工程用钻杆螺纹断裂失效研究

关于R780钻杆断裂问题的分析研究【摘要】本文主要研究定向钻机以及其钻杆断处的细节表象，对其展开细致的总体观察、机械能动性测试以及物理或者化学成分测定等。

在测试结束后研究其结果并进行总结后可知，R780钻杆断裂的主要原因为施工中受到扭转力过大从而致使其钻杆金属疲劳，进而断裂；而R780钻杆上出现裂缝的主要原因为该钻杆受力过大，同时制作钻杆的原材料的强度稍有不足。

【关键词】钻杆断裂；扭转应力；探究分析对于定向钻机而言，由于其采用非开挖技术，因此对城市的道路不会产生较大的损害，又因其工作效率较高、工作成本相对低廉，该定向钻机的用途非常广泛，例如城市供水系统建设、城市热能供应、城市天然气供应、挖掘安置石油管道和电力通讯设备的架设等方面。

然而由于地形、环境等方面的影响，定向钻机的钻杆很容易出现裂纹甚至断裂。

本文主要研究R780钻杆的断裂问题，通过从施工现场取样的断裂钻杆为例，以显微测定、钻杆原材料以及钻杆断裂面的成像等方式为主要检测手段，从根本上研究该钻杆的开裂原因。

一、对钻杆的理化测试（一）总体测定将于施工现场所取得的R780钻杆进行实验室测定可知其相关属性如下：钻杆的长度为300mm，其表面稍有生锈，其中断裂处外可见60mm左右的横向裂纹，如图1所示。

从该图中可知，钻杆壁的厚度正常，细致观察管壁内部可知，该断面与钻杆的轴线出现了倾斜，倾斜角度约为45°，该倾斜使得断裂部位出现双平台现象，断裂处氧化严重，但是通过技术检测，该部位依然显露出断裂纹，纹路较为清楚且指向均匀。

因此可知，该处是钻杆的断裂源头，其大小约为整个断裂口的30%。

（二）对钻杆进行成分测定以及机械测试机械测定主要是从钻杆的中部取样分析，分析所用的主要仪器如下。

（1）对样本进行化学分析的仪器为QFN750光谱仪；（2）对样本进行拉伸强度测试以GB/T228相关标准为理论基础，采用CMT系列微型测试仪；（3）以GBT229为主要测试标准，采用NCSI智能冲击实验仪器对样本的冲击性进行试验。

- 57 -第11期螺杆钻具失效原因分析与技术对策探讨陈石（大庆钻探工程公司钻井一公司， 黑龙江 大庆 163411）[摘 要] 近年来螺杆钻具在定向井和水平井钻井施工中应用的数量逐渐增多，由于受到多种因素的影响，经常出现螺杆钻具失效的情况，严重影响了石油钻井的施工效率。

本文对近几年螺杆钻具的失效情况进行了统计，从中分析螺杆钻具失效的原因，并制定相应的技术对策，减少了螺杆钻具的失效频率，对提高石油钻井生产效率具有积极作用。

[关键词] 石油钻井；螺杆钻具；失效原因；技术对策作者简介：陈石（1983—），男，黑龙江双鸭山人，大学本科学历，工程师。

在大庆钻探工程公司钻井一公司从事钻井工作。

随着石油钻井中的定向井、水平井钻井技术的进步与发展，螺杆钻具的使用越来越广泛，已经不再局限于直井复合钻井提速，而在定向井、水平井的造斜段和稳斜段使用中均发挥着重要的作用。

但由于螺杆钻具发生失效致使部分定向井、水平井的施工效率低下，因此需要对定向井、水平井施工中螺杆钻具失效原因进行分析，并制定对策。

1 螺杆钻具失效调查分析螺杆钻具在定向井、水平井的使用中失效情况时有发生，笔者统计了某钻井公司2015年以来的所有螺杆钻具失效案例，并对这些螺杆钻具失效案例的失效原因进行分门别类的统计分析后发现，螺杆钻具在定向井、水平井钻井施工中失效形式主要分为以下几种：一是传动轴不能转动、卡死；二是马达定子发生脱胶；三是螺杆钻具最顶端的旁通阀刺漏；四是传动轴发生断裂；五是螺杆钻具本体发生倒扣。

