水平井定向井钻柱钻具失效机理及控制方法

1、水平井定向井钻柱、钻具失效机理及控制方法随着钻井深度的增加和钻井工艺的发展，对钻柱性能的要求越来越高。由于钻柱在井下工作的条件十分复杂与恶劣，它往往是钻井工具与装备的薄弱环节。钻具事故是最常见的钻井事故，它与井斜问题和钻头的工作状况有着十分紧密的关系，是影响井身质量和钻井速度的重要因素。所以对钻柱的失效机理的分析及控制方法的探讨和研究，提高钻柱的工作性能指标，从而实现和完成各种井下作业具有十分重要的意义。1.钻柱的作用与组成1.1 钻柱的作用钻柱的主要作用有以下几个方面：提供从钻机到钻头的钻井液通道，即输送钻井液；把地面动力（扭矩）传递给钻头并给钻头加压，使钻头破碎岩石；起下钻头。钻柱除了以上

2、正常钻进中的作用外还具有其它一些重要作用：通过钻柱可以了解与观察钻头工作状况，井眼状况及地层情况；进行取心、处理井下事故与复杂情况，打捞落物，挤水泥等特殊作业；对地层流体及压力状况等进行测试与评价。1.2 钻柱的组成钻柱的具体组成随不同的目的要求而不同，但主要是钻杆段和下部钻具组合两大部分。钻杆段包括普通钻杆、加重钻杆，有时也加入扩眼器。下部钻具组合则包括钻铤、稳定器、减震器、震击器及扩眼器与其它特殊工具。特殊的钻具组合还包括随钻监测工具、测试工具及打捞工具等。其结构如图1所示。图1 钻柱的基本结构2.钻柱失效的类型钻柱在井下的受力十分复杂，其服役条件苛刻，包括：钻柱所承受的载荷性质（静载荷、

3、交变载荷、冲击载荷）、加载次序（载荷谱）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪及各种复合应力）、温度、环境介质（空气、水、钻井液、H2S、CO2、NaCl）等。另外，还有由于钻具涡动引起的钻柱与井壁间的摩擦和高频撞击。钻柱在工作时还受磨蚀、磨损、粘滞力、氢脆、温度等因素的影响。所以失效形式多种多样，概括起来主要有以下三类，如表1 所示，并且这几种失效形式常常同时存在并交互作用。表1 钻柱常见的失效分析失效类型常见种类钻柱失效的常见形式过量变形钻柱接头在受载情况下螺纹部分的伸长；钻柱本体超过极限的弯曲及扭转。断裂过载断裂如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂；蹩钻时的钻柱体折断。低应力脆断钻杆、钻铤和转换接

4、头处均有发生，如钻杆焊缝的脆性断裂；钻铤和转换接头螺纹部位的脆性断裂。这种断裂的原因是疲劳损伤。其显著特点是，在突然断裂前没有宏观前兆，一般测量手段查不出来，在不知不觉中造成灾难性事故。所以低应力脆断是最危险的断裂方式之一。应力腐蚀断裂如钻具在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂；钻杆接触某些腐蚀介质（如盐酸、氯化物类）时的应力腐蚀开裂。氢脆断裂当金属中存在过多的氢时，在拉应力作用下可使材料发生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的钻具应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。疲劳断裂一般发生在钻杆接头、钻铤和转换接头螺纹部位等截面变化区域或因表面损伤而造成的应力集中区。由于整个钻柱承受复杂的交变应力

