钻柱疲劳裂纹形成机理研究

2013-03-06宋周成邓昌松王锦生

石油天然气学报 2013年9期

宋周成，邓昌松，王锦生

陈朋，丁志敏，丁亮亮（中石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000）

钻柱是钻井系统中一个极其重要的组成部分，钻柱失效是钻井作业过程中经常发生的问题，钻柱疲劳失效是其最常见的形式。据美国在2000年的一项统计表明，钻井费用占总勘探开发费用的50%～80%，大约14%的井会发生钻具疲劳断裂事故，每次断裂事故总损失约为106000美元［1～3］。陈世春对中石油塔里木油田分公司从2001年到2011年4月的10年间钻柱失效情况进行了研究，钻柱发生疲劳断裂和刺漏的总失效次数为611次，其中刺漏占81%，断裂占19%［4］。据中石油石油管材技术研究院对过去数年钻柱失效事故的统计分析，疲劳失效是钻柱失效最主要的失效形式，钻柱失效的80%以上是由疲劳直接引起或者与疲劳相关的情况引起的；李鹤林、冯耀荣的研究指出，国内各油田每年发生钻柱疲劳断裂事故超过500起，直接经济损失4000万元以上［5］。

钻柱处于十分复杂的工作环境中，不仅要承受拉压、弯扭、振动、冲击等多种随机交变载荷作用，还要经受钻井液的腐蚀、冲蚀、氢脆，以及与井壁的摩擦、撞击等作用，使得钻柱成为钻井设备中最薄弱的环节［6］。钻柱疲劳失效包括腐蚀疲劳、应力应变疲劳、冲蚀疲劳、摩擦疲劳、接触疲劳、伤痕疲劳等多种失效形式。钻柱疲劳失效一般不会出现可以观察的先兆，事故的发生往往是灾难性的，造成巨大的经济损失，是钻井界的热点和难道问题之一。

1 钻柱疲劳失效的主要表现形式

疲劳失效是钻柱失效最常见的破坏形式之一。通常所说的刺漏、扭断、部分拉断等都是疲劳失效问题［7］。钻柱刺漏是钻柱上的疲劳裂纹尚未发展到能造成钻柱完全破坏的环形裂纹，只是呈穿孔状破坏（如图1所示）。它是钻井液在高压作用下穿过钻柱上的疲劳裂纹形成的。钻井液穿过这种裂纹时的高流速和腐蚀性，进一步扩大了疲劳裂纹，并使裂纹发展成为穿孔。钻柱疲劳扭断时的断口一般呈角状，在发生破坏前，疲劳裂纹扩展成围绕钻柱表面的环形裂纹，最后一部分未扭断的钻柱壁在最后的几圈中被扭断。疲劳拉断使钻柱形成疲劳裂纹，裂纹扩展致使钻柱的有效截面积减小，钻柱承受的真实拉应力超过了钻柱材料允许的抗拉强度而发生断裂。

图1 钻柱刺漏

2 疲劳裂纹形成条件

钻柱产生疲劳裂纹的基本条件是钻柱在交变载荷反复作用下，钻柱材料局部出现了不可逆的塑性变形，材料的组织与性能也将发生改变。在循环载荷的初始加载阶段，材料均匀发生变化。随着循环次数的增加，在晶界，夹杂物如杂质、熔渣，内部缺陷如气泡、孔洞、微裂纹，易产生应力集中的凸台、凹沟、倒角、咬痕、擦伤、腐蚀坑，以及微组织结构、化学成分不均匀不连续部位，易引起应力应变集中［6］。应力应变集中使这些区域应力或应变的峰值达到或超过材料的屈服极限，再加上循环硬化或循环软化作用，这些区域最先产生微裂纹。钻柱疲劳断裂依次经历：“循环加载、卸载－材料硬化－滑移成核－裂纹扩展－钻柱瞬断”等过程。

3 疲劳裂纹萌生机理

3．1 滑移与腐蚀

一般认为钻柱疲劳裂纹萌生的机理主要是滑移成核理论，它是基于疲劳失效断裂的绝大多数情况下裂纹在钻柱表面形成的事实。滑移是在外力作用下相邻原子层完全克服原子间的相互吸引力而发生的原子层的移动。滑移理论认为晶体中各原子层的间距不同，使得原子层之间的相互作用力不同，结合强度不一致。晶体中同方向各层原子与邻近层原子的结合强度不一致，致使晶体在结合强度较弱方向上易发生塑性流动，也易发生断裂，形成穿晶开裂。在外力作用下，当外力不太大即处在材料应力应变曲线的直线段时，晶体只发生畸变，去掉外力后晶体发生恢复原形状的弹性变形；当外力很大即达到或超过材料的屈服应力后，晶体相邻两层原子发生相对滑移，去掉外力后部分晶体发生不能恢复原状的永久性塑性变形。塑性变形是原子的一个平面沿另一个平面发生滑移，并使原子间距增大1%以上。原子间的原有平衡力遭到破坏，原子间的作用力表现为吸引力，宏观一般表现为材料硬化。

