黃志敏

[摘 要]鉆桿是地質(zhì)鉆探和石油開(kāi)采的重要工具，在鉆井過(guò)程中，它是連接地面和地下的樞紐。鉆桿通過(guò)鉆桿接頭相連接，接頭上加工有內(nèi)、外螺紋，用以連接各單根鉆桿。在鉆井過(guò)程中，鉆桿接頭受力復(fù)雜、工作環(huán)境非常苛刻，它往往是鉆井設(shè)備與工具中的薄弱環(huán)節(jié)。鉆桿接頭的疲勞破壞、刺漏及扭斷事故是常見(jiàn)的鉆井事故，其中鉆桿接頭抗疲勞性能是目前研究的重點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]石油行業(yè)；鉆桿接頭；疲勞分析

中圖分類號(hào)：TE921.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）12-0031-01

鉆桿是石油天然氣鉆井的最主要工具，主要由鉆桿管體和鉆桿接頭兩部分通過(guò)焊接的方式連接在一起制造而成。為了保障焊縫部位的整體性能，在焊接之前對(duì)鉆桿管體端部進(jìn)行墩粗加厚，實(shí)現(xiàn)與鉆桿接頭的等尺寸連接。鉆井過(guò)程中，鉆桿既要承受復(fù)雜的交變載荷作用，受到腐蝕、磨損等多種不利因素的影響，極易發(fā)生失效事故。鉆桿的主要失效部位包括鉆桿管體、鉆桿管體端部加厚結(jié)構(gòu)消失部位及鉆桿接頭螺紋連接部位。鉆桿失效事故的發(fā)生不僅嚴(yán)重影響了鉆井速度，增加了鉆井成本，嚴(yán)重時(shí)甚至可能會(huì)導(dǎo)致整口井報(bào)廢，造成巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。因此研究石油鉆桿接頭的疲勞現(xiàn)象極為必要。

一、石油鉆桿接頭疲勞失效現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

鉆桿疲勞破壞的原因是鉆桿在彎曲井眼中旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆桿體承受周期性交變合應(yīng)力所致。當(dāng)鉆桿鉆探到彎曲井眼處，它的一側(cè)會(huì)先受壓，然后受拉，再受壓，如果鉆桿體存在微小裂口，這個(gè)缺口就會(huì)周期的受拉壓，發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最后張開(kāi)破壞。當(dāng)鉆桿的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于平均應(yīng)力的情況下，在有交變彎曲應(yīng)力作用的物體上，其不規(guī)則的微小裂紋會(huì)逐漸發(fā)展變成大裂縫，然后破壞，最后低應(yīng)力疲勞斷裂失效。當(dāng)平均應(yīng)力非常高，但交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)少時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂，產(chǎn)生低應(yīng)力疲勞破壞。螺牙的剪切失效和疲勞斷裂是鉆桿螺紋的疲勞破壞的兩種形式。鉆桿承受的動(dòng)載彎矩或鉆孔某處的彎曲都將使鉆桿承受交變彎曲應(yīng)力的作用，引起疲勞破壞。由于鉆桿螺紋接頭比其本體的剛性要小很多，所以鉆桿接頭螺紋上容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)螺紋起著切口的作用，因此超過(guò)60%鉆桿失效均發(fā)生在接頭的內(nèi)外螺紋上。外螺紋接頭和內(nèi)螺紋接頭的最后一道螺紋附近存在最大彎曲應(yīng)力，經(jīng)常在接頭的最后一道螺紋根部處發(fā)生斷裂。

（一）螺紋結(jié)構(gòu)與鉆桿疲勞的關(guān)系

在具體鉆井的過(guò)程中，由于鉆桿接頭需要承受持續(xù)的復(fù)合荷載力，這樣就極為容易在螺紋牙底部位置產(chǎn)生集中的應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。通常而言，外螺紋接頭的斷裂多產(chǎn)生于螺紋大端的第2牙或者是第3牙螺紋的根部位置，相比較而言，內(nèi)螺紋接頭經(jīng)常于最后嚙合部位的螺扣處出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象?？梢哉f(shuō)，導(dǎo)致螺紋出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象的關(guān)鍵因素在于螺紋牙載荷的不均勻分布。就結(jié)構(gòu)角度而言，螺紋的幾何形狀和螺紋的錐度則是影響螺紋牙荷載的關(guān)鍵要素。

