杨 斌，李 敏，邬 柯

（1.四川宏华石油设备有限公司产品研究所，四川 广汉 618300；2.中石化西南石油工程有限公司 管具分公司，四川 德阳 618000）

0 引言

西南油气田中钻具服役地质条件十分复杂，并且由原来的常规井向水平井、大斜度井、多分支井等新型井发展，对钻杆的各方面性能要求更加严格。很多钻具失效事故是可以避免的，通过检测可以及时发现钻具承载能力已经降低，钻具出现了裂纹。本文提出钻杆在使用一定时期后，必须进行专业检测，包括管体及内外螺纹检测，及时发现钻杆缺陷，预防失效钻杆下井操作，降低钻井风险，减少钻井事故。

1 钻具失效形式

钻具在井下受到不同载荷的作用，可以概括为轴向力、弯曲力、离心力、扭矩、纵向振动、扭转振动、横向振动、动载、杆管柱与井壁的正压力和摩擦力、内压力和热外力等。在各种载荷情况下，单一载荷或者复合载荷可能使钻杆发生不同形式的失效［1］。

1.1 过量变形

每种型号、每种钢级的钻杆都具有相应的屈服极限强度，当钻杆所受实际的应力超过规定的屈服极限时，钻杆接头螺纹伸长，管体弯曲及扭转［2］。如图1所示为某井队使用后严重扭曲的钻具。

1.2 断裂

钻具应力强度达到断裂极限或者疲劳极限时，钻具会产生强度破坏，造成钻具的断裂。钻具的断裂对生产带来了较大的损失，不仅推延工期，最关键的是产生井下事故，容易使整个管柱掉入井中，轻则造成打捞事故，给油田造成一定的经济损失，重则造成全井报废，产生很大的经济损失［3］。

断裂在失效事故中所占的比例很大，某油田2002年～2004年钻具失效事故中，钻铤失效的主要形式为早期的疲劳断裂，油井钻铤断裂主要发生在外螺纹接头，占油井钻铤失效总数的65.6%。断裂形式主要为过载断裂、低应力断裂、应力腐蚀、氢脆、疲劳和腐蚀疲劳等。如图2所示，为钻杆外螺纹接头断裂。

图1 扭曲钻杆

图2 断裂钻杆

1.3 表面损伤

钻具在井下除了受各种载荷外，还要受到钻井液冲刷和地层水、H2S、CO2、NaCl腐蚀等，容易造成钻具管体及螺纹接头表面损伤，主要包括腐蚀、磨损和机械损伤。

腐蚀包括均匀腐蚀、小孔腐蚀和缝隙腐蚀。磨损包括黏着磨损、磨料磨损、冲蚀磨损。机械损伤如表面的碰伤、拉伤、大钳卡瓦及其他工具的咬伤等，如图3所示为钻具螺纹表面损伤。经检验两种损伤都已经使钻具失效，可以进行维修再次使用。

1.4 黏扣、脱扣

当钻具振动强烈，钻具外螺纹和内螺纹会黏在一起，使钻具失效，此时要及时维修钻具。钻具连接时，如错扣发生，或者上扣不到位，容易发生内螺纹膨胀和外螺纹缩径，使钻杆脱扣失效。

2 预防检验

钻具的变形、断裂、损伤等失效事故，不可以全部避免，但可以预防。如当钻具出现细小裂纹时，没有及时发现，则裂纹可能发展致穿孔、成核、扩展或完全断裂。因此对回收的钻具进行检验，确定其承载能力是否达到标准，利用无损探伤检验方法判断其是否有疲劳裂纹及疲劳失效倾向，可避免承载力不合格或者已经存在裂纹的钻具再次入井。对可以维修的钻具进行维修，对需要降级的钻具进行降级处理，对需要报废的钻具及时报废，保证钻具入井质量。

图3 钻具螺纹表面损伤

2.1 承载能力检测

钻具的承载能力是否达标，关系钻具使用过程的安全。钻具的承载能力主要取决于钻具的钢级、壁厚及接头外内径及密封面宽度。钻具钢级在使用过程中不会改变，因此在钻具承载能力检测过程中，主要检查管体壁厚和接头内外径及密封面宽度变化。

