鉆柱的疲勞破壞與腐蝕一、鉆柱的疲勞破壞類型現(xiàn)場(chǎng)大量資料說明，疲勞破壞是鉆柱破壞最常見的形式。①大多數(shù)鉆桿的破壞發(fā)生在距接頭12m以內(nèi)的地方。②鉆桿的破壞常與鉆桿內(nèi)表面有嚴(yán)重的腐蝕斑痕有關(guān)。③從鉆桿的外表面開始發(fā)生的破壞，一般與鉆桿表面的傷痕有關(guān)。④由于鉆鋌本體的厚度大，因而鉆鋌的破壞通常發(fā)生在螺紋連接處。分析鉆桿疲勞破壞的原因，可分為以下三種基本類型。1、純疲勞破壞鉆桿在沒有任何明顯的其他原因下而發(fā)生的疲勞破壞，叫做純疲勞破壞。一般鉆桿在工作時(shí)承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲交變應(yīng)力的同時(shí)作用，其中拉伸和彎曲應(yīng)力的交替是最危險(xiǎn)的，易導(dǎo)致鉆桿疲勞。鉆柱下部受壓部分的鉆鋌長(zhǎng)度不夠時(shí)，鉆桿受壓更易發(fā)生彎曲，在扭轉(zhuǎn)條件下，鉆桿易產(chǎn)生疲勞破壞；在定向井或井斜大的井段迫使鉆桿彎曲，特別在“狗腿”井段中，鉆桿疲勞破壞的危險(xiǎn)性更大；在海洋鉆井中，由于鉆井船或鉆井平臺(tái)隨波浪起伏搖擺也會(huì)造成鉆柱彎曲，導(dǎo)致疲勞破壞。2、傷痕疲勞破壞鉆桿在彎曲狀態(tài)下自轉(zhuǎn)時(shí)，每邊都要經(jīng)受拉伸和壓縮的交替作用，如果鉆桿表面存在缺陷。文—一缺院將不斷開啟與關(guān)團(tuán)，使缺除逐漸擴(kuò)大。缺院除了具有初始變形之外，還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。所以，鉆桿表面的各種缺陷都會(huì)影響鉆桿的疲勞極限。當(dāng)缺陷底部的應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，缺陷將逐漸擴(kuò)大，最后剩下的實(shí)體材料不足以承受整個(gè)負(fù)荷而發(fā)生破壞。鉆井中造成鉆桿傷痕的主要原因有：鉆桿上打的鋼印，電弧燒焊，大鉗、卡瓦的咬傷和其他刻痕等。如果傷痕位于離接頭0.5m以內(nèi)，就可能成為疲勞破壞的核心。周向尖銳的傷痕易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致鉆桿破壞。3、腐蝕疲勞破壞鉆桿長(zhǎng)期在腐蝕介質(zhì)中工作時(shí)，由于腐蝕造成截面積減小或形成小的腐蝕坑。通常，腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類。鉆桿表面與腐蝕介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕，稱為化學(xué)腐蝕。化學(xué)反應(yīng)中將產(chǎn)生另一種可以脫落的產(chǎn)物，因而使管材截面積減小，管壁變薄，使鉆桿承載能力降低，導(dǎo)致鉆桿疲勞破壞。電化學(xué)腐蝕是指金屬與電介質(zhì)溶液接觸，產(chǎn)生電化學(xué)作用引起的腐蝕。由于在鉆井液中存在電解質(zhì)物質(zhì)，電離出的離子與鉆桿發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成微電池。反應(yīng)過程中，在鐵離子被帶走的部位形成電化學(xué)腐蝕疤痕，引起應(yīng)力集中，最后導(dǎo)致疲勞破壞。實(shí)際上，化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕往往是交織在一起的，這就會(huì)加劇疲勞破壞的發(fā)生。影響化學(xué)腐蝕的因素很多，但最重要的是溫度和鉆井液的pH值。溫度升高，化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)的速度加快，從而使腐蝕速度加快。pH值是控制腐蝕疲勞的主要因素，當(dāng)鉆進(jìn)液從中性變?yōu)樗嵝詴r(shí)，腐蝕速度會(huì)迅速增大；而鉆進(jìn)液從中性變?yōu)閴A性時(shí)，腐蝕速度會(huì)緩慢降低。般認(rèn)為，鉆井液的pH值低于9.5會(huì)降低鉆柱的疲勞壽命。二、鉆鋌的疲勞破壞與鉆桿的疲勞破壞不一樣，由于鉆鋌本體的剛度比接頭處大，接頭處強(qiáng)度較弱且應(yīng)力集中，因此大部分鉆鋌破壞發(fā)生在接頭處。