钻杆失效分析

钻杆失效分析及超声检测技术分析本文从钻杆端区3种失效类型出发，分析其失效原因，并采用超声波探伤检测的方式，对钻杆端区检测波形进行分析，主要对钻杆裂纹、腐蚀坑进行定性定量分析，为对钻杆进行综合评价提供科学依据。

前言：在钻井过程中，钻杆是最常使用的钻具，它在井下会受到拉力、压力、弯曲应力、干扰力等各种力的组合，并且在钻进中还要在其内部通过具有一定腐蚀性的泥浆所有这些因素都会钻杆造成较大的损坏，而在这些因素造成的损坏当中，以钻杆端区出现的事故最多，钻杆刺漏、断裂多发生在钻杆端区位置，因此，对钻杆端区进行超声波检测就显得十分重要。

钻杆失效分析钻杆端区的失效分为3种，即裂纹、刺穿和断裂，这些失效通常是由钻杆内的腐蚀坑造成的，而腐蚀坑是由于钻杆长期在井下作业中收到各种交变应力及泥浆腐蚀冲刷形成，钻杆外壁的腐蚀较浅并且比较均匀，而内部的腐蚀则不同，由于钻杆的长期使用，使得原先在钻杆内壁的涂层部分脱落，裸露的部分在各种交变应力及泥浆腐蚀冲刷下很快就会形成点蚀坑，钻杆端区部位处在一个内径变化区，因此涂层脱落现象较为严重，而这样的点蚀坑出现的也较多，并且腐蚀得较为严重。

在钻井过程中，在点蚀坑的应力集中区诱发裂纹的产生→裂纹在交变应力的作用下扩展→迅速扩展→贯通管体→在管子圆周方向开裂导致泥浆刺漏或钻杆折断。

下面是根据美国石油协会（API）近几年对于钻杆失效部位的数据统计图。

图1 钻杆失效部位统计图从图中可以看到，在钻杆端区部分，缺陷发生率最高的是钻杆内外螺纹加厚端过渡带。

整体上看，母扣端的缺陷分布状况高于公扣端。

这样，借助规律图分析钻杆的端区检测范围，从母扣端至管体1.2m，从公扣端到管体0.9m，用超声波探头做360°覆盖扫查，以保证端区检测的准确性。

便携式超声波设备检测技术腐蚀坑和裂纹是钻杆端区和消失端最为常见且危害最大的缺陷，利用超声波横波检测技术可以检测出裂纹和腐蚀坑的存在。

一旦发现裂纹，不管大小，钻杆必须报废，而腐蚀坑的大小则需要测量该点的剩余壁厚，再依此判断钻杆的级别状况。

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）。

钻具失效分析钻具失效分析一、失效分析概论1、失效的定义部件或零件处于下列状态之一时:, 完全不能工作;, 可以工作，但功能效果不能令人满意;, 受到严重损伤，可靠性、安全性受到影响。

2、失效的过程与分类过程:损伤萌生------积累扩展------破坏。

分类:疲劳破裂失效---------过程比较长，发展速度比较缓慢;解理断裂失效---------过程短，速度快。

3、失效分析的意义失效分析———按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。

意义有:, 减少和预防同类失效现象重复发生;, 为技术开发、技术管理、技术改造和进步提供信息、方向、方法和途径;, 为事故责任认定提供科学的技术依据;, 是质量管理中重要组成部分。

4、失效分析的基本思路, 对具体服役条件下的零部件进行具体分析，从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标;, 运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果，深入分析各种失效现象的本质，揭示失效机理。

, 在对零部件力学条件、环境条件、产品质量和使用情况进行综合分析1基础上，确定造成失效的原因。

, 研究失效抗力指标与材料因素、工艺因素、结构因素、载荷与环境及使用因素的关系，提出预防失效再发生的措施。

5、失效分析的程序和步骤失效分析程序图:失效(故障)发生调查加工和服役历史现场调查及残骸分析初步观察分析无损检测分析宏观断口分析截取试样金相分析微观断口分析化学成分分析常规力学分析确定失效的性质综合分析确定失效的原因下步改进的措施2整个失效分析过程应重点抓着以下几个环节:(1) 收集失效件的背景数据。