5、，有些部位，如螺纹根部、焊缝及划伤等缺陷处会出现应力集中。缺口根部应力可高出平均应力几倍或更高。所以缺陷处很快发生裂纹并扩展，直到断裂。腐蚀疲劳断裂与普通疲劳断裂一样，裂纹一般产生在应力集中严重的部位或以表面腐蚀坑为源，萌生裂纹并扩展表面损伤腐蚀包括均匀腐蚀（如钻具锈蚀）、小孔腐蚀（即点蚀，如钻杆存放或使用过程中，内外表面的点蚀）和焊缝腐蚀（如钻杆表面皱折处的钻井液腐蚀，内外螺纹接头处啮合部位的腐蚀等）。磨损包括粘着磨损（如钻杆接头、钻铤及转换接头螺纹部分的磨损）、磨料磨损（如钻井液和井壁对钻柱的磨损、螺纹脂中的杂质对螺纹的磨损）和冲蚀磨损（如钻杆的内外表面及连接螺纹受到的钻井液的冲蚀磨损）。

6、机械损伤如表面碰伤、烧伤、大钳卡瓦及其它工具的压痕等。3.钻柱失效的主要影响因素引起钻柱失效的原因往往不是单一的，而是几方面原因综合作用的结果，如钻柱的材料及使用工况和环境，钻具质量，使用者的操作以及钻柱的机械损伤等。具体分析如下表2 所示。表1 钻柱常见的失效形式主要因素常见种类失效的表现形式材料材料成分不恰当材料晶粒粗大，材料本身存在的夹杂物。材料冲击值不足，易引起脆性断裂。材料钢级选择不当钻杆材料对腐蚀疲劳强度有影响，不同钢级钻杆的腐蚀疲劳强度并不随钢级强度提高而增加。在钻井液中，腐蚀疲劳强度随钢级升高而降低。钢的强度越高，越容易发生氢脆断裂。地层硬地层牙轮钻头冲击破碎岩石，岩石硬度越大

7、，牙齿吃入越少，则冲击时间越短,冲击载荷越大。钻头工作时产生的冲击载荷有利于岩石破碎，但也会使钻头轴承过早损坏，使牙齿崩碎，而且应力波作用于钻柱上，引发钻柱的纵向振动，钻头的冲击载荷是钻柱纵向振动的激振载荷。砾岩地层砾岩地层由于中间比周围岩石的硬度大，进尺慢，在井底形成突起，使得井底形成高低不平的形状，钻头旋转钻进时，引发并加剧纵向振动，同时使钻头产生较大的弯矩，加剧稳定器刮磨井壁，钻出的井眼不规则，当稳定器旋转通过时，可能瞬间卡住，造成瞬间高扭矩，并引发扭转振动。井眼井径不规则由于各种原因造成井径扩大率较大，造成较大的钻柱弯矩，加剧钻柱的疲劳破坏。缩径由于地层泥页岩吸水膨胀造成局部的缩径，稳

8、定器通过时会产生较高的扭矩。操作不当遇卡大力上提作用在大钩上的动载荷，当井下挂卡时大钩载荷超过钻具的屈服极限时，钻具或接头螺纹将被拉长，产生过量变形，甚至钻具被提断，即过载断裂。另外，起下钻时猛提猛刹，均会让井口处轴向载荷增加，造成过量变形。钻进中发生蹩钻当钻具上扣扭矩偏小时发生蹩钻，超扭矩引起螺纹部分再次进扣，引起连接部位失效，容易使钻具涨扣，这在钻井中经常见到。上扣扭矩问题大尺寸钻铤上扣扭矩不够，小尺寸钻铤上扣过紧，这是各油田普遍存在的现象。作业中操作不当上卸扣时，大钳用力过紧会使管体外表面留有牙痕。在这些机械伤痕处，可诱发应力腐蚀纹而造成断裂失效等。螺纹脂性能选择不符合井下钻具要求如果使

9、用的螺纹脂不合适，金属添加剂也不符合标准，那么在极高的扭矩和压力作用下，油膜将消失或破裂，导致刺扣、粘扣现象。此外，如果螺纹脂保管不妥善，沙子或泥土掉入其中，均会污染螺纹脂，造成钻铤接头的擦伤和密封不严。如果台肩处螺纹脂涂抹不均匀，出现了空白处，那么在形成的“金属圈”上就会有间隙和凹痕。这样就会使高压钻井泥浆漏失，刺坏台肩和螺纹，冲走螺纹脂及其中的金属填充剂，当继续钻进时，会发生粘扣现象。加工的原因焊接工艺不良造成截面突变，或冶炼、加工工艺不当，出现应力集中或裂纹。钻杆内加厚过渡区导致应力集中，产生裂纹。螺纹加工质量差钻杆接头的螺纹齿底圆角半径过小，根部应力集中严重，使疲劳强度下降。内外螺纹接

