宋周成，鄧昌松，王錦生

陳朋，丁志敏，丁亮亮 （ 中石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000）

鉆柱是鉆井系統(tǒng)中一個極其重要的組成部分，鉆柱失效是鉆井作業(yè)過程中經常發(fā)生的問題，鉆柱疲勞失效是其最常見的形式。據(jù)美國在2000年的一項統(tǒng)計表明，鉆井費用占總勘探開發(fā)費用的50%～80%，大約14%的井會發(fā)生鉆具疲勞斷裂事故，每次斷裂事故總損失約為106000美元［1～3］。陳世春對中石油塔里木油田分公司從2001年到2011年4月的10年間鉆柱失效情況進行了研究，鉆柱發(fā)生疲勞斷裂和刺漏的總失效次數(shù)為611次，其中刺漏占81%，斷裂占19%［4］。據(jù)中石油石油管材技術研究院對過去數(shù)年鉆柱失效事故的統(tǒng)計分析，疲勞失效是鉆柱失效最主要的失效形式，鉆柱失效的80%以上是由疲勞直接引起或者與疲勞相關的情況引起的；李鶴林、馮耀榮的研究指出，國內各油田每年發(fā)生鉆柱疲勞斷裂事故超過500起，直接經濟損失4000萬元以上［5］。

鉆柱處于十分復雜的工作環(huán)境中，不僅要承受拉壓、彎扭、振動、沖擊等多種隨機交變載荷作用，還要經受鉆井液的腐蝕、沖蝕、氫脆，以及與井壁的摩擦、撞擊等作用，使得鉆柱成為鉆井設備中最薄弱的環(huán)節(jié)［6］。鉆柱疲勞失效包括腐蝕疲勞、應力應變疲勞、沖蝕疲勞、摩擦疲勞、接觸疲勞、傷痕疲勞等多種失效形式。鉆柱疲勞失效一般不會出現(xiàn)可以觀察的先兆，事故的發(fā)生往往是災難性的，造成巨大的經濟損失，是鉆井界的熱點和難道問題之一。

1 鉆柱疲勞失效的主要表現(xiàn)形式

疲勞失效是鉆柱失效最常見的破壞形式之一。通常所說的刺漏、扭斷、部分拉斷等都是疲勞失效問題［7］。鉆柱刺漏是鉆柱上的疲勞裂紋尚未發(fā)展到能造成鉆柱完全破壞的環(huán)形裂紋，只是呈穿孔狀破壞 （如圖1所示）。它是鉆井液在高壓作用下穿過鉆柱上的疲勞裂紋形成的。鉆井液穿過這種裂紋時的高流速和腐蝕性，進一步擴大了疲勞裂紋，并使裂紋發(fā)展成為穿孔。鉆柱疲勞扭斷時的斷口一般呈角狀，在發(fā)生破壞前，疲勞裂紋擴展成圍繞鉆柱表面的環(huán)形裂紋，最后一部分未扭斷的鉆柱壁在最后的幾圈中被扭斷。疲勞拉斷使鉆柱形成疲勞裂紋，裂紋擴展致使鉆柱的有效截面積減小，鉆柱承受的真實拉應力超過了鉆柱材料允許的抗拉強度而發(fā)生斷裂。

圖1 鉆柱刺漏

2 疲勞裂紋形成條件

鉆柱產生疲勞裂紋的基本條件是鉆柱在交變載荷反復作用下，鉆柱材料局部出現(xiàn)了不可逆的塑性變形，材料的組織與性能也將發(fā)生改變。在循環(huán)載荷的初始加載階段，材料均勻發(fā)生變化。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在晶界，夾雜物如雜質、熔渣，內部缺陷如氣泡、孔洞、微裂紋，易產生應力集中的凸臺、凹溝、倒角、咬痕、擦傷、腐蝕坑，以及微組織結構、化學成分不均勻不連續(xù)部位，易引起應力應變集中［6］。應力應變集中使這些區(qū)域應力或應變的峰值達到或超過材料的屈服極限，再加上循環(huán)硬化或循環(huán)軟化作用，這些區(qū)域最先產生微裂紋。鉆柱疲勞斷裂依次經歷：“循環(huán)加載、卸載－材料硬化－滑移成核－裂紋擴展－鉆柱瞬斷”等過程。

