钻杆失效分析

三、避免钻杆非正常失效的措施
钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受压、弯、扭、液力等载荷。

如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时，钻杆虽经过无数次的弯曲，也不会产生疲劳裂纹。

钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大，特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大，钻杆在100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹；微裂纹产生后便不断扩大延伸，此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中，就会加速裂纹扩展，最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。

刺穿发展的结果，使钻杆有效断面不断缩小，刺孔加裂纹的总长度超过其临界裂纹尺寸时，即发生断裂。

除旋转向下的运动，同时还有钻杆的各种振动和涡动。

根据钻杆的失效原因分析，钻杆除正常磨损而失效外，钻杆的非正常失效原因可分为为两个方面：工人操作原因和钻杆自身质量原因。

因此，我们可以从提高钻杆质量和规范操作两方面来避免钻杆非正常失效。

1．提高钻杆质量
（1）钻杆材料选择：为适应钻杆的受力分析，钻杆杆体应有较高的抗拉强度、较好抗弯性能和较好的冲击韧性。

杆体材料应选择中碳合金结构无缝钢管，合金元素中应含有较多的Cr、Mo等元素以提高材料的抗拉强度和冲击韧性，含有Mn、Si等元素以提高材料的弹性
（即抗弯性能）。

有时还含有微量的B、V等元素以提高材料的淬透性。

常用的杆体材料有：36Mn2V、35CrMo、42MnMo7、35CrMnSi、45MnMoB等。

用于杆体的无缝钢管的壁厚均匀度和轧制缺陷也是影响钻杆质量的重要因素。

如轧制的钢管壁厚均匀情况严重，当钻杆较大的扭力作用时，容易在壁厚较薄处纵向裂开。

有的钢管有重皮、气孔等缺陷，钻杆易从此处产生应力集中断裂或刺漏。

钻杆接头受力最为复杂，接头材料须有很高综合机械性能。

钻杆接头多采用35CrMo或42CrMo.30CrMnSiA棒料制造，但经过锻造的接头材料能大大提高其综合机械性能。

（2）加工工艺选择：目前国内钻杆从加工工艺分主要有整体锻造钻杆（简称整体钻杆）、镦粗＋摩擦焊钻杆（简称镦焊钻杆）和单纯摩擦焊钻杆（简称摩擦焊钻杆）。

三种钻杆的优缺点比较如表二。

表二
性能、价格摩擦焊钻杆整体钻杆镦焊钻杆
丝扣耐磨性好差好
接头强度高中高
接头加工精度高差高
保定尺长度易难易
焊缝强度低——高
整体性能差（易断）较好很好
价格低高低
性价比低中高
（3）镦粗加厚段的处理：不管是整体钻杆还是镦焊钻杆，镦厚部分与未镦厚部分之间的过渡段处理好坏是影响镦锻质量的主因素。

过渡段应有足够的长度，壁厚过渡均匀、光滑，无折皱。

杆体经镦锻后最好进行整体调质处理，以去除过渡段内应力，并提高其综合机械性能。

（4）接头结构型式
a. 应力分散槽：试验研究表明，导向、定向钻杆受循环弯曲应力作用而疲劳断裂是钻杆的主要失效形式，而这种失效主要发生在钻杆公接头根部或公接头螺纹根部。