10、头锥度误差配合不佳旋合后刚度不相配合，从而产生应力集中。钻杆接头吊卡台肩处圆角半径过小造成应力集中，尤其是 90o直台肩钻杆。螺纹类型不当造成内外螺纹弯曲疲劳强度比过小，平衡连接时弯曲强度比要求为2.5:1。台肩面宽度小于标准值降低了密封效果及支撑作用。外径磨损及内孔增大使弯曲强度比、抗扭强度等因素降低。钻柱振动钻柱的扭转振动引起钻柱旋转速度时快时慢，当钻柱突然加速旋转时，扭矩可能突然增加，一方面因钻柱与井壁的交互作用、公扣和母扣的交互作用，使得在接头处产生很高的热量，从而螺纹脂从螺纹间隙流出，可能造成密封失效，同时高压流体沿着螺纹间隙从管内流出，引起刺扣；另一方面，由于接头处传递的扭矩不是恒

11、定的，它不断变化，有时会改变方向，再加上纵向振动和横向振动的作用，使台肩负荷发生变化。流体介质钻井液腐蚀的影响主要指钻井液的 PH 值，溶解氧浓度等。随着 PH 值降低，溶解氧浓度的增大，钻杆腐蚀疲劳强度大幅度下降钻井液含沙造成冲蚀磨损及磨料磨损。潮湿的室外大气是钻具存放时的主要腐蚀环境。温度环境温度过低材料的冲击力值严重下降，易引起冷脆断裂。井下温度升高腐蚀速度将加快，另外某些泥浆处理剂在高温下会分解，产生H2S、CO2和 O2等，加快了对钻柱的腐蚀。螺纹密封脂的性能下降，尤其是低温和减磨金属含量少的密封脂，将导致丝扣和台阶性能下降。风沙一般为石英砂，其维氏硬度为 9001280，而钻杆接头

12、的维氏硬度为 300 左右，接头丝扣和密封台阶涂有密封脂极易粘附沙粒，在上卸扣时产生磨料磨损，接头丝扣的连接和台阶密封将受到影响。4. 钻具失效的主要特点（1）大多数破坏发生在使用牙轮钻头。（2）多数破坏发生在大尺寸井眼（311 mm 以上），并且在钻硬岩层和砂砾岩层时易于出现。（3）钻具失效部位主要是下部钻具组合(BHA)，而下部钻具组合中主要又是钻铤失效，且与钻杆或加重钻杆相邻的钻铤部分更容易失效。（4）钻具失效主要以断裂失效最为严重，而断裂绝大多数发生在丝扣连接处。（5）当钻压偏大而钻速较小时，容易发生钻具失效事故。5.钻具组合失效分析5.1带扶正器下部钻具组合失效与扶正器使用有关的下部

13、钻具失效包括:扶正器本身公扣或母扣断、脱扣、涨扣、倒扣，与扶正器相连的钻铤或配合接头的公扣或母扣断、脱扣、涨扣、倒扣，钟摆或造斜钻具长跨距内钻铤的连接处断。主要失效形式是扶正器螺纹或与扶正器相连钻铤或接头螺纹断，距扶正器之上，l-2单根内钻铤螺纹断；其次为脱扣。大跨距钻铤段纵横弯曲、质量偏心、横向振幅及弯曲应力集中在扶正器上下3m以内，造成紧靠扶正器处弯曲应力大。扶正器或钻铤与井壁接触的摩擦力可能激发反进动，使弯曲应力交变频率成倍增加，处在正进动和反进动相互转变的过渡区。在刚性井壁上的撞击形成冲击载荷。两钻铤间联结配合接头刚度不匹配和扶正器设计未考虑刚度匹配导致严重应力集中。5.2配合接头失效