當(dāng)鉆鋌受到彎曲力矩作用時(shí)，在外螺紋根部和內(nèi)螺紋底部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，在彎曲交變應(yīng)力作用下，在應(yīng)力集中區(qū)的螺紋根部易發(fā)生斷裂;上扣時(shí)沒上緊，臺(tái)肩面沒有密合，或由于彎曲力矩使臺(tái)肩面分離，外螺紋受不到臺(tái)肩面的支撐，會(huì)在外螺紋根部出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時(shí)也由于螺紋的切口效應(yīng)，此處容易產(chǎn)生疲勞破壞；螺紋部分的密封是靠臺(tái)肩面來實(shí)現(xiàn)的，如果緊扣扭矩不夠，在臺(tái)肩面之間就可能發(fā)生鉆井液泄漏，造成螺紋嚴(yán)重沖蝕，甚至被刺穿與疲勞破壞。三、鉆柱疲勞破壞的預(yù)防1、如果已知或懷疑井下存在有嚴(yán)重“狗腿”，應(yīng)盡量把“狗腿”破壞掉，以減少鉆柱的彎曲。2、應(yīng)根據(jù)預(yù)計(jì)最大鉆壓，合理確定鉆鋌長(zhǎng)度，使鉆鋌在鉆井液中的重量大于最大鉆壓，保證鉆桿始終處于拉伸狀態(tài)。3、盡可能降低鉆桿工作的應(yīng)力，并采用減振器以降低交變應(yīng)力的最大值。4、在鉆柱的繁重工作段和彎曲井段采用厚壁鉆桿以延長(zhǎng)整個(gè)鉆柱的使用壽命。5、控制鉆井液對(duì)鉆桿的腐蝕性，可在鉆桿內(nèi)壁涂以塑料樹脂等保護(hù)層。6、經(jīng)常檢查起下鉆工具，如吊鉗、卡瓦等，使其工作狀態(tài)保持完好，防止在鉆桿上造成傷痕。7、定期檢查鉆桿，發(fā)現(xiàn)有裂紋及壁厚變薄等情況時(shí)應(yīng)及時(shí)修復(fù)或更換。8、存放鉆桿時(shí)，應(yīng)用淡水充分清洗鉆桿及接頭的內(nèi)外表面，以清除各種鹽類及其他腐蝕物質(zhì)，并用防銹化合物涂抹螺紋和接頭臺(tái)肩部分。9、為了防止鉆鋌螺紋部分的疲勞破壞，應(yīng)使外、內(nèi)螺紋之間有一個(gè)適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度比值，在鉆鋌的適當(dāng)部位加工應(yīng)力減輕槽，以減輕應(yīng)力集中，延長(zhǎng)鉆鋌的使用壽命。10、上扣時(shí)必須上緊，使臺(tái)肩面受到充分的彈性壓縮，這樣，當(dāng)鉆鋌在井眼內(nèi)受到彎曲時(shí)，臺(tái)肩面就不會(huì)分離，并可避免發(fā)生鉆井液泄漏。四、硫化氫對(duì)鉆柱的危害金屬管材在含硫化氫的液體介質(zhì)中工作一段時(shí)間后突然出現(xiàn)裂縫，發(fā)生嚴(yán)重的脆性破壞。這種破壞是由于氫滲（氫原子滲入）作用和腐蝕作用的結(jié)果。由于硫化氫在這種破壞中起主要作用，所以稱為硫化氫應(yīng)力破壞，也叫做“氫脆”。鉆井過程中，硫化氫會(huì)因各種原因滲入鉆井液，例如，所鉆地層含硫流體的侵入，某些含硫原油或水被用于鉆井液系統(tǒng)，某些鉆井液處理劑在高溫時(shí)的熱分解等。硫化氫與水生成弱酸，像其他酸類一樣能與鉆柱材料發(fā)生反應(yīng)而腐蝕鉆柱。這種腐蝕既可使鉆柱截面積變小、強(qiáng)度降低，也可能產(chǎn)生點(diǎn)蝕，在鉆柱表面形成腐蝕小坑或裂縫，從而造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致鉆柱的疲勞破壞。更主要的是，由于在腐蝕過程中不斷產(chǎn)生氫，而鉆井液中的硫化氫將會(huì)使氫原子形成氫分子的速度減慢，使部分氫原子進(jìn)入鋼材晶格內(nèi)部，因而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)果使金屬脆化或發(fā)生破裂。1、影響氫脆破壞的有關(guān)因素①鋼材的強(qiáng)度越大，硬度越高，越容易發(fā)生氫脆破壞。②硫化氫的含量越大，原子氫的濃度越高，氫脆破壞越嚴(yán)重。③鉆井液的pH值對(duì)硫化氫含量的影響比較大。試驗(yàn)證明，pH值在6～10范圍內(nèi)，鉆井液中硫化氫的含量隨pH值的增加而減小。所以可以適當(dāng)提高鉆井液的pH值而降低由硫化氫引起的氫脆破壞。④鉆柱所受荷載越大，應(yīng)力越高，越容易發(fā)生氫脆破壞。⑤溫度升高會(huì)引起腐蝕速度和擴(kuò)散速度增加。2、防止硫化氫破壞的措施①采用抗氫脆的鋼材。②盡量防止硫化氫侵入鉆井液。③根據(jù)井下可能遇到的溫度，避免使用在此溫度下可能分解的鉆井液處理劑。盡量不使用含硫原油及含有硫化物的鉆井液添加劑。④如果不能