这些不同种类的螺杆钻具失效案例的发生不仅影响了定向井、水平井的钻井施工效率，而且大大增加了钻井成本。

2 螺杆钻具使用中失效原因分析2.1 传动轴不能转动、卡死原因分析通过拆卸失效的螺杆钻具发现，传动轴不能正常转动，最终导致传动轴卡死的直接原因是在传动轴总成的最顶端部位堆积了大量的钻井时产生的岩屑，岩屑的由来一是使用的钻井液性能未能达到施工要求，含砂量高，在停泵接单根过程中由于钻井液的悬浮能力差，导致钻井液中大量的岩屑下沉到传动轴的顶部；另一原因是在下钻过程中片面追求下放速度，导致钻井液中的泥沙倒灌入螺杆钻具的马达中，开泵后大量泥沙集聚堆积到传动轴顶部致使传动轴卡死。

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。

钻杆管体横向开裂失效原因分析与预防摘要：经济和科技不断的发展，使得钻井技术水平不断提升，本文就对发生横向开裂的失效钻杆进行断口形貌的宏观及微观观察、金相分析、物相分析，以及对钻杆尺寸、化学成分及力学性能的综合分析，并结合钻杆的受力状态，指出钻杆的失效原因是钻井液中的氧气对钻杆的内外表面产生严重腐蚀。

并提出了预防措施及建议。

关键词：钻杆；腐蚀；交变载荷；横向开裂；失效分析引言钻杆作为钻柱系统的重要组成部分，是影响钻井安全和钻进效率的关键部件，由于钻杆在使用过程中承受拉压弯扭等复杂交变载荷的作用，同时还受环境介质的影响，钻杆的主要失效有管体刺穿和断裂、接头螺纹黏扣、刺漏和断裂等形式。

一旦发生钻杆失效，尤其是断裂，极易引发严重的钻井事故，造成重大经济损失。

所以针对钻杆失效形式进行原因分析并采取措施避免，具有重要意义。

1实例某钻井公司在吉林省白山市进行地热井施工。

该区域为中朝准台地北缘东段，处于浑江凹陷、褶皱断层带上，为单斜构造。

地层总体走向北东45°，倾向东南，倾角在30～40°。

地热井主要钻遇地层为：0～10m，新生界第四系，岩性为砂层、砾石层黏土层；10～695.5m，中生界侏罗－白垩系，岩性为黄绿色、粉色砂岩，夹泥岩；695.50～1930m，元古界震旦系桥头组、万隆组和八道江组，岩性为灰岩、板状粉砂岩、石英砂岩。

地热井设计井深2500m，施工目的层为1200～2500m的含水层段。

施工使用钻机为石油30。

事故发生时井深1320m，距井底135～140m的一支Φ127mm×9.19mm，G105钢级钻杆，提钻时发现管体有横向裂纹，尚未造成刺漏和折断，钻杆管体材质为26CrMo4s/2钢，钻杆开裂部位距内螺纹接头端面2.5m处。

钻具配置为Φ215.9mm镶齿牙轮钻头+Φ178mm钻铤4支+Φ165mm钻铤8支+Φ127mm钻杆，钻进过程中泵压4.5MPa，钻压2～3t，钻井液pH=7。

螺杆钻具主轴的断裂失效分析1王炳英，薄国公中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营（257061)E-mail ：*****************摘要:对失效螺杆钻具主轴进行了理化检验、力学分析，通过金相组织观察、扫描电镜（SEM）测试等实验手段，结合钻杆的受力状态分析,推断出主轴的主要断裂原因是由于服役条件时复杂的受力状态以及钻井液腐蚀综合作用,最终导致钻杆腐蚀疲劳断裂。

关键词:螺杆钻具；交变载荷；腐蚀疲劳中图分类号：螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下动力钻具，对传递动力和输送泥浆有着重要作用。

钻具主轴在服役过程中承受着复杂交变载荷的作用，要求钻具有很好的抗弯和抗冲击等力学性能及较高的表面质量[1-3]。

一般主轴的工作时间达到100小时以上被认为合格，但由于马达输出功率不均匀、地下地况复杂，受力不均匀等原因，造成很多主轴工作40-50小时便发生断裂，给钻井公司造成较大的经济损失。

要保证整个钻柱系统的结构完整性和密封完整性，确保钻井生产的正常运行，减小井下事故的发生，有必要对钻杆的失效进行研究。

1．理化检验结果1.1宏观形貌检查失效主轴的位置位于主轴的顶端，此处截面积较小，断口整体平整，有明显的起裂点，失效轴端的一部分平整光亮，另一半则存在大量的沟纹。

宏观断口明显观察到疲劳源区和宏观疲劳条纹。

对断口截面形貌进行观察，发现其具有灰亮色金属光泽，没有明显宏观塑性变形。

1本课题得到山东省自然科学基金资助（项目编号：Y2008F38）的资助。

图1钻具主轴失效部位的宏观形貌Fig.1Macrograph of the failure part of the drilling tool spindle1.2化学成分分析在失效部位取样进行化学成分分析，结果（质量分数）见表1。