14、配合接头用于不同直径或不同扣型钻具的过渡，现场钻井工作者已接受了螺纹连接匹配的概念，但配合接头设计却不讲究连接匹配。配合接头看似简单，各管子站均可自己加工配合接头，但是它往往会造成井下钻具事故.。当前配合接头有材质标准，但没有几何结构的设计标准。配合接头失效应包含本身螺纹断裂（主要是公扣）和与之相连的钻具螺纹断裂。接头两端刚度不匹配。在接头和其相连的钻铤承受弯曲载荷时，接头小端弯曲应力集中，在相同弯矩作用下，小端弯曲应力大，疲劳抗力低。5.3震击器失效震击器失效均指震击器接头脱扣或本体断，并非是震击器不工作。震击器失效与钻具动力学有关，震击器本体长，直径大，轴心细。在旋转钻进时，震击器本体与井

15、壁摩擦、碰撞，横向摆动大。防止震击器失效的技术是在震击器下端加欠尺寸扶正器，用以减小横向摆动。6. 钻具疲劳失效机理分析6.1钻具疲劳微观机理6.1.1 滑移和解理材料发生塑性变形的普遍机理为滑移，即在晶体内的材料层平行移动经过相邻的层面。此过程可以阐述为一个单晶体对切应力的反应（见图2），当材料面上的切应力超过某一临界值(临界切应力)时就开始了塑性变形，若材料继续由此应力作用材料两层面就会产生滑移现象。若对每一滑移带，采用显微镜检查显示:每一粗大的滑移带是由许多细小的滑移线组成的（见图3）。对于晶体材料，当切应力超过临界分解切应力时就激活了每颗晶粒的滑移系统并发生表面偏移，此偏移方向取决于晶

16、粒组织，滑移面和滑移方向就组成了一个滑移系统。当晶体加载时，在所有的滑移系统上切应力都增加，但滑移首先发生于达到此材料临界切应力的滑移系统上，而此系统取决于晶体的方位，若在同一方位上有两个滑移系统具有相等的分解切应力并且此两者首先达到临界分解切应力，这将导致两个滑移系统同时产生滑移即为“交叉滑移”。若材料中有一个方位上分解切应力为零（其基本平面为滑移面，垂直加载）。当加载增加时，滑移可能发生在另一类非密排面并且此时临界分解切应力很大，在另一平面上的分解正应力却超过了联结平面的力，这时平面就会发生分离或解理，见图4，其中:；，当正应力大于解理所需的临界分解正应力时，材料就会解理。图2 晶体由于滑

17、移而导致的塑性变形 图3 放大横截面上的细小偏移图4 圆柱试样轴向加载分解的切应力与正应力6.1.2孪晶所谓的孪晶就是结晶体的两部分具有确定的方位。对于孪晶的表示就是原子的重新排列（如图5）。点阵沿着孪晶平面平移产生了相同的晶体结构，就像一个镜中的图像越过了此平面，我们就定义平面一侧的晶体是另一侧晶体的孪晶。孪晶是一个相当复杂的过程，很少发生于面心立方晶体中，常发生于六方及体心立方体。图5 孪晶示意图5.1.3空洞聚集此机理与滑移紧密联系。由于内部材料的分离而形成的空洞经过联合发展而导致材料疲劳失效的现象即为空洞现象（图6）。材料一旦形成空洞后相联的材料继续因滑移而变形，空洞就可以连续膨胀直到

