李沛轩

关键词：加厚过渡区;刺漏;腐蚀 ;预防措施

1. 引言

钻杆加厚过渡区管体刺漏是钻杆失效的主要形式之一，该处由于几何形状发生变化，应力比较集中，并且在井下，高速的钻井液体流过钻杆内加厚过渡区时，流场发生突变，造成较大的局部涡流和较大的压力波动，且会在局部出现超低压，加上泥浆的腐蚀，所以极易发生钻杆刺漏，每年都有一定数量的加厚过渡区管体刺漏，损失比较大，为确保钻井安全。

2. 钻杆加厚过渡区的服役条件

2.1 钻杆加厚过渡区的应力分析

钻柱在钻井过程中，根据不同的钻井方式，在不同的工作状态和不同的位置上作用着不同的载荷，这些载荷包括轴向力、径向挤压力、弯曲力矩、离心力、扭矩和振动载荷，这些载荷或单独存在，或同时存在，使钻柱的的受力呈现复杂状态。

2.2 泥浆在钻杆加厚过渡区的影响

根据统计数据，钻杆加厚过渡区刺漏绝大部分发生在内螺纹接头端，内螺纹端泥浆流道结构的变化是由小到大，钻杆接头处的流道最小，加厚过渡带流道稍大一些，钻杆本体内的流道最大，管内的静压力随着流道尺寸的扩大而逐渐增大，泥浆经过扩大的的流道，管内截面积增大，如果入口的流量保持不变，那么流体的速度将随着流道的扩大而减小，同时由于泥浆的总能量保持不变，而压力将随着流道的逐渐扩大而增大，属于一个增压过程。

2.3 钻井液对钻柱的腐蚀

钻柱在正常工作过程中处于钻井液中。钻井液是由固体、液体和化学处理剂组成的负

重混合液，一般均有一定的腐蚀性。钻井液的腐蚀性取决于它的组成，根据添加剂的不同，其ph值多在8～12之间。钻柱在工作过程中，由于钻井液和其它腐蚀介质与钻柱的相互作用，会严重降低钻柱的使用寿命，钻井液的PH值越低，对钻柱的腐蚀越严重。除钻井液外，在钻井过程中经常遇到的腐蚀介质有溶解氧、二氧化碳、硫化氢、溶解盐类等。

3. 钻杆加厚过渡区的失效过程

钻杆加厚过渡区的失效机理为腐蚀疲劳。钻杆腐蚀疲劳失效是腐蚀介质（钻井泥浆与井下介质）和弯曲交变应力共同作用的结果。钻杆加厚过渡区腐蚀疲劳的失效过程为：冲刷钻杆内涂层、蚀坑的形成、裂纹的萌生、裂纹的扩展、裂纹的刺穿。

3.1 钻杆加厚区内涂层的破坏

内涂层的主要作用是保护钻杆内壁，其结构是在钻杆内壁喷涂一层耐腐蚀的有机材料，把钻杆内壁与泥浆隔离开来，起到防腐蚀的作用。

3.2 蚀坑的形成

蚀坑的形成与腐蚀介质，尤其是钻井泥浆有关。泥浆的PH值一般呈弱碱性，而且不可避免地含有溶解氧和CI-，具有较强的腐蚀性。

当钻井泥浆中有溶解氧存在时，由于钻杆管壁直接裸露在含氧介质中，其表面易发生吸氧腐蚀反应：

阳极反应：Fe-2e→Fe2+

阴极反应：O2+2H2O+4e→4OH-

总反应式：2Fe+O2+2H2O→4OH-

亚铁离子随后水解生成Fe O，若脱水并进一步氧化会变成F e2O3，腐蚀产物对腐蚀的动力学影响很大，一般情况下FeO和Fe2O3都是疏松多孔的，与基体的附着力差，不起保护作用，使氧腐蚀无阻碍地继续进行下去。

3.3 裂纹的萌生

在使用过程中，由于腐蚀介质的作用，钻杆内外壁尤其是断口附近产生大量的腐蚀坑。在外加应力和腐蚀介质的共同作用下，腐蚀不断加速，在腐蚀坑底部导致应力集中。外加应力循环一定周次后，蚀坑底部开始萌生裂紋。

3.4 裂纹的扩展

腐蚀疲劳裂纹在交变应力和腐蚀介质作用下迅速扩展。蚀坑底部萌生的多条裂纹平行地分布与钻杆内外壁的水平面上。由于交变应力随着钻杆截面减小而增大，因此裂纹尖端扩展至一定长度与另一扩展裂纹相遇，扩展将进一步加快。

3.5 裂纹的刺穿

由于裂纹的不断扩展，裂纹部位的壁厚也逐渐减薄，当剩余壁厚不足以承受钻杆内壁压力的时候，钻杆内壁的高压钻井液冲破剩余壁厚，最终形成钻杆刺穿孔洞。

4. 钻杆加厚过渡区管体刺漏失效的预防措施

4.1 控制泵压和转盘转速

高泵压下冲蚀作用强，加剧了钻杆加厚过渡带的刺漏，转盘的高转速提高了钻杆的弯曲应力和泥浆的壁面剪切应力，也加速了钻杆加厚过渡带的刺漏，因此应适当控制泵压和转盘转速，以减少钻杆加厚过渡带的刺漏。

4.2 要求过渡带几何尺寸

钻杆加厚过渡带的几何尺寸对刺漏的关系很大，在钻杆购置过程当中，要特别对这些尺寸提出技术要求。

4.3 钻井液管理

加强钻井液的管理，在条件允许的情况下，使PH值保持在10或10以上，同时在钻杆存放前，应当清洗、吹干。

4.4 保护好钻杆内涂层

钻杆加厚过渡区管体刺漏失效的第一步是内涂层被破坏，破坏内涂层的途径除加厚过渡区受到拉伸、扭转、弯曲应力，泥浆的冲刷，还与井队使用钻杆滤清器，及使用金属尖锐硬物通钻杆水眼有关，为此采取以下措施：

4.4.1 设计钻杆滤清器保护装置

钻杆滤清器对钻杆加厚过渡区的危害是比较大的，近几年钻杆刺漏的统计也证明了这一点，在使用螺杆钻具、涡轮钻具钻井，及使用钻井仪器时，为防止钻井液中的大颗粒或其他物质堵塞仪器，不得不使用钻杆滤清器，从而造成对钻杆的危害。

要解决滤清器对钻杆的危害，进一步分析研究，钻杆滤清器一般安装在方钻杆以下第一根钻杆内，才产生对钻杆的损害，设想有一种装置专门放置钻杆滤清器，滤清器伤害只能伤害这种装置，伤害不到钻杆。有了这种装置，既保护了钻杆，又不妨碍井队使用钻杆滤清器。

为防止通径规对内涂层产生破坏作用，通径规由尼龙材料制成。

5. 结论

通过对钻杆加厚过渡带发生失效的原因分析，制定了一系列的预防措施，在现场应用后，降低了钻杆加厚过渡带的失效几率，2020年钻杆管体刺漏22起，2021年14起，降低了8起，基本遏制了钻杆加厚过渡带失效上升的趋势。

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