主要包括加工制造历史、服役条件和服役历史。

(2) 失效件的外观检查。

包括:, 失效件的变形情况，有无镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、缩径、断面解理形状等;, 失效件表面的加工缺陷，如:焊疤、折叠、瘢痕、刮伤、刀痕、裂纹等。

, 断裂部位所在的位置，是否在键槽、尖角、凹坑等应力集中处。

摩擦焊接钻杆焊缝断裂失效分析运用金相显微镜、扫描电镜对摩擦焊接钻杆焊缝断裂失效进行了分析。

结果表明，碳化物分布不均匀导致调质处理后在钻杆接头中产生“带状组织”。

焊后不正确的热处理使焊缝组织中出现残存的条状分布的马氏体，此条状分布的马氏体使焊缝的强韧性下降，造成焊缝发生疲劳断裂失效。

改进热处理工艺后，消除了残存马氏体，提高了钻杆焊缝的强韧性，从而提高了钻杆的使用寿命。

石油钻杆是油田钻井机械的重要部件。

钻杆由钻杆接头和钻杆管体通过摩擦焊接而成，焊后进行正火或调质处理。

钻杆使用时承受很大的拉应力和扭矩，并经受强烈的震动和冲击。

合理的摩擦焊工艺和正确的焊后热处理可使焊缝力学性能满足行业标准［1］。

如果摩擦焊或焊后热处理工艺不当，钻杆使用时焊缝容易断裂，造成很大的经济损失。

现有现场使用断裂钻杆1根，需要进行失效分析，判定其失效原因，提出解决措施，以提高钻杆质量，避免断杆事故发生。

2 现场调研钻杆生产厂生产的钻杆采用的接头为外购件，材料为40CrMnMo钢，调质处理后硬度为285～319HB（30～35HRC）。

管体采用已使用过的钻杆切除已损坏的接头后的旧管体。

接头与管体采用摩擦压力25～30MPa和顶锻压力50～60MPa的摩擦焊进行焊接。

根据现场了解，摩擦焊工艺较稳定，一般情况下能保证焊接质量。

焊后钻杆经中频加热后冲去焊缝内翻边，然后用车床车去外翻边。

最终热处理工艺为：中频淬火＋中频加热回火。

规定的淬火加热温度为920℃，回火温图2 钻杆接头母材的金相组织×400腐蚀剂：4％硝酸酒精根据化学成分分析结果可知，该接头的材料为40CrMnMo钢。

接头母材的金相显微组织为回火索氏体，晶粒度为7～8级，沿接头轴向呈带状分布，显微组织不均匀。

白色区间显微硬度为183～188HV，黑色区间显微硬度为216～223HV。

黑色区间内含有较多的白色碳化物颗粒，用HR-150型洛氏硬度计测定其洛氏硬度值为31～36HRC，平均值为34HRC。

前言2007年1月底，井下作业公司在用φ127（接头NC50）钻杆发生失效，失效形式为螺纹缺损，粘着以及接头密封台肩面撕裂性缺损。

委托方提供的钻杆工作参数为：进尺1243m，钻压4~6T，泵压10Mpa，转速80r/min。

据委托方说明该批钻杆为新产品，第一次使用。

事故发生后，该批钻杆集中放置于井下作业工司油管厂场地，经查看125根钻杆中有9组接头存在损伤，其中严重损伤2组，呈现螺纹被冲刺缺损，而且其中1组有螺纹粘着、撕毁现象；其余7组存在不同程度的接头密封台肩面黏着撕裂性缺损现象。

一、外观形貌分析1严重失效2组钻杆外观形貌如图1~4所示。

螺纹粘着、撕毁图1第1组外螺纹接头外观形貌螺纹粘着、撕毁图2第1组内螺纹接头外观形貌冲击起始区图3第2组内螺纹接头外观形貌图4第2组内螺纹接头外观形貌如图所示：第一组钻杆失效形式为螺纹缺损，粘扣。