（二）加厚過(guò)渡段結(jié)構(gòu)與鉆桿疲勞的關(guān)系

因?yàn)殂@桿接頭的厚度通常大于鉆桿管體的厚度，所以需要在中間位置設(shè)置一個(gè)過(guò)渡結(jié)構(gòu)，也就是我們常說(shuō)的鉆桿加厚過(guò)渡。其主要作用在于加強(qiáng)管體和接頭的連接強(qiáng)度。因?yàn)樵撐恢玫你@桿截面極為可能出現(xiàn)突變現(xiàn)象，一旦承受荷載，加厚過(guò)渡結(jié)構(gòu)的末端就容易產(chǎn)生一個(gè)高應(yīng)力區(qū)。而不同形狀的加厚過(guò)渡段則顯著影響著應(yīng)力的集中情況，通常而言，加厚過(guò)渡段的幾何形狀受制于過(guò)渡區(qū)的軸向長(zhǎng)度Miu和過(guò)渡圓角半徑R。據(jù)相關(guān)研究顯示，Miu越長(zhǎng)，R越大，此處的應(yīng)力集中就越小，加厚過(guò)渡段的疲勞強(qiáng)度越高。

二、提高鉆桿接頭抗疲勞措施

材料的疲勞特性可用最大應(yīng)力、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力比（循環(huán)特性）來(lái)表述，在一定的應(yīng)力比值下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)在 103-104時(shí)屬于低周期疲勞，當(dāng)循環(huán)次數(shù)低于 103時(shí)，屬于靜應(yīng)力強(qiáng)度，當(dāng)大多鉆桿接頭承受變應(yīng)力時(shí)，通常其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于 104，屬高周疲勞。影響鉆桿接頭的疲勞強(qiáng)度的因素很多，比如材料受到的極限應(yīng)力、應(yīng)力狀態(tài)、工作環(huán)境、加工工藝和加工質(zhì)量，可以從這些方面加以改進(jìn)。第一，材料。鉆桿接頭的材料選擇不僅要滿足其靜應(yīng)力還要考慮其抗疲勞的特性。一般盡量提高鉆桿接頭材料的切口敏感性，接頭材料的斷裂韌性值，這樣裂紋擴(kuò)散的速度就會(huì)減慢，同時(shí)還要注意其軋材的纖維方向和其主要受力方向盡量一致和材料的抗腐蝕性能等；第二，減緩應(yīng)力集中值。應(yīng)力集中是產(chǎn)生接頭疲勞破壞之源，鉆桿接頭的疲勞破壞通常在其應(yīng)力最大處開(kāi)始，在鉆桿接頭的設(shè)計(jì)中要盡可能的避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)；第三，降低載荷和降低工作溫度。實(shí)踐已經(jīng)證明，鉆桿接頭在較低的交變應(yīng)力下，不易發(fā)生疲勞裂紋，即便其發(fā)生裂紋，在低載荷下其裂紋擴(kuò)散的速度也很慢。在工況下，要避免鉆桿的超載，降低鉆桿的工況溫度，對(duì)提高其抗疲勞特性也有很大幫助；第四，增加加工精度。減少表面微觀不平的凹坑，鉆桿接頭破壞常常在表面開(kāi)始，裂紋通常在表面質(zhì)量差的地方產(chǎn)生。

