鉆具失效案例分析

鉆具失效案例分析鉆具失效案例分析鉆柱力學分析鉆柱自重和泥漿浮力作用在鉆柱自重和泥漿浮力作用在鉆柱上，產(chǎn)生拉伸或壓縮作鉆柱上，產(chǎn)生拉伸或壓縮作用力用力井眼彎曲或鉆柱承受超過臨界屈曲載荷而彎曲，這是導致鉆柱疲勞的主要原因之一。鉆柱承受扭轉(zhuǎn)力，當扭轉(zhuǎn)力過大時可能導致鉆具彎曲變形、脹扣、粘扣等失效。鉆柱的公轉(zhuǎn)與振動。結(jié)果導致鉆具偏磨、疲勞斷裂。2002年長慶氣田共發(fā)生鉆具失效事故年長慶氣田共發(fā)生鉆具失效事故193起。其中鉆起。其中鉆鋌鋌155起，占起，占80.3。鉆桿。鉆桿37起，占起，占19.2。轉(zhuǎn)換接。轉(zhuǎn)換接頭頭1起，占起，占0.5。 在在155起鉆鋌失效事故中，母扣裂紋或斷裂起鉆鋌失效事故中，母扣裂紋或斷裂113起，起，占占58.5。 公母扣刺壞的公母扣刺壞的31起，占起，占20.0。公扣裂紋。公扣裂紋或者斷裂或者斷裂7起，占起，占4.5。 在在37起鉆桿失效事故中，管體加厚過度帶部位刺穿起鉆桿失效事故中，管體加厚過度帶部位刺穿的的24起，占起，占64.9。公扣斷裂的。公扣斷裂的2起，占起，占5.4。扣刺。扣刺壞的壞的5起，占起，占13.5。吊卡臺肩裂紋。吊卡臺肩裂紋6起，占起，占16.2。 轉(zhuǎn)換接頭失效是因螺紋刺壞而失效。轉(zhuǎn)換接頭失效是因螺紋刺壞而失效。 長慶油田鉆具失效情況塔里木油田塔里木油田20012001年年-2003-2003年年6 6月共發(fā)生鉆具失效事月共發(fā)生鉆具失效事故故157157起，其中鉆桿起，其中鉆桿121121起，占起，占77%77%，大部分為加，大部分為加厚過渡帶消失部位刺穿失效，鉆鋌厚過渡帶消失部位刺穿失效，鉆鋌2121起，占起，占13%13%，全部為公母扣斷裂或刺漏失效。全部為公母扣斷裂或刺漏失效。 12156214020406080100120140鉆桿加重鉆桿方鉆桿鉆鋌其它鉆柱構(gòu)件失效次數(shù)塔里木塔里木油田鉆具失效情況1995-2000失效部件比例圖鉆鋌35%鉆桿21%接頭16%扶正器11%加重鉆桿8%減震器5%其它4%塔里木塔里木油田鉆具失效情況脆性斷裂16%應力腐蝕斷裂6%韌性斷裂6%其它類型6%疲勞斷裂66%失效形式統(tǒng)計結(jié)果鉆具主要失效形式變形：包括鉆具拉長、擠扁、彎曲、粘扣等；變形：包括鉆具拉長、擠扁、彎曲、粘扣等；斷裂：包括脆性斷裂和塑性斷裂；斷裂：包括脆性斷裂和塑性斷裂；磨損：包括沖蝕磨損；磨損：包括沖蝕磨損；腐蝕：包括均云腐蝕和坑腐蝕；腐蝕：包括均云腐蝕和坑腐蝕；應力腐蝕：包括應力腐蝕：包括H2S應力腐蝕和氫脆；應力腐蝕和氫脆；疲勞斷裂：包括腐蝕疲勞。疲勞斷裂：包括腐蝕疲勞。鉆具拉伸變形失效原因：過載鉆桿彎曲變形失效原因：井眼“狗腿度”太大導致內(nèi)螺紋接頭脹扣過載斷裂斷于管體斷于管體斷于摩擦對焊處斷于摩擦對焊處1) 斷口宏觀形貌粗糙、色澤灰暗、呈纖維狀；邊緣有與零件表面呈45角的剪切唇。斷口附近有明顯的肉眼可見的塑性變形(如殘余扭角、撓曲、變粗、縮頸、鼓包等)；2) 斷口微觀形貌主要是韌窩花樣；3) 失效零件材料為韌性金屬材料，失效環(huán)境溫度在該材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上；4) 存在靜載荷下(拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲)工作條件。5) 斷口附近金相組織有明顯的變形層。6) 失效件表面鍍層、添層、有機涂層等覆蓋的脆性膜破裂。