从缺损形貌可见，图示内外钻杆接头对应部位同时存在对应的螺纹缺损和黏着形貌，因此图示内外钻杆接头为工作时对接的接头。

外螺纹接头自密封面起第6、7、8扣粘结，内螺纹自密封面起第4、5、6扣粘结；从螺纹缺损形貌分析，可以断定螺纹缺损由高压钻井液冲刺造成。

第一组钻杆失效形式为螺纹缺损，从螺纹缺损形貌分析，可以断定螺纹缺损由高压钻井液冲刺造成。

2接头密封面损伤接头密封面损伤外观形貌如图5~6所示。

7组接头密封面存在图示的撕脱性损伤。

撕脱性损伤图5密封面撕脱性损伤一撕脱性损伤图6密封面撕脱性损伤二自图1所示的接头，按照《SY/T5290-2000石油钻杆接头》之规定，采取材质、机械性能、硬度及金相试样，逐个进行实验。

二、材质分析按照《SY/T5290-2000石油钻杆接头》取样后经直读光谱分析结果如下表1：《SY/T5290-2000石油钻杆接头》规定接头材质为合金钢，且对S，P作出规定，含量不超过0.030%，从检测结果看来，符合标准要求。

三、机械性能按照《SY/T5290-2000石油钻杆接头》取样后，依据《GB/T228金属拉伸试验法》进行试验测得结果如表2。

收稿日期:2005-03-17;改回日期:2005-09-20　作者简介:翁炜(1977-),男(汉族),河北新城人,北京探矿工程研究所工程师,中国地质大学(北京)地质工程硕士在读,钻探机械专业,从事大口径岩土工程钻掘机具及工艺的研发工作,北京市海淀区学院路29号,(010)82321875,weng wei@bjiee ;黄玉文(1968-),男(汉族),江苏人,北京探矿工程研究所大口径钻掘机具研发中心生产部主任、工程师,探矿工程专业,从事大口径岩土工程钻掘机具及工艺的研发及生产工作,(010)69306602。

旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺翁　炜,黄玉文,胡继良,史新慧(北京探矿工程研究所,北京100083)摘　要:对旋挖钻机钻杆失效形式进行了简要分析,针对性地介绍了旋挖钻机摩阻式钻杆的方案设计和制造工艺,以及生产过程中的注意事项。

关键词:旋挖钻杆;抗扭强度;焊接;热处理中图分类号:P634.4+2 文献标识码:B 文章编号:1672-7428(2005)10-0038-02Ana lysis on Rot ary D r ill Rod Fa ilure and Produc i n g Technology /WON G W ei,HUAN G Yu 2w en,HU J i 2liang,SH I X in 2hui (Beijin I nstitute of Exp l orati on Engineering,Beijing 100080,China )Abstract:The r otary drill r od failure is analyzed .The alternative design and manufacture techniques of fricti on drilling p i pes of r otary drills was intr oduced .The attenti ons should be paid during manufacture were menti oned .Key words:r otary drill r od;t orsi on strength;weld;heat treat m ent 旋挖钻杆是旋挖钻机上重要的配套钻具,由于恶劣的工作环境和复杂的受力情况,旋挖钻杆易出现破坏现象,其主要破坏形式为疲劳断裂与扭转变形,极少数情况下可能发生钻杆失稳造成的弯曲变形。

石油钻杆的应力失效分析摘要：石油钻杆在钻井中是传递动力的主要工具，在摩擦碰橦的下，易出现钻柱裂纹成核、扩展、刺漏以致穿孔和断裂。

文章根据工程常出现的问题，分析了石油钻杆的应力失效断裂分析。

关键词：石油钻杆；应力失效；断裂；分析0引言石油钻杆是钻井过程中主要起传递扭矩和输送泥浆的作用，承受着拉、压、扭、弯曲等交叉作用的复杂应力载荷，要想提高钻杆的工作寿命，加工材料必须具有良好的抗扭、抗冲击、抗弯曲等力学性能，必须采用良好的加工工艺和表面处理措施，提高表面质量，最大限度的消除表面应力集中。

钻杆的材料一般为抗硫材料、铝合金材料、钛合金材料、超高强度钢及新型碳纤维复合材料、凯夫拉材料等等。

国内常用的有95SS、105SS、S135、G105、26CrMoNbTiB、UD—165等等。

这些材料才抗腐蚀、刚磨损、抗疲劳等方面各有所不同，使用的油田也不相同，文章主要针对国内常用的S135材料应用中出现的应力失效断裂情况进行探讨分析。

1.钻杆失效分析的作用失效分析是判断钻杆失效形式、分析失效原因、研究失效处理方法，从而达到改善钻干设计原理和完善加工工艺，减少和预防钻杆因同一原因引起的重复失效断裂的不良现象，降低石油钻采的经济成本。

