石油鉆桿失效分析

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1、石油鉆桿失效分析［摘要］鉆桿是石油鉆柱的三大部分組成之一，是石油鉆井的重要工具，服役條件十分惡劣。在鉆井過程中，鉆桿在任何部位失效都會(huì)造成嚴(yán)重的后果，甚至使井報(bào)廢。所以鉆桿失效事故頻繁，損失巨大，對(duì)石油生產(chǎn)和安全造成了嚴(yán)重影響。本文就鉆桿失效現(xiàn)象及原因進(jìn)行了簡要分析。［關(guān)鍵詞］失效分析鉆桿刺穿疲勞腐蝕中圖分類號(hào)：T555文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-914X（2014）13-0063-011?鉆桿的服役條件分析対于鉆桿來講，由于受到地質(zhì)和工程因素的影響，出現(xiàn)不同種類的失效形式［1］。鉆桿的服役條件

2、包括：鉆柱所承受的載荷性質(zhì)（靜載荷、交變載荷、沖擊載荷）、加載次序（載荷譜）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、彎、扭、剪、接觸及各種復(fù)合應(yīng)力）、溫度、環(huán)境介質(zhì)（空氣、水、鉆井液、H2S、CO2、NaCl）等。1.1作用在鉆柱上的基本載荷鉆柱的受力狀態(tài)與所選用的鉆井方式冇關(guān)，在不同的工作狀態(tài)和不同的位置上作用著不同的載荷［2］。概括起來，鉆柱上有以下兒種基本載荷:（1）軸向力。處于懸掛狀態(tài)下的鉆柱，在自重作用下，山上到下均受拉力。最下端的拉力為零，井口處的拉力最大。在鉆井液中鉆柱將受到浮力的作用，浮力使鉆柱受拉減小。

3、起鉆過程中，鉆柱與井壁之間的摩擦力以及遇阻、遇卡，均會(huì)增大鉆柱上的拉伸裁荷。下鉆時(shí)鉆柱的堆載情況與起鉆時(shí)相反。循環(huán)系統(tǒng)在鉆柱內(nèi)及鉆頭水跟上所耗損的壓力，也將使鉆柱承受的拉力增大。（2）徑向擠壓力。應(yīng)用卡瓦進(jìn)行起下鉆作業(yè)時(shí)，由于卡瓦有一定的錐角，在鉆柱上引起一定的擠壓力。中途測試時(shí)，鉆柱上也要承受管外液柱的擠壓力；（3）彎曲力矩。彎曲力矩的產(chǎn)生是因鉆柱上有彎曲變形存在。引起鉆柱彎曲變形的主要因素是給定的鉆壓值超過了鉆柱的臨界值。在轉(zhuǎn)盤鉆井中，鉆柱在離心力的作用下，亦會(huì)造成彎曲。由于鉆柱在彎曲井眼內(nèi)工作，

4、也將產(chǎn)生彎曲。在彎曲狀態(tài)，鉆柱如繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，則會(huì)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力。（4）離心力。鉆柱在鉆壓的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲，在一定的條件下，彎曲鉆柱會(huì)圍繞井眼屮心線旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力，促使鉆柱更加彎曲。（5）扭矩。鉆頭破碎巖石的功率是由轉(zhuǎn)盤通過方鉆桿傳遞給鉆柱的。山于鉆柱與井壁和鉆井液有摩擦阻力，因而鉆柱所承受的扭矩井口比井底大。（6）振動(dòng)載荷。①縱向振動(dòng)：由于牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，井底常存在三個(gè)突起，牙輪鉆頭的牙齒交替地引起鉆柱縱向跳動(dòng)。當(dāng)外界的周期干擾力與鉆柱的固有頻率相同時(shí)，鉆柱發(fā)生共振，出現(xiàn)劇烈跳鉆。跳鉆

5、易引起鉆柱疲勞破壞。②扭轉(zhuǎn)振動(dòng)：由于鉆頭結(jié)構(gòu)、地層、鉆壓等因索的變化，井底的反扭矩也將隨之變化。變化著的扭矩將引起扭振。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一臨界值時(shí),鉆柱也可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象。用刮刀鉆頭鉆進(jìn)軟硬交錯(cuò)的地層時(shí)，鉆柱上受到劇烈的扭振，岀現(xiàn)所謂“蹩跳”［3］。②橫向擺振：在某一臨界轉(zhuǎn)速下，鉆柱將出現(xiàn)擺振，其結(jié)果是使鉆柱進(jìn)行公轉(zhuǎn)，引起鉆柱嚴(yán)重偏磨。山以上分析得知，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。同時(shí)也要注意到上述幾種載荷有些是同時(shí)出現(xiàn)的，使鉆柱的受力呈現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)［4］o1.2鉆柱的環(huán)

6、境服役介質(zhì)分析鉆柱在正常工作中是在鉆井液中的。鉆井液是由固體、液體和化學(xué)處理劑組成的復(fù)雜混合液，一般具有一定的腐蝕性［5］。以下分別做一些簡單介紹。(1)二氧化碳：C02屬于弱酸性氣體，當(dāng)C02侵入鉆井液形成弱酸時(shí),在沒有其它導(dǎo)電離子存在時(shí)，腐蝕產(chǎn)物在金屬表面形成保護(hù)層限制腐蝕繼續(xù)進(jìn)行，然而鉆井液體系中往往存在大量的Cl-、Na+、SO等離子，尤其C1-離子山于半徑小，極易穿透FeC03覆蓋層，形成點(diǎn)蝕，并和Fe2+形成FeC12,而FeC12又極易水解生成酸，最終形成酸腐蝕。這種腐蝕一旦在某一部位上

7、發(fā)生，就會(huì)一直進(jìn)行下去，直到鉆具形成穿孔為止，它具有很大的破壞性［6］。(2)氧氣：02作為一個(gè)腐蝕源在整個(gè)鉆井過程中進(jìn)行腐蝕，主要起陰極去極化作用，當(dāng)含量達(dá)到0.3?/L時(shí)，對(duì)鉆具產(chǎn)生腐蝕；當(dāng)超過10mg/L時(shí)，腐蝕也就不再隨02濃度的增加而增大，因?yàn)榇藭r(shí)()2擴(kuò)散受到限制［7］o(1)硫化氫：硫化氫可以從鉆井液添加水、氣層氣流、溶解硫酸鹽的細(xì)菌作用或含硫有機(jī)處理劑的熱分解作用而進(jìn)入鉆井液中。硫化氫很容易溶于水，溶解后呈弱酸性，対鉆桿產(chǎn)生腐蝕作用。（4）溶解鹽類：氧化物、碳酸鹽和硫酸鈉、鈣、鎂會(huì)從鉆

8、井液添加水、地層水、鉆井液處理劑或鉆進(jìn)的某種地層進(jìn)入到鉆井液中。上述幾種腐蝕介質(zhì)常常同時(shí)存在，這會(huì)過早地引起鉆桿的腐蝕損傷，導(dǎo)致使用過程中的早期失效［8］。2?石油鉆桿的主要失效形式根據(jù)上面鉆桿環(huán)境服役條件的分析可知：鉆桿的受力狀態(tài)十分復(fù)雜。既有靜載，乂有沖擊載荷，而且拉、壓、彎、扭無一不有，并且大部分是交變載荷。工作時(shí)又要受腐蝕、磨損、溫度及壓力的影響［9］。其主要失效形式可分為過量變形、斷裂和表面損傷三類。（1）過量變形。過量變形是由工作應(yīng)力超過材料