在钻杆公接头根部设计应力分散槽可有效地减小该处应力集中，从而提高其抗弯能力。

此外，尽量增大螺纹直径、锥度螺纹设计和加大螺纹丝底圆弧半径也能明显改善钻杆公接头根部的抗弯能力。

b. “双顶”结构：所谓“双顶”结构，即在钻杆公、母扣拧紧时母扣端部与公扣台肩处顶紧的同时，母扣的内台肩处也与公扣的端部顶紧。

“双顶” 结构钻杆的加工难度大，但它与“单顶”钻杆相比具有多方面的优越性：
l 密封效果好钻进液由内向外泄漏需经两个密封面，泄漏阻力大。

l 能承受更大的扭矩“双顶”钻杆提供两个抗扭台肩，其台肩总接触面积远大于普通钻杆，因而承受的扭矩也远大于普通钻杆。

l 提高钻杆的使用寿命普通钻杆往往因为接头磨损，母扣端部变薄而被公扣锥成喇叭口，从而使整根钻杆失效。

“双顶”钻杆在接头磨损严重后内台肩仍有效地起作用，钻杆仍能继续使用。

（5）丝扣的表面处理：丝扣表面氮化处理能有效地防止粘扣，还能提高丝扣的耐磨性，从而提高其使用寿命。

氮化层厚度一般在0.2~0.3mm，厚度过大容易产生碎性裂纹，厚度过小则抗粘扣效果差。

整体钻杆无法进行氮化处理，取而代之的是层厚小得多的磷化处理。

（6）螺纹加工精度：接头螺纹应在数控车床上用成形螺纹车刀加工，应尽量提高螺纹牙的表面质量，降低其表面粗糙度值（Ra≤1.6μm）提高光洁度，减少应力集中且有利保证钻杆的互换性。

接头螺纹紧密距应控制在合理的范围之内，保证丝扣啮合良好。

2. 预防螺纹牙断裂所采取的措施
螺纹牙断裂失效约占钻杆失效的70%，根据螺纹牙断裂失效的原因分析，采取以下预防措施可有效降低该类失效形式的发生率：
（1.）加工螺纹时，要避免在螺纹终端（退刀处）产生不完全螺纹，防止在该处产生应力集中，致使螺纹牙疲劳破坏。

（2.）在接箍底部和外螺纹内端部采取合适的密封措施，尽量避免管道内的流质进入螺纹接合处，减少腐性磨损，防止螺纹牙锈蚀而导致其强度不足。

（3.）对加工出的螺纹进行射线检测或者磁粉探伤等无损检测，及时发现管道螺纹部位的表面和内部缺陷，避免有缺陷的螺纹扣下井。

（4.）选用大小合适的扭矩旋紧螺纹，避免因预紧力过大而超出螺纹材料的强度极限造成螺纹牙折断。

3.施工工艺的改进
（1）规范操作：施工中要严格按照各种钻杆所允许的拉力、扭矩和曲率半径来使用钻杆。

对于施工企业来说，只有按规范使用钻杆，才能有效避免钻杆的非正常失效。

（2）过渡杆的作用：在扩孔和拉管过程中，与扩孔钻头连接的那根钻杆的曲率半径很可能远小于钻孔设计的曲率半径（如图1），即r<<R< span>，从而使这根钻杆在回转并受拉力作用下而受到较大的循环应力作用，使其疲劳损伤，进而产生裂纹而断裂。

这种断裂多发生在距钻杆公接头0.3~0.8m之间。

在普通钻杆与扩孔钻头之间连接过渡杆，可使扩孔钻头与普通钻杆之间的小曲率过渡由加过渡杆来承担，从而保护了普通钻杆。

过渡杆的这种作用往往被用户所忽视，但是很多看似无法解释的断钻杆事故其原因就在于此。

（3）防止钻杆失稳：钻杆是力学中的细长杆，在受压力作用下有失稳的趋势。

因此，在导向孔施工阶段要对处于自由状态的钻杆进行约束，防止在造斜顶进过程中钻杆失稳而弯曲失效。

钻杆失稳情况多发生在钻机夹持器至入地点之间的钻杆段，应尽量缩短该段长度，或采取适当的约束措施。

为防钻杆失稳，一般应使钻杆自由段长度小于钻杆直径的20倍。

（4）丝扣油的使用：质量好的丝扣油能有效防止钻杆粘扣、减小卸扣扭矩、减少扣面磨损。

（5）冲洗液的使用：在砂层、卵砾石层中钻进时，应用优质泥浆作冲洗液。

泥浆在钻杆外壁形成泥皮，起润滑作用，能减小钻进扭矩，减少钻杆磨损，对保护钻杆起到非常重要的作用。

（6）钻杆的检查：钻杆使用一段时间后，就应检查钻杆的磨损、弯曲、表面划痕等情况，要及时淘汰磨损过度、明显弯曲及表面划痕较深的钻杆。

尤其要仔细检查镦锻过渡段的磨损情况，该处往往最易被磨损变薄而断裂。