钻杆是石油钻井设备中必不可少的工具，一般都在恶劣的环境下应用，是，应用频率高，时间长，影响使用寿命的因素多，是石油钻采中最薄弱的环节。

分析钻杆的失效原因，有针对性的加以不断的改进，是防止钻杆断裂，保证在钻井中安全运行的重要措施。

2.钻杆断裂分析文章以某钻井队的两次断裂情况进行着手分析：一是钻杆尺寸为 5 1/2”X9.17mm，钢级是S135在某井下2864.3m时发生了5 1/2“的钻杆断裂事故，该井在2863.2m处遇到了4.5吨的阻力，划眼到2864m，悬重由152吨降到110吨，泵压由20MPa降到14.6MPa，起钻时发生断裂，断口离距离公接头0.62m，断口平齐，断口外径140mm，基本无扭曲塑性变形，断口有140mm长的水泥刺痕。

钻杆及其接头的早期失效分析与措施研究[摘要]钻杆失效表现在三个方面：本体断裂、刺漏、钻杆螺纹处失效。

本文将分析并探讨钻杆及其接头的早期失效类型、失效形式、失效原因，并且根据分析原因去寻找应对的方法以及预防的办法。

通过设计优化的钻杆结构，提升钻杆质量，使钻杆失效事故发生的概率下降。

[关键词]分析原因钻杆失效优化设计预防措施钻具0前言失效分析是分析判断材料的失效模式、性质、原因、研究失效事故处理方法和预防再失效的技术活动与管理活动，是一种科学的分析方法。

本文将对钻杆失效进行分析。

钻杆很容易受到磨损以及腐蚀等问题的影响从而引发失效事故。

而仅仅是在我们国家的油田之中发生的钻杆失效事故就多达数百起，钻杆失效不仅会造成极大的经济财产的损失，并且常常影响到工程的进度，后果十分严重。

失败乃是成功之母，通过研究钻杆失效，推进提高钻杆质量以及加强研究钻杆的使用和管理，尽量避免失效事故。

1失效类型分析在钻进过程中的受力繁杂，不仅仅是拉力，还有各种应力，因此失效的种类十分复杂，环境也很苛刻，井下的介质之中还包含有一些具有腐蚀性质的液体，而钻具运转起来后会促使钻杆与井壁之间产生高频率的撞击以及摩擦。

钻杆失效的类型种类繁多，主要可以概括为三大类型：断裂失效或者是刺穿失效；表面受损以及过量变形。

断裂或者是刺穿失效在失效事故比较常见，疲劳以及腐蚀等因素是罪魁祸首。

而腐蚀也极易造成表面受损，机器磨损也是表面受损。

当所受到的应力超过钻杆能承受的极限的是，则会引起过量变形[1]。

1.1断裂失效①过载断裂：如“鳖钻时的钻柱体断裂”，“钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂”。

②氢脆断裂：金属中的氢含量过多时，材料在拉力和应力的作用下很容易产生氢脆。

很多人不知道，由硫化氢和盐酸引起的钻柱应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。

③应力腐蚀断裂：如“钻杆接触某些腐蚀介质时的应力腐蚀开裂”，“钻柱在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂”。