从表1可见，主轴为材料36CrNiMo4，符合GB3077－1999[4]标准中材料的技术要求。

表1钻具主轴的化学成分Tab.1Chemical composition of the drilling tool spindle项目C Si Mn P S Cr Mo Ni 牌号主轴0.350.40.60.0350.03 1.00.2 1.036CrNiMo4GB3077-19990.32-0.40.40.5-0.80.0350.030.9-1.20.15-0.30.9-1.236CrNiMo41.3金相分析在失效主轴断口端面沿轴向取样，制作金相试样，观察显微组织，金相分析结果表明，断口附近显微组织和基体组织相同，为回火索氏体，晶粒度为8级，夹杂物如图2所示。

钻杆螺纹断裂失效分析鲍洪峰刘道喜（无锡双马钻探工具有限公司技术研发中心 江苏 无锡 214000）江苏钻通生产的X320型钻机中钻杆在使用一段时间，在钻杆螺纹处断裂。

为查明原因进行失效分析。

钻杆材料为42MnMo7，化学成分由厂家提供，有待进行复验。

钻杆规格：¢73*8*3000mm。

技术要求：钻杆整体进行调制处理，硬度30~35HRC。

抗拉强度：≧965Mpa，屈服强度：≧865Mpa钻杆结构及断裂位置如图1所示。

（图1）钻杆结构及断裂位置示意图1、宏观分析送检式样的宏观形貌如图2所示。

（图2）试样宏观形貌从图2中看到断口在螺纹的第三级上，断口基本齐平与轴向垂直，无明显塑性形变痕迹，断口形貌如图3所示。

从图3中看到，断口的外圈有一个平台区，平台上可看到明显的贝纹线，这是疲劳裂纹扩展留下的痕迹，也是裂纹扩展时停歇后留下的痕迹，所以根据典型的贝纹线形貌可以确定，断口的断裂类型为疲劳断裂。

断裂过程为：在螺纹根部的一周都有疲劳裂纹源，一周的裂纹同时向轴心扩展，根据受力的大小反应出扩展的快慢，从图3看到，右侧的受力要偏大于左侧，因平面区域大，且疲劳扩展的贝纹线清晰可见。

当剩余直径的截面积承受不了工作载荷后，即发生最后的瞬时断裂，因为受到的是扭力，所以最后断裂区与轴向呈45度，并且断口粗糙。

各区的放大形貌如图4所示。

（图3）断口宏观形貌从图3中可以看出公扣的牙底部份的储油空（a）疲劳扩展区右侧（b）疲劳扩展区左侧（图4）断口局部放大形貌2、显微分析在图4a中红框位置取样，沿纵截面按照常规制样方法制样，进行显微组织分析。

式样的纵截面上即可看到其他螺纹根部也有宏观裂纹产生，如图5所示。

宏观裂纹长度大约为2~3mm。

从截取的试样上看到，断口处的螺纹顶部已被挤压磨损掉了，如图6所示。

（图5）螺纹根部宏观裂纹形貌（图6）螺纹顶部磨损形貌观察试样心部及表层显微组织均为回火索氏体组织，组织分布均匀，如图7所示。

试论钻杆接头螺纹断裂失效分析发布时间：2021-03-16T11:38:05.330Z 来源：《中国科技信息》2021年2月作者：焦超[导读] 钻杆是钻柱重要的组成部分，主要用于传递动力，输送泥浆，需承受各种复杂交变的载荷，如拉压、扭、弯曲等应力，因此要求钻杆具有良好的抗扭和抗冲击性能及防腐能力，特别是深井，超深井中，对其钻杆质量要求更高。

钻杆在整个钻柱组合中占比超过90%，它数量最多，长度最大，所面临的失效风险也最大，因此有必要对钻杆螺纹断裂进行分析，以确定断裂主因，探寻解决途径，为钻杆结构优化，提高使用寿命，减少失效风险提供重要依据。