3 疲勞裂紋萌生機理

3．1 滑移與腐蝕

一般認為鉆柱疲勞裂紋萌生的機理主要是滑移成核理論，它是基于疲勞失效斷裂的絕大多數(shù)情況下裂紋在鉆柱表面形成的事實?；剖窃谕饬ψ饔孟孪噜徳訉油耆朔娱g的相互吸引力而發(fā)生的原子層的移動。滑移理論認為晶體中各原子層的間距不同，使得原子層之間的相互作用力不同，結合強度不一致。晶體中同方向各層原子與鄰近層原子的結合強度不一致，致使晶體在結合強度較弱方向上易發(fā)生塑性流動，也易發(fā)生斷裂，形成穿晶開裂。在外力作用下，當外力不太大即處在材料應力應變曲線的直線段時，晶體只發(fā)生畸變，去掉外力后晶體發(fā)生恢復原形狀的彈性變形；當外力很大即達到或超過材料的屈服應力后，晶體相鄰兩層原子發(fā)生相對滑移，去掉外力后部分晶體發(fā)生不能恢復原狀的永久性塑性變形。塑性變形是原子的一個平面沿另一個平面發(fā)生滑移，并使原子間距增大1%以上。原子間的原有平衡力遭到破壞，原子間的作用力表現(xiàn)為吸引力，宏觀一般表現(xiàn)為材料硬化。

鉆柱在經歷拉伸與壓縮、彎曲與扭轉、振動與沖擊等載荷作用后，鉆柱就會發(fā)生相應的應力應變變化，當應力足夠大時，鉆柱表面產生局部的塑性變形，就會形成一定量的滑移線 （如圖2所示）。隨著疲勞載荷的反復循環(huán)作用，滑移線不斷增多，滑移量不斷增大［8～10］?；屏康牟粩嘣黾樱偈够凭€不斷增多、增粗，新形成的滑移線與鄰近的原滑移線共同組成滑移帶?；茙ч_始只局限在晶粒的細小范圍內，隨著載荷作用次數(shù)的增加，其范圍不斷擴大。在循環(huán)加載階段，鉆柱表面的一些部位沿著一定的方向發(fā)生滑移。在循環(huán)載荷卸載階段，由于前滑移面上的滑移被應變硬化，而新形成的自由表面被氧化阻止，便在相鄰的另一平行的滑移面發(fā)生相反的滑移；循環(huán)載荷作用一段時間后，在鉆柱表面就會形成擠入、擠出帶 （如圖3所示）。擠入、擠出帶是滑移帶發(fā)展到駐留滑移帶的產物，駐留滑移帶的形成和發(fā)展過程是裂紋萌生的過程。隨著循環(huán)載荷的持續(xù)作用，滑移帶越來越寬，越來越深，擠入帶向滑移帶的深處擴展，逐漸發(fā)展成凹槽切口或微裂紋，在它們的發(fā)生部位產生應力集中，為以后形成穿過晶粒的宏觀疲勞裂紋創(chuàng)造了條件。

圖2 鉆柱表面滑移過程

圖3 鉆柱表面的駐留滑移帶

擠入、擠出帶破壞了鉆柱表面已有的保護層，使新鮮金屬完全暴露在具有較強腐蝕性的鉆井液中，新鮮金屬的化學性質較活躍而發(fā)生溶解反應，反應后在鉆柱表面形成鈍化膜。隨著滑移的繼續(xù)，鈍化膜再次遭到破壞而繼續(xù)溶解，因此滑移帶的鈍化膜不斷經歷著 “破裂、修復、再破裂”過程。腐蝕反應不斷進行并在駐留滑移帶上加強，加之鉆井液的沖蝕作用，使得鉆柱表面難以形成有效的鈍化膜，反應速率加快，易形成腐蝕坑。腐蝕坑產生應力集中，疲勞裂紋在此處形成。

