地质钻杆钻孔过程中钻杆损坏的原因

2017-08-07 16:30:07 qjjx 597

一、振动、弯曲磨损

钻杆柱达到临界转速时,会时钻杆发生振动,这个振动往往会造成钻杆弯曲、过度磨损、迅速损伤和疲劳破坏。特别是钻杆发生两种类型振动(波节振动与弹簧摆型振动)重合时最为不利。临界转速随钻具的长度、钻具尺寸、钻铤尺寸和井眼大小而变化。

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二、拉伸破坏

拉伸破坏常发生在提拉被卡的钻杆过程中。当上提拉力超过屈服点时,在钻杆壁的最弱部分或最小断面处,会发生“细脖子”变形。如果上提拉力超过刚才的极限强度,则钻杆将被拉断。拉伸破坏一般发生在钻柱的上部。因为上部钻具既要承受压力,又要承受钻柱的重量。

三、疲劳破坏

疲劳破坏是钻杆破坏中最常见的。疲劳破坏有三种基本类型:

1、纯疲劳破坏

钻杆要承受拉伸、压缩、扭转和弯曲的周期性应力。拉伸和弯曲是最危险的应力。目前,钻杆疲劳破坏的主要原因是钻杆在弯曲井孔中旋转时发生周期性应力所致。在弯曲的井孔中,即使钻铤有足够的厚度,仍然可能发生疲劳破坏,而且破坏的位置不一定。当钻杆发生弯曲时,钻杆每旋转一圈,其对应的位置会由于重复性的受拉和受压而产生周期性应力。靠近钻铤以上的钻杆最可能受到弯曲,因为钻铤具有较大的刚性,能抵抗弯曲,弯曲将发生在钻铤以上的钻杆。同时钻杆上的最大应力发生于钻杆加厚部位的末端,约距接头50厘米的位置。如上所述,接头不可能弯曲,弯曲只能发生在管壁较薄的钻杆体上,在这断面变化的位置,起到类似虎钳固定的作用,使它成为弯曲力的支点。如果钻杆在其全长上均匀地弯曲,则作用于钻杆上的应力会变得低一些,疲劳破坏的应力周期数可以提高。

决定疲劳破坏的数值有:在钻杆弯曲处,钻杆承受的拉力负荷;钻孔弯曲的严重程度;每段钻杆在钻孔弯曲处的重复应力次数;钻杆的尺寸及钢材性能。由于钻杆所承受的额拉力大小是疲劳破坏的关键,所以在深井中,上部的钻孔弯曲往往成为疲劳破坏的因素。应该指出,只要钻杆通过了钻孔弯曲处,即使拉力被消除了,积累疲劳损坏还是存在的,因此如果重复几次通过钻孔弯曲处,就有可能会使钻杆发生疲劳破坏。同样要看到,一根钻杆在某一井内即使没有发生事故,但有可能已经受到损伤。因此。当它再用于同一口井或其他井时,虽然把它接在钻柱顶部,即使作用于钻杆上的弯曲应力是在额定数值内,也可能使它无法承受,以致造成事故。

此外,还有一些其他原因会造成纯疲劳破坏的弯曲应力。例如,任何一根弯曲钻杆往往都是疲劳破坏的潜在因素。弯曲的方钻杆会使转盘以下第一根钻杆弯曲,一旦这根钻杆承受的应力足够大时,就会造成疲劳破坏。天车不对中,也会使钻杆发生疲劳破坏,因为它会在方钻杆和钻杆上造成弯曲应力。

2、凹口疲劳破损

钻杆表面的不完好,无论是机械加工形成的,还是冶金过程中形成的,都将大大地影响钻杆的疲劳极限,其影响的程度取决于缺陷的位置、方向、形状和数量。如果凹口位于钻杆上的不是主要应力作用的部位,则对疲劳破坏的影响较微。但是,如果凹口位于距接头50厘米范围内,由于这个部位是钻杆产生最大的弯曲应力处,就会成为疲劳破坏的核心。纵向凹口能扩散应力而无危害。然而,一种即使是细微的但具有尖锐底角的刻痕,也会使应力提高,而且导致破坏。现将几种可造成凹口疲劳破坏的钻杆表面情况列举如下:

(1)钢印图案 所有横向印痕都能成为应力集中点。如果在钻杆上的不合适位置打钢印,则钢印字体的横向印痕和任意位置的标记会成为钻杆疲劳的起始部位。

不允许在钻杆体上打印。标记打在具有较大横截面积的钻杆加厚消失部位,能安全地吸收所产生的应力。另外,可采用点印号以代替线印号,并使罗马数字钢印顺着钻杆纵向排列,也可起到安全标记的效果。

(2)电弧烧伤 如果用钻杆作为接地用的搭铁线,往往会使搭铁杆和铁轨间发生电弧而使钻杆圆周上被烧伤,这些不易注意到的小凹坑虽然极微小,但在钻杆上形成很宽的烧伤带。具有玻璃硬脆性,非常容易加速疲劳破坏。

(3)胶皮护箍槽 在钻杆上的胶皮护箍顶部形成的圆周槽是凹口疲劳破坏的另一种原因。

(4)大钳牙痕 在钻杆上的各种表面伤痕中,大钳牙痕是最常见和最严重的。但是由于它是纵向的,不与作用应力同一方向,因此对疲劳破坏的危害不大。如果它稍微偏离于垂直方向,就极易形成应力集中点。要把钳子打在接头上而不要打在钻杆体上,因为它有可能损伤钻杆。

(5)卡瓦伤痕 转盘卡瓦一般不会在钻杆上留有损坏性的伤痕。但是如果卡瓦牙的加工不良,或操作不善,卡瓦牙会咬伤钻杆。

(6)地层和井内破碎金属对钻具表面的切割凹口 钻具在井内旋转,表面会与坚硬的井壁地层相擦,以至留下圆周刻痕。这种刻痕往往呈三角形,在钻杆和钻铤上均为常见。

 3、腐蚀疲劳破坏

这种破坏是目前使钻杆早起破坏的普遍原因。腐蚀可能以各种或数种综合的破坏形式(侵蚀、磨坏、疲劳)造成极为严重的破坏。有时,几种腐蚀形式会同时发生,但是一般说来,总是有一种腐蚀形式成为主要破坏原因。

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

(2)影响腐蚀速率的因素

PH值 低PH值的水基泥浆,会降低钻具的疲劳寿命。PH值是控制腐蚀疲劳的主要因素,但是如何精确测定出足以预防疲劳破坏的最低PH值是困难的。许多使用者认为,泥浆PH值低于9.5,会降低钻具的疲劳寿命。

温度 绝大多数的腐蚀速率会随温度的增加而加快。

流速 随着泥浆流速的增加会加速腐蚀的速率。

不均匀性 钢材组分或微观结构的局部差异,会增加腐蚀速率。

高应力 一般在承受高应力的部位比低应力部位的腐蚀率快。


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