7) 斷口表面與零件表面呈45角。過載斷裂的特征脆性斷裂鉆鋌公扣脆斷鉆鋌公扣脆斷鉆桿摩擦對焊區(qū)脆斷（存鉆桿摩擦對焊區(qū)脆斷（存在灰斑缺陷或未焊透缺陷）在灰斑缺陷或未焊透缺陷）1) 斷口宏觀齊平，結(jié)構(gòu)粗糙，在不同入射光角度觀察多有閃光小平面；高強度鋼斷口宏觀形貌可見放射狀撕裂棱；薄板或薄壁零件可見到人字形花樣。斷口附近無塑性變形；2) 斷口微觀形貌主要為花流花樣。3) 斷口微觀形貌有解理舌、或魚骨狀花樣、羽毛狀花樣、解理扇等特征花樣；4) 失效件材料為高強度結(jié)構(gòu)鋼或晶粒粗大；5) 失效件薄板或薄壁結(jié)構(gòu)，失效處于應力集中處(三向應力容易導致解理脆斷)；6) 失效環(huán)境溫度低(低于韌性脆性轉(zhuǎn)變溫態(tài))。解理斷裂特征1) 宏觀斷口匹配斷面能很好地吻合一致，絕大部分斷口結(jié)構(gòu)粗糙呈顆粒狀；2) 斷口微面形貌顯示沿晶分離，晶界面上多顯示光滑無特征形貌或少量韌窩花樣、撕裂痕、變形線；3) 晶界上存在有雜質(zhì)元素如P、S、AS、Se、Sb、Te、Si、Ge、Sn等；4) 存在回火脆溫度經(jīng)歷或溫度環(huán)境；5) 存在過燒或過熱的溫度經(jīng)歷或溫度環(huán)境；6) 失效部位存在局部三軸向工作應力條件；7) 存在晶界弱化致脆的環(huán)境條件。沿晶斷裂特征座吊卡臺肩疲勞斷裂1) 金屬零件是在變動載荷作用下服役；2) 金屬零件疲勞破斷失效是一個裂縫萌生，裂縫穩(wěn)定擴展和最后裂縫臨界擴展瞬斷過程。但失效是突發(fā)性。3) 失效件斷口附近無宏觀塑性變形特征：且裂縫擴展區(qū)的大小與服役時間成正比；4) 金屬零件失效斷口宏觀形貌具有光滑程度及形貌不同的裂縫位置，裂縫擴展區(qū)(簡稱疲勞區(qū))和瞬時區(qū)特征；或在斷口上見到光亮程度不同的兩個區(qū)域，且這兩個區(qū)域不是由于材質(zhì)(包括狀態(tài))不同而形成的；5) 金屬零件失效斷口微觀形貌具有疲勞條痕特征。疲勞斷裂特征加厚過渡帶腐蝕疲勞刺穿失效腐蝕疲勞斷裂特征1) 存在交變載荷和腐蝕環(huán)境下工作條件，裂縫擴展深度與應變應力服役時間和環(huán)境相對應；2) 腐蝕疲勞裂縫源于表面或點蝕坑，隨后向基體內(nèi)部擴展。3) 宏觀斷口附近無塑性變形，疲勞區(qū)因腐蝕介質(zhì)作用及產(chǎn)物在該區(qū)留存，而失去金屬光澤；4) 微觀斷口由于腐蝕介質(zhì)作用，疲勞條痕模糊不清；5) 斷口表面腐蝕產(chǎn)物成份與工作環(huán)境介質(zhì)成分相對應；6) 工作環(huán)境具有液態(tài)、氣態(tài)腐蝕介質(zhì)或潮濕空氣；7) 屬多源疲勞。氫脆和應力腐蝕應力腐蝕特征1)存在應力(拉應力)和敏感的腐蝕介質(zhì)下工作條件；2)宏觀斷口由應力腐蝕破裂區(qū)(源區(qū)和應力腐蝕裂縫擴展區(qū))一般呈暗灰色，斷口組織粗糙，伴有腐蝕產(chǎn)物復蓋；瞬斷區(qū)新鮮斷口呈纖維狀并伴有幅射棱線(有時由于環(huán)境污染呈腐蝕性灰色)及剪切唇；3)應力腐蝕裂縫形貌呈樹枝狀，分叉裂縫系腐蝕產(chǎn)物體積效應造成結(jié)果；4)微觀斷口形貌有腐蝕產(chǎn)物。若屬沿晶應力腐蝕破斷，微觀晶粒外形輪廓因腐蝕而模糊不清，晶界加寬，晶界面上常有細小腐蝕坑或核桃紋；若屬穿晶應力腐蝕破斷，微觀斷口形貌多呈解理河流花樣。5)微觀斷口有泥紋花樣。