18、开始联结。由此机理所造成的材料断裂断口在每侧表面上含有海峡形。绝大多数工程材料的空洞在第二相颗粒形成，空洞的萌发是颗粒基体交界面的减聚力，也可以是由于颗粒之间的断裂。 图6 材料空洞聚集和断裂5.1.4晶间分离当晶粒边界为显微组织中最弱的部位时，则在解理或滑移之前，平面上就会产生减聚力进而造成晶间分离（图7）。晶间分离的影响因素主要有：（1）材料加载时因氢脆而引起晶粒边界断裂；（2）腐蚀环境中的应力腐蚀等。图7 晶间分离、断裂示意图当疲劳核形成后，材料在循环应力作用下沿滑移带的主滑移面向金属内部发展。疲劳裂纹的扩展一般分为两个阶段（图8）：第一阶段的裂纹平面与主应力轴成450交角，此阶段裂纹扩

19、展的深度很浅，大约为零点几毫米。对于应力幅值较高的循环应力，此阶段扩展占材料疲劳总寿命的比例较低；对于低应力幅值的高疲劳循环，则疲劳寿命的主要部分由此阶段决定。第二阶段裂纹扩展方向沿与正应力相垂直的方向扩展，此阶段裂纹扩展是由裂纹尖端周围的最大主应力决定，裂纹尖端受正应力作用而偏离其滑移路线。图8 疲劳裂纹形成的阶段I和阶段II5.2钻具疲劳宏观机理(疲劳断裂)疲劳断口表面在宏观上常呈现两个明显区域：疲劳裂纹扩展区及最终过载区。当受载材料支撑不了下一个（最终）载荷循环就形成了疲劳断口。一个构件由于疲劳载荷而破坏所具有的一个非常明显的特征就是此构件几乎无肉眼可见的变形。但在绝大多数疲劳断裂中可以

20、发现一种表面特征识别说明构件由疲劳而导致的断裂（图9）。疲劳破坏是由超过金属疲劳极限的交变弯曲应力引起的。钻具受压或钻具处于“狗腿”及定向井造斜段都会产生交变弯曲，在钻柱内部形成交变应力，使钻柱疲劳破坏。国内外大量实践证明，平均应力远小于屈服应力的情况下，交变应力作用的部位上微小不规则的小裂缝逐渐发展成为大的裂缝而破坏，这叫高周低应力破坏。有的交变应力循环数并不多，但平均应力相当高，也会产生疲劳破坏，这叫低周高应力破坏。这两种形式在钻柱疲劳破坏中都存在。疲劳破坏是逐渐发展而成的，开始时钢的晶体中原子沿晶体的滑移而发生微观屈服，在应力的交替作用下产生热能，使结构的结合力降低，形成微观裂缝，这些裂

21、缝逐渐连通形成可见裂纹。目前钻具的疲劳破坏的主要原因是由于钻具在弯曲井眼中旋转时发生的周期性交变应力所致。如（图10）所示，一根弯曲的钻柱在旋转时，其某一侧先受拉，而后受压，再受拉。则每当裂纹转到受张力的一侧时，裂纹就张开，当裂纹转到受压的一侧时，裂纹就闭合。当裂纹根部的应力达到某一数值时，裂缝就会以一定的速率不断扩张，直到最后剩下的断面不足以承载负荷而断裂。一般而言，裂缝方向与应力方向垂直。图9 疲劳裂纹扩展过程及循环次数关系图10 弯曲钻柱旋转中横向裂纹的张合6. 钻柱动力学分析钻柱动力学的一个主要研究对象是钻柱振动，它包括纵振、横振和扭振，三类振动的耦合常使钻柱工作状况更加恶劣，在钻柱转

22、动的作用下，有很多因素与其振源有关，最常见的有以下几类振源：钻头与地层的相互作用；钻柱质量偏心；钻柱的弹性弯曲变形；钻柱刚性的降低；钻柱转速与涡动；泥浆泵与稳定器。钻杆的反转运动对钻柱失效影响也较大，它除了引起弯曲疲劳破坏外，一个重要的后果就是因长时间的反转既弯曲又敲击，容易使螺纹振松，引起冲蚀，最终造成脱扣和刺扣。扶正器之间的钻铤反转时也是两种频率（自转与反转角频率），它和单根钻杆的运动和受力相类似，所以钻铤螺纹等应力集中严重的部位容易损坏，这也是钻柱失效大都发生在钻杆的过渡带和钻铤螺纹连接处的直接原因。7. 钻柱受力分析钻柱在井眼中受到各种载荷的作用,实际上这些载荷都是交变的。针对钻井实际