三、鉆桿接頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)分析

（一）螺紋結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由上文的分析可以得知，之所以導(dǎo)致鉆桿接頭失效現(xiàn)象，主要原因在于連接螺紋的幾何形狀以及所產(chǎn)生的集中應(yīng)力。在持續(xù)交變循環(huán)的應(yīng)力作用之下，螺紋的牙底極為容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而誘發(fā)疲勞裂紋的產(chǎn)生。疲勞裂紋在經(jīng)受切應(yīng)力以及腐蝕力的作用之下，會(huì)出現(xiàn)反復(fù)的塑性變形，進(jìn)而逐漸擴(kuò)大，直至最后導(dǎo)致疲勞斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。通常而言，公接頭出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，多發(fā)生在螺紋大端的第2以及第3牙螺紋的根部，而母接頭出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，則多產(chǎn)生在最后幾牙的螺紋位置?，F(xiàn)階段，在大部分油氣開(kāi)采過(guò)程中，多使用的是API接頭螺紋。然而由于其結(jié)構(gòu)自身的缺陷性，使得在具體應(yīng)用過(guò)程中，公接頭的大端螺紋根部容易產(chǎn)生較高的應(yīng)力水平，且應(yīng)力的集中也比較大，這樣自然會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。

針對(duì)這種現(xiàn)象，可以對(duì)鉆桿接頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，據(jù)相關(guān)研究顯示，可以采用一種新型的鉆桿接頭螺紋。其主要改進(jìn)要點(diǎn)在于：基于之前所開(kāi)發(fā)的牙底大圓弧螺紋基礎(chǔ)上，并確保內(nèi)螺紋的錐度為1：6不變，而外螺紋的錐度則改變?yōu)?：6.23。和普通的API接頭螺紋結(jié)構(gòu)相比較，這種新型的螺紋結(jié)構(gòu)形式能夠促使應(yīng)力更加均勻的進(jìn)行分布。例如HLDS-38型雙臺(tái)肩接頭為例，經(jīng)有限元分析結(jié)果表明，采用本設(shè)計(jì)以后，接頭前三牙螺紋應(yīng)力可比常規(guī)HLDS-38接頭降低30%以上。

（二）過(guò)渡段結(jié)構(gòu)改進(jìn)

研究設(shè)計(jì)出一種新型過(guò)渡段結(jié)構(gòu)。與以往內(nèi)加厚過(guò)渡段形式不同，該結(jié)構(gòu)將過(guò)渡段分為兩個(gè)錐面和過(guò)渡圓角，有利于應(yīng)力在過(guò)渡段部分更均勻分布，降低內(nèi)加厚過(guò)渡區(qū)消失點(diǎn)處的應(yīng)力集中，提高了加厚過(guò)渡段的疲勞強(qiáng)度。

（三）接頭整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對(duì)于鉆桿來(lái)講，抗扭性能是其最重要的性能指標(biāo)之一而接頭部分的抗扭性能一般遠(yuǎn)低于管體，成為整個(gè)鉆桿柱中的薄弱環(huán)節(jié)。如何提高鉆桿接頭的抗扭性能是每個(gè)鉆桿生產(chǎn)廠均十分關(guān)心的問(wèn)題。上海海隆石油管材研究所在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，最近成功開(kāi)發(fā)了一種新型定向鉆桿接頭HLBT-8A，具有優(yōu)良的抗扭性能，可以滿足在較硬底層幵采煤層氣的要求，已經(jīng)獲得了應(yīng)用。

總而言之，石油鉆桿通過(guò)螺紋接頭首尾相連，從而實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程中的扭矩傳遞以及冷卻液傳輸，是石油勘探及開(kāi)采過(guò)程中的主要設(shè)備。鉆桿轉(zhuǎn)換接頭在鉆井過(guò)程中工作條件惡劣，是鉆桿最容易發(fā)生失效的區(qū)域，因此它是決定鉆桿質(zhì)量以及使用壽命的關(guān)鍵。文章分析石油鉆桿接頭出現(xiàn)疲勞失效的主要原因，改進(jìn)措施，最后以API接頭為例，重點(diǎn)分析了接頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法，期望對(duì)同行能夠有所借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬榮峰.鉆桿接頭仿生抗疲勞研究[D].吉林大學(xué)，2013.

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