Page 84 - 理化检验-物理分册2023年第九期

陈 猛, 等: 某井钻杆接头断裂原因

5000m 时, 仍存在砾石层。此外, 在钻进层深度

1000~2000m 井段时, 跳钻现象较为严重, 扭矩
波动大, 频繁憋停顶驱, 易使钻具发生疲劳破坏。针
对超深井作业, 在作业一段时间后要对新钻杆进行
无损检测, 尤其是钻杆外螺纹根部等薄弱部位的检
测 [ 3 ] 。
在服役过程中, 钻杆外螺纹接头靠近大端扭
矩台肩的第1扣至第 3 扣螺纹根部位置承受的应
图4 断裂接头的显微组织形貌
力载荷较大, 是整个接头的薄弱部位 [ 4 ] , 也是最容
表4 断裂接头晶粒度和夹杂物评定结果 级
易发生疲劳断裂的部位。钻井工程设计过程中,
夹杂物( 细系) 钻杆的承载能力是其在没有裂纹或其他缺陷的情
项目 晶粒度
单项 总和
况下针对静载荷的承载能力。在钻井作业过程
实测值 8.5 A0 B0.5 C0.5 D0.5 1.5 中, 钻杆承受着复杂的拉伸、 扭转、 弯曲及振动等
标准值 ≥7.0 ≤1.0 ≤2.0 交变载荷作用, 在交变载荷高于其疲劳强度的情

况下, 钻杆会形成疲劳裂纹。钻杆的疲劳强度和
2 有限元分析 疲劳寿命与钻杆的其他性能指标不同, 疲劳寿命

不仅受材料自身的影响, 而且对承受载荷的形式、
断裂接头双台肩啮合应力的有限元分析结果如
大小及材料表面状态等多方面因素非常敏感, 这
图5所示。由图5可知: 接头螺纹的啮合应力峰值
使得即便是同种材料、 同样的制造工艺, 材料的疲
位于螺纹大端第一、 二牙螺纹的根部, 当钻柱的拉伸
劳寿命也不可能完全相同, 甚至会有较大的差异。
应力和旋转弯曲应力达到疲劳破坏的临界值时, 该
一旦钻杆接头局部有裂纹形成, 在井下交变载荷
部位发生疲劳破坏。新钻杆内螺纹接头的弯曲强度
的作用下, 裂纹会快速扩展, 钻杆的承载能力也会
高于外螺纹接头的弯曲强度, 因此, 钻杆接头螺纹的
大幅度下降, 甚至导致断裂事故发生。
疲劳破坏发生在外螺纹大端第一、 二牙螺纹的根部,
这与钻杆接头的实际断裂情况相符。 4 结论与建议

该断裂钻杆接头发生了疲劳断裂, 原因是其服
役工况恶劣, 在扭转、 拉伸、 振动等复杂的交变载荷
作用下, 裂纹从外螺纹根部薄弱部位萌生并扩展, 最
图5 断裂接头双台肩啮合应力的有限元分析结果
终导致钻杆接头发生断裂。
3 综合分析 建议根据钻具的使用规定, 定期对其进行无损
检测。优化钻具组合, 在砾石层跳钻严重区域应加
由上述理化检验结果表明: 断裂接头的化学成
上减震器, 以降低钻具的疲劳程度。
分、 力学性能、 显微组织均满足标准要求。断裂位置
为靠近大端扭矩台肩面的第一、 二牙螺纹根部, 钻杆 参考文献:
外表面无明显腐蚀形貌, 接头主密封面形貌良好, 裂
[ 1 ] 林元华, 邹波, 张建兵, 等. 考虑钻柱运动状态的疲劳
纹起源于螺纹牙底, 并沿着螺纹周向及径向扩展, 裂
寿命预测研究[ J ] . 天然气工业, 2004 , 24 ( 5 ): 57-60.
纹疲劳扩展区约占整个断面的 1 / 2 , 失稳扩展及瞬 [ 2 ] 刘古峰, 王荣, 雒设计.S135 钻杆钢扭转疲劳寿命及
断区约占断面 1 / 2 , 裂纹源区存在疲劳裂纹萌生扩 断裂特征[ J ] . 石油机械, 2011 , 39 ( 4 ): 4-6.
展的棘轮条带, 瞬断区呈典型的 45° 斜断面形貌特 [ 3 ] 赵洪臣, 薛志军, 张晨鹏, 等. 钻柱现场检测及应用
征, 说明该断裂接头受到扭转和拉伸的复合载荷 [ J ] . 无损检测, 2002 , 24 ( 4 ): 174-176.
[ 4 ] 余世杰, 龚丹梅, 陈猛, 等.42CrMo钢三棱螺旋钻杆
作用。
该钻杆接头的服役工况较为恶劣, 剧烈的跳钻 接头断裂原因分析[ J ] . 理化检验( 物理分册), 2020 ,
导致钻杆接头发生振动, 诱发了钻杆接头螺纹发生 56 ( 5 ): 52-55.
疲劳 开 裂。 该 井 地 层 比 较 复 杂, 钻 进 至 深 度
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