中石化西北油田分公司石油工程监督中心焦超摘要：钻杆是钻柱重要的组成部分，主要用于传递动力，输送泥浆，需承受各种复杂交变的载荷，如拉压、扭、弯曲等应力，因此要求钻杆具有良好的抗扭和抗冲击性能及防腐能力，特别是深井，超深井中，对其钻杆质量要求更高。

钻杆在整个钻柱组合中占比超过90%，它数量最多，长度最大，所面临的失效风险也最大，因此有必要对钻杆螺纹断裂进行分析，以确定断裂主因，探寻解决途径,为钻杆结构优化，提高使用寿命，减少失效风险提供重要依据。

关键词：钻杆接头；螺纹断裂；超深井；结构优化分析油田钻杆螺纹断裂失效行为，通过宏观分析、磁粉探伤、金相分析、理化性能测试等方法，系统的分析了作业工况下螺纹失效因素，钻杆材料为 S135 钢级，结果表明，在复杂的工况下和自身材质的影响，受到硫化氢的腐蚀，从而加速了钻杆螺纹的断裂，这种开裂为典型的硫化氢应力腐蚀开裂。

1.宏观分析（1）宏观外貌。

本次分析的断裂对象为钻杆双台肩螺纹，失效形式为公螺纹近根部位置断裂。

在现场对入井钻杆进行宏观分析取样时，发现公螺纹小端密封台肩面存在大量挤压变形，严重的甚至出现密封面开裂，大端主台肩密封面亦有轻微磨损，根据双台肩接头密封原理和现场发现的现象，可以明确作业过程中螺纹承受的扭矩较大，甚至超过了其屈服扭矩。

常规修井作业中螺杆钻具失效原因探析摘要：常规修井施工常用螺杆钻具受规格尺寸限制，在旁通阀、液马达、万向轴、传动轴、连接螺纹等方面存在一定的薄弱环节。

本文从螺杆钻具的设计、选型和使用的角度出发，结合应用实例对失效原因方面进行了探讨和分析，为优选井下作业螺杆钻具，提高其使用寿命做出了积极的建议。

关键词：常规修井；螺杆钻具；失效常规修井作业中，螺杆钻具的应用日益广泛，尤其在钻塞等施工中，更是提速提效的重要工具。

常规修井作业和钻井相比，螺杆钻具在规格选择和参数设计方面有着不小的差异。

分析螺杆钻具失效的原因，采取针对性措施提高其使用寿命，以降低修井作业成本十分必要。

螺杆钻具是指钻井液（修井液）流过螺杆定子和转子，使钻井液（修井液）的水力能转换为驱动钻头旋转的机械能的动力钻具。

螺杆钻具自上而下，由旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成等组成，其结构见下图所示：常规修井作业所用螺杆钻具，一般是指Φ101.6mm的螺杆钻具，主要包括Φ95mm、Φ73mm、Φ45mm等，更小规格的应用量极少，此次不予讨论。

1.螺杆钻具失效因素分析螺杆钻具的设计使用寿命与其规格的大小成正相关关系，规格越小，使用寿命越短。

导致其失效（不能正常工作）的因素主要如下：1.旁通阀总成失效原因分析旁通阀总成受规格所限，其旁通孔径和弹性体直径较小，存在因堵塞或者卡滞导致旁通阀无法打开，继而导致液马达无法工作螺杆失效的情况。

根据统计来看，在螺杆钻具失效占比中约3%。

1.液马达总成失效原因分析常规修井作业，修井液一般采用清水、活性水或者中水（处理过的地层污水），其颗粒固相的清除依靠自然沉降者居多，且和钻井液相比润滑能力低，对定子和转子的损伤不易管控。

定子和转子的相对容积空间出现破坏后，液力能向机械能转换的效率明显降低，表现为循环压降降低，扭矩传递衰减明显。

此外，修井作业导致修井液中含油量的增加，对定子和转子胶体的耐油性提出了挑战。

根据统计来看，在螺杆钻具失效占比中约为83%。

钻杆螺纹失效分析及改进措施分析发布时间：2023-03-22T05:48:11.895Z 来源：《工程管理前沿》2023年第1月1期作者：刘洪涛[导读] 简单介绍了钻杆的受力状态及其接头螺纹断裂失效的主要类型、表现形式，基于有限单元分析方法分析了螺纹强度水平，创建了钻杆接头模型，解读造成螺纹失效的常见因素，探讨有效改进钻杆设施结构的技术方法。