23、工况，仅考虑弯曲应力的交变，将其它载荷处理为稳定值，计算精度可满足工程需要。钻柱主要受弯矩、扭矩、轴向应力以及内外压力作用,其受力情况见图11。图11 钻柱在井眼中受力模型7.1 轴向应力钻柱的轴向应力主要受大钩载荷、钻柱自重及钻压的影响，其危险截面的轴向应力为 (1)式中轴向应力(MPa)，F大钩载荷(N)，单位钻杆在钻井液中的有效重量(N/m)，危险点至井口长度(m)，d，D钻柱内、外径(m)7.2 剪切应力钻柱受扭矩作用，在钻柱外壁的扭转剪应力最大，即 (2)式中最大扭转剪应力(MPa)，T扭矩(Nm)，有钻柱摩阻计算提供。7.3 径向应力与周向应力采用拉梅(Lame)公式可计算由内外压

24、引起的径向应力与周向应力。 (3) (4)式中径向应力(MPa)，周向应力(MPa)，截面处内应力(MPa)，截面处外压力(MPa)，危险点距中心距离，取钻柱外半径(m)。7.4 弯曲应力当钻柱在井内以转盘转速顺时针绕自身轴线旋转时，由于离心力的作用，除钻柱上部和下部很短一段由于钻柱本身刚性没有贴至井壁外，钻杆柱各接头均贴向井壁，在钻柱与井壁间摩擦力F 作用下，整个弯曲钻柱将以一定的速度按反时针方向绕井眼轴线旋转。弯曲应力的大小主要由反转转速决定，而自转对弯曲应力的影响主要是使其弯曲频率增加（因弯曲应力频率近于正、反转转速之和）。因此，钻柱的弯曲应力实际上是多支点（钻杆接头）自激横振沿钻柱传播

25、而引起的。有关受纵向力的单根钻杆在既有自转又有反转工况下的受力与变形如（图12）所示。7.4.1 钻柱正、反转角速度关系，式中钻柱的反转角速度(rad/ s)，钻柱的自转角速度(rad/ s) ，为钻柱的直径与双面环隙的比值。7.4.2 最大弯曲应力考虑钻柱进动对弯曲应力的影响后，弯曲应力由两部分组成，第一项表示单纯以半径R 进行偏心反转产生的应力，第二项则反映杆件在自激横振下产生受迫振动而引起的弯曲应力。弯曲应力计算公式中当p 受拉时取“+”，受压时取“-”。 (5)其中：，式中：钻柱最大弯曲应力()，井眼直径(m),R为钻柱贴井壁反转时的回转半径(m)，钻柱单位体积的重度()，A钻柱的横截

26、面积()，单根钻柱长度(m)，重力加速度()，钻柱截面惯性矩()，杨氏弹性模数()，钻压力()，钻柱的断面模数()，、意义同上。图1 受纵向力的单根钻杆在自转和反转工况下的受力与变形7.5 应力的合成在小变形情况下，应用米泽斯等效应力计算应力的合成，考虑三轴应力下的钻柱受力满足第4强度理论，故令，则米泽斯(Mises)等效应力为 (6) (7)特雷斯卡(Tresca)等效应力为 (8)所以平均应力及应力幅为 (9)8. 钻杆的疲劳寿命预测8.1 Paris 公式对于无裂纹的钻杆，根据上述计算方法求出的应力幅并结合S N曲线就可求得其使用寿命。而对于有初始裂纹的钻杆，先计算出不同裂纹的几何形状因