④低应力脆断：此类失效在钻杆失效中占了很大的比例，是最危险的断裂方式之一。

1731 概况 2008年4至5月，某钻井队在NP11-H8-平X井作业期间，连续产生多起Φ139.7× G105钻杆接头粘扣现象。

另外，本井还先后有4根加重钻杆和1支回压凡尔也出现了粘扣现象。

主要钻井参数：钻压100kN，转速30rpm，三开以后采用的是水基无固相物钻井液体系，pH值为8至11。

该批钻杆为2007年10月配套到井队，数量共1053根，其中158根未投入使用，其余895根先后在4个井队使用。

发现粘扣现象的只在该队，总共发生粘扣钻杆30根，粘扣严重的钻杆有15根。

发生粘扣时钻杆累计使用时间300h，累计进尺3312m，其余钻杆在使用过程中未发现粘扣问题。

该井采用Weatherford铁钻工自动井口工具系统，钻具螺纹脂为华北石油某公司生产，型号为8041。

2 失效分析 2.1 失效部位外观 公接头大端第1-3牙基本完好，镀铜层明显可见；第4-7牙齿顶受到不同程度的粘扣，螺纹锥面严重损伤，齿形倒向大端。

大端第5牙螺纹严重粘扣部位已经看不清螺纹轮廓。

其余螺纹有轻微磨损，牙底镀铜层仍然存在。

钻杆公接头Pb粘扣位置在距密封面25-65mm范围内，螺纹损伤严重已不见轮廓，具有错扣特征。

在距密封面0~25mm范围（大端第1-3扣）螺纹基本完好，镀铜层清晰可见；在60~120mm范围仅齿顶磨损，粘扣形貌见图1。

在接头端面可见一些磕碰痕迹，如图2所示。

图1 图2钻杆母接头在距密封面17~97mm处粘扣，螺纹轮廓不可见。

在距密封面97~132mm范围内牙型完好，可见镀铜层，母接头镗孔内壁有磕碰。

2.2 化学成分分析 对粘扣的钻杆接头进行化学成分分析，结果表明，本批次钻杆接头化学成分符合API SPEC 7要求。

见表1。

NP11-H8-平X井钻杆粘扣失效分析周文华 李云政 王旭 许志华 闫华中国石油集团渤海钻探管具技术服务分公司 河北 任丘 062552摘要：根据国内某油田钻杆粘扣失效的现场调查，通过现场井况、断口形貌、材料的化学成分、力学性能等因素分析了Φ139.7钻杆粘扣原因，提出了预防措施和相关建议。

3 结论1) 试验所选取的测试点比较合理,较好地满足了对该段管道因为孔洞及其修补结构、螺旋焊缝等所造成的局部应力集中进行全面评估要求。

2) 贴片及试验测试成功,所测数据基本均能正确反应相应位置处应变随内压变化的趋势。

3) 在对所测试管段进行分析评估时可以当作理想薄壁压力容器,由此产生的误差可以忽略不计。

4) 由焊接修补结构及螺旋焊缝所造成的局部应力集中对较远处的影响可以忽略不计。

5) 由于无法在补板内进行贴片测试,从而无法计算由于孔洞所造成的应力集中程度,应结合有限元数值模拟技术评估打孔对管道强度的损伤。

参考文献:[1] 卜文平,帅 健,王晓明,等.打孔管道焊接修复结构的残余应力测试[J].中国石油大学学报:自然科学版,2006,30(3):81-84.[2] 白真权,王献堃,孔 杰.含缺陷管道补强修复技术发展及应用现状分析[J].石油矿场机械,2004,33(1):41-43.[3] 曹宇光,仝兴华,薛世峰.管道螺旋焊缝力学性能研究[J].石油矿场机械,2008,37(9):64-67.[4] 薛世峰,田旺生,仝兴华,等.打孔管道焊接残余应力有限元分析[J].石油矿场机械,2008,37(9):35-39.[5] 李淑梅,和育英.长输管道用钢制弯管静水压爆破试验研究[J].石油矿场机械,2008,37(12):56-59.[6] 高安东,杨占品,王可中,等.鲁宁线打孔盗油管段现场测试[J].油气储运,2009,28(2):64-67.收稿日期:2009-05-26作者简介:张春婉(1980-),女,陕西户县人,硕士研究生,主要从事石油管柱失效分析、石油管柱设计及材料研究,E -mail:zcw898@ 。

文章编号:1001-3482(2009)12-0065-11S135钻杆本体刺穿失效分析张春婉,张国正,董 会,金 磊,马 强(西安摩尔石油工程实验室,西安710065)摘要:对海洋平台连续发生的S135钻杆本体刺穿失效的原因进行了系统试验分析,通过DS -1标准弯曲指数(CI)的概念以及大量挂片试验,讨论了狗腿严重度和腐蚀对钻杆疲劳寿命的影响。