3．2 夾雜物開裂

通常金屬中含有一定量的雜質，這些雜質一部分來自金屬礦藏冶煉后的殘留物，一部分來自冶煉過程中形成的氧化物、碳化物等，一部分來自金屬材料要達到某種性能而人為添加的某些元素。這些雜質在金屬冷卻后會在金屬晶體的晶界上沉淀出來形成夾雜物。比較典型的如煉鋼煉鐵時發(fā)生的氧化還原反應，鋼材在熔煉和澆鑄時發(fā)生氧化反應，某些氧化物夾雜尺寸小，不容易上浮到表層被還原而停留在鑄件中。鑄件凝固過程中這些氧化物富集在晶界處，并逐漸展開，它將晶界兩側的晶體分離，分割了基體，使鋼材基體的連續(xù)性遭到破壞，降低了基體結構強度，鉆柱加工時容易在晶界產生微裂紋，也使鉆柱的抗疲勞強度嚴重降低［11］。其次，由于基體與夾雜物的熱膨脹系數(shù)不同，當金屬熱液發(fā)生凝固收縮時，各組分冷卻條件不一致，凝固存在先后順序，以及氧化夾雜物和鋼材自身的物性參數(shù)不同，就會形成熱應力。在熱應力作用下，結合強度低的部位容易產生疲勞微裂紋［12］。再者，在煉鋼煉鐵中鋼材在凝固和熱處理中均有碳化物以M3C形式存在，易在晶界上析出。碳化物尺寸較大且為硬脆性物質，它降低了晶界強度。在疲勞應力作用下，碳化物還因自身破裂而形成疲勞裂紋［12］。

根據(jù)滑移成核理論，滑移面上的位錯移動受到夾雜物粒子阻礙時，位錯在夾雜物周圍堆積形成位錯環(huán)。位錯環(huán)一方面受到夾雜物的排斥作用，阻止位錯向夾雜物靠攏，另一方面在外力作用下位錯環(huán)被推向夾雜物。位錯環(huán)被推到夾雜物粒子與晶體界面后，在界面上兩種物質分離形成微孔。形成微孔后，位錯環(huán)后面的位錯受到的排斥力大大減小，使原位錯后面的位錯重新激活并產生新的位錯環(huán)，滑移過程中不斷向微孔周圍推移。經過這樣反復作用，微孔不斷擴大。由于位錯可以沿不同滑移面移向夾雜物邊界，因此微孔可以由幾個滑移面上的位錯一起形成?；蛘咂渌泼嫔系奈诲e向夾雜物運動使微孔長大。微孔的形成使材料內部產生應力集中，當應力集中系數(shù)達到一定值后，就會在滑移面下方最大張應力面上形成微裂紋。當夾雜物的粒徑較大、脆性較高時，在應力作用下夾雜物破裂也會形成微裂紋。

3．3 孿晶、晶界開裂

一般在低應力高循環(huán)周次 （應力交變次數(shù)大于106）時先形成駐留滑移帶再形成微裂紋，在高應力低循環(huán)周次 （應力交變次數(shù)在102～105）時晶界形成裂紋。當滑移帶較少，滑移較困難時孿晶開裂是常見疲勞裂紋萌生形式。有共格孿晶界存在時，優(yōu)先在孿晶界形成駐留滑移帶并形成微裂紋?；泼嫔系奈诲e在晶界上受阻，形成位錯塞積。位錯塞積在晶界上產生應力集中，當應力值超過臨界值時便會產生晶界開裂。材料的晶粒尺寸越大，晶粒形成的位錯塞積越嚴重，晶界上產生的應變量越大，集中應力就越大，越容易形成微裂紋。

