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钻井过程中钻杆损坏的原因

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钻井过程中钻杆损坏的原因

1、振动、弯曲、磨损

当钻柱达到临界转速时,会在达到临界转速时发生振动,往往会造成钻杆弯曲、过度磨损、损坏迅速和疲劳。特别是当两种振动(波节振动和弹簧摆动振动)重合时,对钻杆最不利。临界转速随钻具长度、钻具尺寸、钻铤尺寸和井眼尺寸而变化。

2,拉伸断裂

在抽提卡钻的过程中,经常会发生拉伸破坏。当上拔力超过屈服点时,在钻杆壁最弱的部位或最小的部位会发生“细颈”变形。如果提升力超过极限强度,钻杆就会断裂。拉伸破坏通常发生在钻柱上部。因为上部钻具必须同时承受钻柱的压力和重量。

3.、疲劳失效

疲劳失效是钻杆最常见的失效形式。疲劳失效有三种基本类型:

  1. 纯疲劳失效

钻杆要承受周期性的拉、压、扭、弯应力。拉伸和弯曲是最危险的应力。目前,钻杆疲劳失效的主要原因是钻杆在弯曲孔中旋转时产生的周期性应力。即使钻铤有足够的厚度,弯曲的井眼仍然可能发生疲劳失效,失效的位置也不确定。
当钻杆弯曲时,钻杆对应位置会因反复拉压而产生周期性应力。钻铤上面的钻杆最容易弯曲,因为钻铤比较坚硬,能抵抗弯曲,钻铤上面的钻杆就会发生弯曲。
同时,钻杆上的最大应力发生在钻杆加厚部分的末端,距离接头约50 cm处。如前所述,接头不可能发生弯曲,弯曲只能发生在管壁较薄的钻杆体上。在截面变化的位置起着类似虎钳的作用,使其成为弯曲力的支点。
如果在钻杆全长上均匀弯曲,作用在钻杆上的应力会降低,疲劳破坏的应力循环次数会增加。

决定疲劳失效的值为:钻杆弯曲位置的拉伸载荷;钻孔弯曲的严重程度;钻杆各段在钻孔弯道处的重复应力次数;钻杆尺寸和钢材性能。

由于钻杆承受的拉力是疲劳破坏的关键,因此在深井中,上部孔的弯曲往往成为疲劳破坏的因素。
需要指出的是,只要钻杆穿过钻孔弯曲部分,即使消除了拉力,累积疲劳损伤仍然存在。因此,如果钻杆多次经过弯曲部位,可能会造成钻杆的疲劳损伤。同样重要的是,即使在井中没有发生事故,也要注意钻杆可能已经损坏。
当再次在同口井或其他井中使用时,即使连接到钻柱顶部,即使作用在钻杆上的弯曲应力在额定值内,也可能无法承受,造成事故。

此外,还有其他原因会导致弯曲应力的纯疲劳失效。例如,任何弯曲的钻杆通常都是疲劳失效的潜在因素。
弯曲的方钻杆将弯曲转盘下面的第一根钻杆。一旦钻杆上的应力足够大,就会造成疲劳损伤。如果凸块不对中,钻杆会疲劳,因为它会对方钻杆和钻杆造成弯曲应力。

  1. 缺口疲劳损伤

钻杆表面的缺陷,无论是机械加工还是冶金加工,都会极大地影响钻杆的疲劳极限,其影响程度取决于缺陷的位置、方向、形状和数量。
如果缺口位于钻杆上主应力不在的位置,对疲劳破坏的影响较小。但是,如果缺口在距离接头50 cm以内,由于它是钻杆产生最大弯曲应力的地方,将成为疲劳失效的核心。
纵向缺口可以扩散应力而不造成伤害。然而,即使是一个带有尖锐底角的小缺口也会增加应力,导致失效。可引起缺口疲劳损伤的几种钻杆表面状况如下:

(1)钢印图案的所有横向标记均可成为应力集中点。如果在钻杆上做钢印的位置不合适,钢印的横向标记和任何位置的标记都会成为钻杆疲劳的起点。

不允许在钻杆本体上打印。该标记标记在钻杆增厚消失的部位,其截面积较大,可以安全吸收产生的应力。另外,可以用点号代替行号,沿钻杆纵向布置罗马数字钢印,也可以起到安全标示的效果。

(2)如果将钻杆作为烧弧接地线,会使拉杆与钢轨之间产生电弧,造成钻杆周长被烧。虽然这些不容易注意到的小坑很小,但它们在钻杆上形成了一个很宽的烧蚀区。它具有玻璃硬脆的优点,容易加速疲劳失效。

(3)钻杆上橡胶箍顶部形成的圆形沟槽是缺口疲劳失效的另一个原因。

(4)大钳齿痕是钻杆上各种表面痕中最常见、最严重的一种。但是,由于它是纵向的,与施加的应力方向不一致,因此对疲劳破坏的危害不大。若与垂直方向稍有偏离,则容易形成应力集中点。钳子应打在接头上,不能打在钻杆本体上,否则会损坏钻杆。

(5)卡瓦疤一般来说,旋转卡瓦不会在钻杆上留下任何损伤痕迹。但是,如果卡瓦齿加工或操作不当,卡瓦齿会咬伤钻杆。

(6)钻具表面被地层和井中的破碎金属切割。当钻井工具在井中旋转时,表面会与坚硬的井筒地层摩擦,并留下一个周向缺口。这种缺口多为三角形,常见于钻杆和钻铤上。

  1. 腐蚀疲劳失效

这这种故障是目前钻杆早期故障的常见原因。腐蚀可造成非常严重的破坏,破坏形式多种多样,包括侵蚀、磨损、疲劳等。有时,几种腐蚀形式会同时发生,但一般来说,总有一种腐蚀形式是造成破坏的主要原因。

(1)影响钻工具钢的主要腐蚀剂有:氧气、二氧化碳、硫化氢、溶解盐(氯化物、碳酸盐和硫酸钠、钙、镁)、各种酸(甲酸、醋酸等)。

(2)影响腐蚀速率的因素

低pH值的水基泥浆会降低钻井工具的疲劳寿命。pH值是控制腐蚀疲劳的主要因素,但很难准确地确定足以防止疲劳损伤的最小pH值。许多用户认为泥浆pH值低于9.5会降低钻井工具的疲劳寿命。

绝大多数温度的腐蚀速率都会随着温度的升高而增大。

泥浆流速随泥浆流速的增加而增加,会加速腐蚀速率。

不均匀钢的局部成分差异或组织差异会增加腐蚀速率。

高应力部位的腐蚀速率比低应力部位的腐蚀速率快。

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