27、子和，再由试验测定材料的断裂韧性，并由无损探伤测定最大初始裂纹尺寸。据式(16)求得临界裂纹尺寸，只要便可由式(10)或(17)求出裂纹疲劳寿命。用Paris 公式d/ d n = c (k) m 求取钻杆的疲劳寿命，变换后得： (10)式中N应力循环次数；裂纹扩展尺寸(m)，K应力强度因子变化幅(MPa·m)，m材料常数。8.2 应力强度因子疲劳破坏的主要原因是由于钻杆在制造及使用过程中出现裂纹，在一定使用条件下初始裂纹产生并扩展所致。应力强度因子是描述应力场和位移场的物理量，是疲劳寿命计算的关键因素。应力强度因子的一般表达式为： (11)式中: 应力强度因子,为裂纹形状几何因子，

28、工作应力(MPa)，裂纹扩展尺寸(m)8.3 裂纹几何形状因子钻杆裂纹类型繁多，包括表面半椭圆裂纹、表面线性裂纹、深埋椭圆形裂纹和深埋圆形裂纹等，裂纹几何形状因子与裂纹形状、位置等因素都对裂纹形状几何因子有较大的影响。（1）表面半椭圆裂纹 (12)（2）表面线性裂纹 (13)（3）深埋椭圆形裂纹 (14)（4）深埋圆形裂纹 (15)式中 ，椭圆裂纹长、短半轴(m)，线性裂纹半长(m)，裂纹影响因子，第二类完全椭圆积分（模数，），钻柱平均直径(m),材料屈服极限(MPa)，钻柱壁厚(m)。7.4 应力强度因子变化幅及临界裂纹尺寸， (16)式中最大应力与最小应力之差(MPa)8.5 裂纹疲劳寿命

29、预测综合以上理论分析结果可得出计算带裂纹钻柱疲劳寿命的公式如下： (17)9. 预防钻具失效的措施通过以上分析，钻具失效主要受客观地层因素、钻具疲劳、钻具工作环境及井径扩大、钻具使用与管理等因素的影响，其中地层的客观特殊性是造成钻具失效的最根本的因素。钻具的使用与管理上存在不能及时按地层特性调整钻具结构、钻井参数以控制或减少各应力集中处的钻具疲劳问题，也是造成钻具失效不容忽视的原因。因此，钻具失效问题的预防要从地层特殊性入手，针对地层的特殊性，改变钻具组合结构，提高钻具防范失效的技术标准，配合合理的钻井技术参数的使用以控制或减少钻具事故。为此提出以下预防钻具失效的措施或建议。9.1 改进钻具的

30、材质及结构（1）提高钻铤材料的疲劳抗力。采用 P、S 及有害气体含量低、杂质元素少的纯净钢。在选择钻铤用钢时，应保证淬透性要求，使热处理后在整个截面上获得细小均匀的显微组织，从而获得较高的疲劳强度和良好的塑韧性。在钻铤热处理时，应注意强度与塑韧性的合理配合，避免钢的回火脆性。在钻铤接头及螺纹加工时，应严格执行有关标准，避免某一尺寸的加工失误对钻铤螺纹寿命造成的危害。在使用方面，应严格执行有关标准和规范要求，并使用标准螺纹脂正确上扣，防止上扣过紧或过松造成对钻铤螺纹疲劳寿命的不利影响。合理设计钻具组合，正确选择钻铤规格，改善钻柱整体的应力状况和局部应力分布，从而提高钻铤螺纹的使用寿命。（2）钻铤