3．4 位錯開裂

在疲勞過程的起始階段產生了短而細的滑移線，這種滑移線可以認為是滑移線兩端受阻而造成的位錯塞積。如果滑移線上的位錯源停止運動，滑移線就不能移動。當非常接近的兩滑移線產生交叉滑移后，滑移面上堆積的位錯就會消散掉，滑移面上的位錯可以繼續(xù)開動。平行的兩個滑移面上兩列相反的位錯相消后就會留下一排孔洞，滑移使得孔洞吸收更多的位錯進入，孔洞不斷擴大，大到一定程度因應力集中而逐漸發(fā)展成微裂紋。

4 鉆柱疲勞裂紋主要影響因素

4．1 摩擦與碰撞

鉆柱在井筒中運動的過程中不可避免地與裸露地層巖石、套管發(fā)生摩擦，并瞬間產生大量的摩擦熱。地層溫度較高、鉆井液導熱性不好以及鋒利的堅硬巖石對鉆柱表面的磨削等因素，這些因素在磨削應力、摩擦熱作用下，使鉆柱亞表面發(fā)生了金相組織和硬度變化，即鉆柱表層發(fā)生了塑性變形，改變了鉆柱表層的殘余應力狀態(tài)，使得鉆柱的抗疲勞強度明顯降低。如果產生的拉伸殘余應力大于材料自身的抗拉強度后，就會在鉆柱亞表面產生裂紋核。鉆柱在與井壁的碰撞過程中，殘余應力狀態(tài)進一步改變，使裂紋核得到足夠的能量而紋開始擴展。碰撞能量也能使鉆柱內結構比較薄弱處產生微裂紋，以及硬脆性夾雜物破裂而形成微裂紋。

4．2 硫化氫

在含H2S的油氣井中，H2S不僅腐蝕鉆柱，而且H2S中的H＋容易在鉆柱表面還原成氫原子，并在鉆柱表面形成一層氫原子吸附膜。氫原子體積小，滲透力強，逐漸擴散進入鉆柱內部，在擴散過程中遇到裂縫空隙、晶格層間錯、夾渣及內部缺陷時，氫原子在這些部位結合成比氫原子體積大幾十倍的氫分子，體積膨脹產生極大的向外壓力，迫使晶間鍵斷裂，加劇鉆柱內部晶界微裂紋的萌生和擴展。H2S嚴重降低鉆柱的抗疲勞強度，縮短鉆柱使用壽命。

4．3 振動與沖擊

滑移過程中會出現(xiàn)位錯塞積現(xiàn)象，它是滑移線受阻而發(fā)生的。位錯塞積就會產生殘余應力，殘余應力和加載應力的疊加應力大于材料的屈服極限時，就會產生塑性變形，形成裂紋核。振動和沖擊使位錯塞積開通，殘余應力得到降低、釋放、均化［13］，使滑移線繼續(xù)進行，一定程度上延緩裂紋的形成。但振動和沖擊產生的能量也促進裂紋的擴展，降低鉆柱的疲勞壽命。

5 結論與建議

1）疲勞微裂紋一般在鉆柱表面有缺陷的部位優(yōu)先萌生，其萌生方式主要有滑移開裂、夾雜物開裂、孿晶與晶界開裂、位錯銷毀等，腐蝕、氫脆、振動、沖擊、摩擦、撞擊等因素在很大程度上促進了微裂紋的形成與發(fā)展。鉆柱所處的復雜工作環(huán)境使得鉆柱疲勞裂紋的萌生一般不只是單純的一種萌生方式，而是多種萌生方式共同作用的結果。

2）對于因疲勞原因而產生的鉆井事故，要分析事故原因，詳細記錄好失效鉆具的具體部位、鉆具鋼號、生產廠家，當時的井身結構和鉆具組合形式，鉆具到井使用情況，以及鉆壓、泵壓等情況，以方便今后研究。

3）鉆柱疲勞裂紋的萌生不能控制只能預防，主要從科研方面：提高材料科學水平、設計更合理的鉆具結構；現(xiàn)場方面：科學管理、維護鉆具，平穩(wěn)操作，采用合理的鉆壓，消除狗腿度等措施提高鉆柱使用壽命。

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