氫脆特征1) 宏觀斷口表面潔凈，氫脆斷裂區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀亮灰色；宏觀斷口表面潔凈，氫脆斷裂區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀亮灰色；2) 顯微裂縫呈斷續(xù)而彎曲的鋸齒狀；顯微裂縫呈斷續(xù)而彎曲的鋸齒狀；3) 微觀斷口沿晶分離，晶粒輪廓鮮明，晶界面上伴有變形線微觀斷口沿晶分離，晶粒輪廓鮮明，晶界面上伴有變形線(發(fā)紋線、或發(fā)紋線、或雞瓜痕雞瓜痕)；4) 失效部位應力集中嚴重，氫致破斷源位于表面；應力集中小，氫致破失效部位應力集中嚴重，氫致破斷源位于表面；應力集中小，氫致破斷源位于次表面斷源位于次表面(滲碳滲碳等表面強化零件多源于次表面等表面強化零件多源于次表面)；5) 失效應力主要是靜拉應力，特別是三向靜拉應力。失效應力主要是靜拉應力，特別是三向靜拉應力。6) 氫脆破斷臨界應力極限氫脆破斷臨界應力極限H隨著材料強度的升高而急劇下降。一般硬度隨著材料強度的升高而急劇下降。一般硬度低于低于HRC22時不發(fā)生氫脆破斷而產(chǎn)生鼓泡；時不發(fā)生氫脆破斷而產(chǎn)生鼓泡；7) 一般鋼中的含氫量在一般鋼中的含氫量在510PPM以上時就會產(chǎn)生氫致裂縫。但對高強以上時就會產(chǎn)生氫致裂縫。但對高強度鋼即使鋼中含氫量度鋼即使鋼中含氫量1PPM，由于應力的作用，處在點陣間隙中的氫原，由于應力的作用，處在點陣間隙中的氫原子會通過并擴散集中于缺口所產(chǎn)生的應力集中處，氫原子與位錯的交互子會通過并擴散集中于缺口所產(chǎn)生的應力集中處，氫原子與位錯的交互作用，使位錯線被釘軋住，不能再自由活動，從而使基體變脆。對于由作用，使位錯線被釘軋住，不能再自由活動，從而使基體變脆。對于由酸性介質(zhì)中擴氫所需酸性介質(zhì)中擴氫所需PH小于小于4，但是碳酸溶液在室溫，但是碳酸溶液在室溫PH=6就會擴氫，特就會擴氫，特別對于在裂縫頂端處由于電位比其他部位更負，溶液的酸性大，對擴氫別對于在裂縫頂端處由于電位比其他部位更負，溶液的酸性大，對擴氫更有利。更有利。鉆鋌疲勞斷裂接頭縱裂 鉆鋌粘扣磨損與熱裂沖蝕腐蝕提高鉆柱壽命的措施提高鉆柱構(gòu)件韌性制定合理的標準；制定合理的標準；研制高韌性鉆具研制高韌性鉆具提高鉆桿摩擦對焊質(zhì)量改進鉆柱構(gòu)件結(jié)構(gòu)設計改進內(nèi)加厚過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和尺寸改進內(nèi)加厚過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和尺寸采用采用1818 座吊卡臺肩接頭座吊卡臺肩接頭改進鉆具扣型（改進鉆具扣型（SST,LETSST,LET）開發(fā)高抗扭接頭開發(fā)高抗扭接頭加工應力分散槽加工應力分散槽開發(fā)酸性環(huán)境用鉆柱構(gòu)件開發(fā)酸性環(huán)境用鉆柱構(gòu)件鉆具設計和自身質(zhì)量方面在保證提升能力條件下，優(yōu)先選用較低鋼級鉆桿使用最佳預緊扭矩選擇合適的彎曲強度比在鉆鋌與鉆桿之間使用加重鉆桿控制腐蝕將鉆井液的將鉆井液的PHPH值控制在值控制在1010以上以上控制鉆井液的溶解氧?？刂沏@井液的溶解氧。3ppm3ppm的溶解氧即可降的溶解氧即可降低鉆桿腐蝕疲勞壽命低鉆桿腐蝕疲勞壽命50%50%控制氯離子含量控制氯離子含量鉆具的選用和使用方面鉆具管理方面采用先進的管理程序提高鉆具維修水平把好鉆柱構(gòu)件檢驗關，包括購進檢驗和現(xiàn)場檢驗對在役鉆柱構(gòu)件進行適用性評價，確立探傷周期，預測剩余壽命匯報完畢，謝謝！