对回收钻具进行外观检测是第一步，可以不借助仪器，对管体和螺纹外观进行目测。管体外观检测主要检测管体是否存在明显弯曲、明显裂纹、超标缺陷、机械或者腐蚀性损伤和涂层老化等情况。管体外径可以采用卡规进行检测，管体壁厚采用超声波进行测量。对于管体外壁上槽深采用专用测量仪进行轴向和径向测量。接头内、外径可以取圆周方向几个测量点的平均值。不允许对密封台肩进行锉削处理。可以根据检测值对钻具进行分级、报废处理。

2.2 疲劳损伤检测

根据疲劳断口的宏观特征可知，疲劳破坏过程是一个疲劳裂纹萌生、扩展直至断裂的过程［4，5］。钻具使用中受到各种载荷而发生的疲劳损伤，在每种应力水平下损耗一定寿命，当累积疲劳损伤DC达到100%时发生疲劳破坏，此时必须做检验或报废处理。按Miner累积疲劳损伤原理［6］计算累积疲劳损伤DC：

其中：ni为钻具施加应力水平下旋转次数；Ni为钻具施加应力水平下的疲劳寿命。

钻具旋转次数ni可根据钻具的钻速v和转速比值与所钻过的距离确定，计算公式为：

其中：n为转速，r／min；v为钻速，m／h；Lpass为钻过的距离，mm。

钻具施加应力水平下疲劳寿命Ni可根据钻具裂纹的变化情况、裂纹应力强度因子及与临界狗腿度的数学关系来确定，其数学模型如下：

临界狗腿严重度C可根据钻具钢级、外径、长度等确定，计算公式如下：

其中：σb为最大允许弯曲应力，MPa；E为弹性模量，MPa；D为钻具外径，mm；L为两接头之间钻具长度之半，mm；I为钻具横截面惯性矩，mm4；T为狗腿点以下钻具浮重，kN。

式（3）中，应力强度因子ΔKI与应力增量、裂纹深度及裂纹形状因子有关，计算公式如下：

其中：a为裂纹深度，mm；Δσ为裂纹尖端循环应力增量，MPa；Q为裂纹形状因子；Y为几何形状因子；c为钻具与井壁的摩擦因数，c≈0.2。

通过利用式（1）预测钻具累积疲劳损伤，可以制定钻具疲劳裂纹检验计划，及时发现具有疲劳裂纹的或者可能形成疲劳裂纹的钻具。疲劳裂纹通常通过目测不能发现，只能由具有资质的人员采用无损探伤方法进行检测。

无损探伤方法可采用磁粉探伤、电磁探伤、超声波探伤、涡流探伤、渗透探伤等。常用漏磁探伤法检测钻杆两端加厚之间管体横向裂纹；用有效交流磁场干磁粉技术、湿荧光粉技术或超声波技术对加厚区外表面横向裂纹或三维裂纹进行检测；用湿荧光磁粉技术对铁磁接头表面横向裂纹和内螺纹热裂裂纹进行探伤检测。管体常采用全长范围横向缺欠、纵向缺欠和壁厚的超声检测。

3 结论

随着近几年钻井新技术新工艺的开发，钻井越来越深，钻井地层越来复杂。据统计，每年送井所需钻具3×105m，除投入部分新钻具外，还有近2／3的钻具循环使用［7］，因此必须对在用的钻具定期进行回收检测，分析其承载能力与疲劳损伤，对其做出分级、维修或报废处理，确保入井钻具质量可靠，力争对钻具失效起到良好的预防作用。

［1］ 李子丰.油气井杆管柱力学及应用［M］.北京：石油工业出版社，2008.

［2］ 李鹤林，李平全，冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防［M］.北京：石油工业出版社，1999.

［3］ 吕拴录，倪渊诠，杨成新，等.某油田钻具失效统计分析［J］.理化检验，2012，48（6）：414－418.

［4］ Hill T H，Durham K S.A unified approach to drillstem－failuer prevention［J］.SPE Drilling Engineering，1991，7（4）：254－260.

［5］ 周惠久，黄明志.金属材料强度学［M］.北京：科技出版社，1996.

［6］ Grondin G Y，Kulak G L.Fatigue testing of drill pipe［J］.SPE Drilling＆Completion，1994，18（1）：95－102.

［7］ 张庆社，殷廷旭，张志刚.固定式电磁管材检测系统在钻杆检测中的应用［J］.无损检测，2006，28（3）：151－164.