扣脆断钻杆摩擦对焊区脆断（存在灰斑缺陷或未焊透缺陷）1)断口宏观齐平，结构粗糙，在不同入射光角度观察多有闪光小平面；高强度钢断口宏观形貌可见放射状撕裂棱；薄板或薄壁零件可见到人字形花样。断口附近无塑性变形；2)断口微观形貌主要为花流花样。3)断口微观形貌有解理舌、或鱼骨状花样、羽毛状花样、解理扇等特征花样；4)失效件材料为高强度结构钢或晶粒粗大；5)失效件薄板或薄壁结构，失效处于应力集中处(三向应力容易导致解理脆断)；6)失效环境温度低(低于韧性—脆性转变温态)。解理断裂特征1)宏观断口匹配断面能很好地吻合一致，绝大部分断口结构粗糙呈颗粒状；2)断口微面形貌显示沿晶分离，晶界面上多显示光滑无特征形貌或少量韧窝花样、撕裂痕、变形线；3)晶界上存在有杂质元素如P、S、AS、Se、Sb、Te、Si、Ge、Sn……等；4)存在回火脆温度经历或温度环境；5)存在过烧或过热的温度经历或温度环境；6)失效部位存在局部三轴向工作应力条件；7)存在晶界弱化致脆的环境条件。沿晶断裂特征座吊卡台肩疲劳断裂1)金属零件是在变动载荷作用下服役；2)金属零件疲劳破断失效是一个裂缝萌生，裂缝稳定扩展和最后裂缝临界扩展瞬断过程。但失效是突发性。3)失效件断口附近无宏观塑性变形特征：且裂缝扩展区的大小与服役时间成正比；4)金属零件失效断口宏观形貌具有光滑程度及形貌不同的裂缝位置，裂缝扩展区(简称疲劳区)和瞬时区特征；或在断口上见到光亮程度不同的两个区域，且这两个区域不是由于材质(包括状态)不同而形成的；5)金属零件失效断口微观形貌具有疲劳条痕特征。疲劳断裂特征加厚过渡带腐蚀疲劳刺穿失效腐蚀疲劳断裂特征1)存在交变载荷和腐蚀环境下工作条件，裂缝扩展深度与应变应力服役时间和环境相对应；2)腐蚀疲劳裂缝源于表面或点蚀坑，随后向基体内部扩展。3)宏观断口附近无塑性变形，疲劳区因腐蚀介质作用及产物在该区留存，而失去金属光泽；4)微观断口由于腐蚀介质作用，疲劳条痕模糊不清；5)断口表面腐蚀产物成份与工作环境介质成分相对应；6)工作环境具有液态、气态腐蚀介质或潮湿空气；7)属多源疲劳。氢脆和应力腐蚀应力腐蚀特征1)存在应力(拉应力)和敏感的腐蚀介质下工作条件；2)宏观断口由应力腐蚀破裂区(源区和应力腐蚀裂缝扩展区)一般呈暗灰色，断口组织粗糙，伴有腐蚀产物复盖；瞬断区新鲜断口呈纤维状并伴有幅射棱线(有时由于环境污染呈腐蚀性灰色)3)应力腐蚀裂缝形貌呈树枝状，分叉裂缝系腐蚀产物4)微观断口形貌有腐蚀产物。若属沿晶应力腐蚀破断，微观晶粒外形轮廓因腐蚀而模糊不清，晶界加宽，晶界面上常有细小腐蚀坑或核桃纹；若属穿晶应力腐蚀5)氢脆特征1)宏观断口表面洁净，氢脆断裂区呈结晶颗粒状亮灰色；2)显微裂缝呈断续而弯曲的锯齿状；3)微观断口沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶界面上伴有变形线(发纹线、或鸡瓜痕)；4)失效部位应力集中严重，氢致破断源位于表面；应力集中小，氢致破断源位于次表面(渗碳……等表面强化零件多源于次表面)；5)失效应力主要是静拉应力，特别是三向静拉应力。6)氢脆破断临界应力极限σH随着材料强度的升高而急剧下降。一般硬度低于HRC22时不发生氢脆破断而产生鼓泡；7)一般钢中的含氢量在5～10PPM以上时就会产生氢致裂缝。但对高强度钢即使钢中含氢量＜1PPM，由于应力的作用，处在点阵间隙中的氢原子会通过并扩散集中于缺口所产生的应力集中处，氢原子与位错的交互作用，使位错线被钉轧住，不能再自由活动，从而使基体变脆。对于由酸性介质中扩氢所需PH小于4，但是碳酸溶液在室温PH=6就会扩氢，特别对于在裂缝顶端处由于电位比其他部位更负，溶液的酸性大，对扩氢更有利。钻铤疲劳断裂接头纵裂钻铤粘扣磨损与热裂冲蚀腐蚀提高钻柱寿命的措施提高钻柱构件韧性制定合理的标准；研制高韧性钻具提高钻杆摩擦对焊质量改进钻柱构件结构设计改进内加厚过渡区结构和尺寸采用18座吊卡台肩接头改进钻具扣型（SST,LET）开发高抗扭接头加工应力分散槽开发酸性环境用钻柱构件钻具设计和自身质量方面在保证提升能力条件下，优先选用较低钢级钻杆使用最佳预紧扭矩选择合适的弯曲强度比在钻铤与钻杆之间使用加重钻杆控制腐蚀将钻井液的PH值控制在10以上控制钻井液的溶解氧。3ppm的溶解氧即可降低钻杆腐蚀疲劳寿命50%控制氯离子含量钻具的选用和使用方面钻具管理方面采用先进的管理程序提高钻具维修水平把好钻柱构件检验关，包括购进检验和现场检验对在役钻柱构件进行适用性评价，确立探伤周期，预测剩余寿命汇报完毕，谢谢！