刘洪涛中石化胜利石油工程有限公司管具技术服务中心山东东营 257100摘要：简单介绍了钻杆的受力状态及其接头螺纹断裂失效的主要类型、表现形式，基于有限单元分析方法分析了螺纹强度水平，创建了钻杆接头模型，解读造成螺纹失效的常见因素，探讨有效改进钻杆设施结构的技术方法。

结合实践情况，规范应用以上改进措施后显著增加了钻杆的使用周期，降低局部断裂事件发生的风险，帮助使用单位节省成本，提升项目施工质量，进而创造出更多的经济收益。

关键词：钻杆接头；螺纹失效；有限元分析；结构改造引言能源资源是经济建设与发展的物质基础，近些年社会各个行业运营发展中对能源的需求量不断增加，能源的开采力度也日益增大，国家相关部门对该项活动的执行情况给予高度重视。

天井钻机历经数十年的发展后，自身已经成为一种技术十分成熟的设备类型，多各类复杂地质环境表现出较强的适应能力，能一次成型建造出各类型天、斜井，但和发达国家同类设备相比较国内转机设备的技术发展水平还是体现出一定滞后性，主要是因为产品设计理念及手段落后，并且钻机自身可靠性还有很大提升空间[1]。

1.1受力状态现场钻进施工时，基于螺纹联接形式使钻杆成为细长的管柱，钻杆自身的受力变形主要由如下两部分构成[2]：其一是已经钻出的钻孔样态使钻杆局部出现弯曲变形；二是钻杆现场钻进期间出现了组合变形问题，造成钻头处生成较大的钻，钻杆变形直接影响着钻压大小，这属于几何非线性动力范围内的问题；另外在多种荷载的作用下，钻孔对杆的变形程度产生了较大的约束力，和孔壁在某一深度部位、孔壁圆周方向上相互触及，可以将其归结成接触非线性动力学问题。

工程用35CrMo钢钻杆螺纹断裂失效分析【摘要】应用Q8火花直读发射光谱仪、维氏硬度计、数显洛氏硬度计和金相显微镜，对工程用35CrMo钢钻杆螺纹断裂件的化学成分、维氏硬度、洛氏硬度、断口宏观形貌和微观组织进行了分析。

结果表明，断裂钻杆的化学成分符合标准要求；热处理工艺不稳定，出现非正常组织为钻杆断裂失效的主要原因，研究为进一步优化钻杆热处理工艺提供了重要依据，具有重要的理论意义及工程应用价值。

【关键词】35CrMo；钻杆；断裂；失效分析0 前言在经济飞速发展的今天，机械行业的发展也是日新月异，钻杆在日常石油生产活动中扮演着越来越重要的角色。

钻杆螺纹连接部位与钻杆本体相比，刚度较小，截面形状复杂，容易出现应力集中现象，是钻杆的薄弱部位容易引起断裂失效。

新疆某油田公司使用材质35CrMo钢的钻杆，在生产过程中出现螺纹部位断裂现象，为寻找钻杆螺纹断裂原因，本文对所提供的断裂钻杆件的化学成分、宏观形貌、维氏硬度、洛氏硬度和显微组织进行了分析测试，对钻杆螺纹处断裂原因进行了分析并提出了改进措施，研究为进一步优化钻杆生产工艺，提高钻杆使用寿命，减少钻杆失效事故提供了重要依据。

1 分析方法及结果1.1 钻杆化学成分分析断裂钻杆材质为35CrMo钢，执行标准为GB/T 3077-1999《合金结构钢》。

采用Q8火花直读发射光谱仪对断裂钻杆的化学成分进行分析，测试结果见表1，与GB/T 3077标准对照发现，断裂钻杆的化学成分的含量符合标准要求。

1.2断口的宏观形貌图1为现场截取断裂钻杆件试样，通过肉眼观察可以发现，断裂钻杆的螺纹部分有较严重的损伤，结构较粗糙，靠近螺纹根部的边缘较为平坦，螺纹面有大量腐蚀坑，说明腐蚀对裂纹的产生具有一定促进作用，同时断口宏观形貌以韧窝为主，显示韧性断裂的特征。

分析认为，这是钻杆松动后，内外螺纹产生了相对运动，反复撞击螺纹部分所致。

1.3 硬度试验截取断裂钻杆螺纹处不同部位用HRS-150型数显洛氏硬度计测量洛氏硬度，测试结果在27.8HRC～31.4HRC范围内，图纸要求硬度范围为24.5～31.5HRC，表明钻杆的硬度比较偏上限，同时硬度分散性较大，说明钻杆生产工艺的—致性较差。