31、转换使用专用变径接头，实现不同尺寸钻铤圆滑过渡，避免应力集中造成钻铤断裂。（3）选择合适的弯曲强度比，应该选择适合本地区的弯曲强度比，以保证内、外螺纹接头弯曲疲劳强度相平衡。在钻具外径容易磨损、井下有腐蚀介质的情况下（此时内螺纹接头疲劳次数多），应选择较大的弯曲强度比。反之，在外螺纹接头疲劳频繁发生的地区，应选择较小的弯曲强度比。相邻钻具的刚度即抗弯截面模量，差别不能太大，这对井眼曲率大的井特别重要，以免刚度小的钻具发生疲劳。9.2 正确使用钻具（1）对使用过的钻铤不进行常规修扣，由原来切掉部分旧扣改为全部切掉旧扣，重新进行车扣，彻底清除疲劳源。（2）钻铤转换使用专用变径接头，实现不同尺寸钻铤

32、圆滑过渡，避免应力集中造成钻铤断裂。（3）每趟起钻抽上加下倒换钻具，钻铤倒换 2 柱，钻杆倒换 5 柱，改变受力状态，延长弯曲位置附近钻柱的疲劳寿命。（4）根据现场操作参数，计算选用最佳紧扣扭矩，保证钻具正常工作而不失效。对于外螺纹接头频繁失效的井队，检查预紧扭矩是否合适由为重要。（5）采用必要的钻井工艺措施，控制井径扩大率，减小钻柱的弯曲空间和钻柱的公转程度。（6）建立钻柱弯曲点计算模型，计算施工参数条件下其确切的弯曲点位置，在每趟起钻换钻头时，替换弯曲点位置的钻柱，避免发生钻具失效。（7）使用 PDC 钻头，井下动力钻具、液力加压器等工具改变钻柱的工作状态，减轻钻柱的弯曲变形和弯曲应力。9

33、.3 改善钻具螺纹减小螺纹处的应力集中，改善应力分布：（1）在设计和选用钻铤螺纹时，应尽量采用螺纹根部圆角半径较大的数字型螺纹。（2）注意螺纹加工质量，尤其是螺纹根部圆角半径和表面粗糙度。（3）加工应力分散槽及适当减小螺纹附近的本体刚度是提高钻铤螺纹疲劳寿命的有效措施。（4）螺纹滚压强化可使表面产生残余压应力，从而提高疲劳寿命。（5）螺纹镀铜不但可使表面产生残余压应力，还可改善螺纹啮合后局部产生的高应力及应力集中。（6）根据钻铤螺纹的受力特点，可适当减小螺纹最后啮合处的螺纹牙高度，增大此处的圆角半径，减小锥度，这样可减小应力集中，并使应力分布得到改善，从而提高疲劳寿命。（7）采用变螺距螺纹或双

34、台肩螺纹接头可进一步减小应力集中，改善应力分布，防止螺纹部位发生疲劳或腐蚀疲劳失效。9.4 加强钻具的日常维护与保养（1）限定钻铤使用时间，每套修复钻铤限定使用 300350 小时左右（每三趟钻更换一套修复钻铤），在钻铤未产生疲劳破坏之前，全部进行更换。（2）对使用过的钻铤不进行常规修扣，由原来切掉部分旧扣改为全部切掉旧扣，重新进行车扣，彻底清除疲劳源。（3）钻杆接头螺纹部位的维护与保养以及钻杆内、外壁的泥浆清洗,减小化学腐蚀和氧腐蚀。9.5 加强钻具探伤检查管理（1）加强钻具入井前的探伤和检验，对于存在缺陷的钻具应严格把关，杜绝入井使用。（2）对工程人员的操作技能规范化、标准化，严格按照要求上岗操作，并提高钻具非使用期的管理水平，确保不必要的损害。（3）建立钻具疲劳破坏寿命的档案，在每次使用前查阅其剩余寿命,决定是否可以下井和采取必要的处理措施。（4）缩短探伤周期，由原来使用 300 小时探伤一次改为钻进一只钻头探伤一次（200 小时左右），对有疲劳裂纹的钻铤及时发现和更换，减少钻具断裂几率。（5）限定钻铤使用时间，每套修复钻铤限定使用 300350 小时左右（每三趟钻更换一套修复钻铤），在钻铤未产生疲劳破坏之前，全部