钻柱在经历拉伸与压缩、弯曲与扭转、振动与冲击等载荷作用后，钻柱就会发生相应的应力应变变化，当应力足够大时，钻柱表面产生局部的塑性变形，就会形成一定量的滑移线（如图2所示）。随着疲劳载荷的反复循环作用，滑移线不断增多，滑移量不断增大［8～10］。滑移量的不断增加，促使滑移线不断增多、增粗，新形成的滑移线与邻近的原滑移线共同组成滑移带。滑移带开始只局限在晶粒的细小范围内，随着载荷作用次数的增加，其范围不断扩大。在循环加载阶段，钻柱表面的一些部位沿着一定的方向发生滑移。在循环载荷卸载阶段，由于前滑移面上的滑移被应变硬化，而新形成的自由表面被氧化阻止，便在相邻的另一平行的滑移面发生相反的滑移；循环载荷作用一段时间后，在钻柱表面就会形成挤入、挤出带（如图3所示）。挤入、挤出带是滑移带发展到驻留滑移带的产物，驻留滑移带的形成和发展过程是裂纹萌生的过程。随着循环载荷的持续作用，滑移带越来越宽，越来越深，挤入带向滑移带的深处扩展，逐渐发展成凹槽切口或微裂纹，在它们的发生部位产生应力集中，为以后形成穿过晶粒的宏观疲劳裂纹创造了条件。

图2 钻柱表面滑移过程

图3 钻柱表面的驻留滑移带

挤入、挤出带破坏了钻柱表面已有的保护层，使新鲜金属完全暴露在具有较强腐蚀性的钻井液中，新鲜金属的化学性质较活跃而发生溶解反应，反应后在钻柱表面形成钝化膜。随着滑移的继续，钝化膜再次遭到破坏而继续溶解，因此滑移带的钝化膜不断经历着 “破裂、修复、再破裂”过程。腐蚀反应不断进行并在驻留滑移带上加强，加之钻井液的冲蚀作用，使得钻柱表面难以形成有效的钝化膜，反应速率加快，易形成腐蚀坑。腐蚀坑产生应力集中，疲劳裂纹在此处形成。

3．2 夹杂物开裂

通常金属中含有一定量的杂质，这些杂质一部分来自金属矿藏冶炼后的残留物，一部分来自冶炼过程中形成的氧化物、碳化物等，一部分来自金属材料要达到某种性能而人为添加的某些元素。这些杂质在金属冷却后会在金属晶体的晶界上沉淀出来形成夹杂物。比较典型的如炼钢炼铁时发生的氧化还原反应，钢材在熔炼和浇铸时发生氧化反应，某些氧化物夹杂尺寸小，不容易上浮到表层被还原而停留在铸件中。铸件凝固过程中这些氧化物富集在晶界处，并逐渐展开，它将晶界两侧的晶体分离，分割了基体，使钢材基体的连续性遭到破坏，降低了基体结构强度，钻柱加工时容易在晶界产生微裂纹，也使钻柱的抗疲劳强度严重降低［11］。其次，由于基体与夹杂物的热膨胀系数不同，当金属热液发生凝固收缩时，各组分冷却条件不一致，凝固存在先后顺序，以及氧化夹杂物和钢材自身的物性参数不同，就会形成热应力。在热应力作用下，结合强度低的部位容易产生疲劳微裂纹［12］。再者，在炼钢炼铁中钢材在凝固和热处理中均有碳化物以M3C形式存在，易在晶界上析出。碳化物尺寸较大且为硬脆性物质，它降低了晶界强度。在疲劳应力作用下，碳化物还因自身破裂而形成疲劳裂纹［12］。

根据滑移成核理论，滑移面上的位错移动受到夹杂物粒子阻碍时，位错在夹杂物周围堆积形成位错环。位错环一方面受到夹杂物的排斥作用，阻止位错向夹杂物靠拢，另一方面在外力作用下位错环被推向夹杂物。位错环被推到夹杂物粒子与晶体界面后，在界面上两种物质分离形成微孔。形成微孔后，位错环后面的位错受到的排斥力大大减小，使原位错后面的位错重新激活并产生新的位错环，滑移过程中不断向微孔周围推移。经过这样反复作用，微孔不断扩大。由于位错可以沿不同滑移面移向夹杂物边界，因此微孔可以由几个滑移面上的位错一起形成。或者其他滑移面上的位错向夹杂物运动使微孔长大。微孔的形成使材料内部产生应力集中，当应力集中系数达到一定值后，就会在滑移面下方最大张应力面上形成微裂纹。当夹杂物的粒径较大、脆性较高时，在应力作用下夹杂物破裂也会形成微裂纹。

3．3 孪晶、晶界开裂

一般在低应力高循环周次（应力交变次数大于106）时先形成驻留滑移带再形成微裂纹，在高应力低循环周次（应力交变次数在102～105）时晶界形成裂纹。当滑移带较少，滑移较困难时孪晶开裂是常见疲劳裂纹萌生形式。有共格孪晶界存在时，优先在孪晶界形成驻留滑移带并形成微裂纹。滑移面上的位错在晶界上受阻，形成位错塞积。位错塞积在晶界上产生应力集中，当应力值超过临界值时便会产生晶界开裂。材料的晶粒尺寸越大，晶粒形成的位错塞积越严重，晶界上产生的应变量越大，集中应力就越大，越容易形成微裂纹。

3．4 位错开裂

在疲劳过程的起始阶段产生了短而细的滑移线，这种滑移线可以认为是滑移线两端受阻而造成的位错塞积。如果滑移线上的位错源停止运动，滑移线就不能移动。当非常接近的两滑移线产生交叉滑移后，滑移面上堆积的位错就会消散掉，滑移面上的位错可以继续开动。平行的两个滑移面上两列相反的位错相消后就会留下一排孔洞，滑移使得孔洞吸收更多的位错进入，孔洞不断扩大，大到一定程度因应力集中而逐渐发展成微裂纹。

4 钻柱疲劳裂纹主要影响因素

4．1 摩擦与碰撞

钻柱在井筒中运动的过程中不可避免地与裸露地层岩石、套管发生摩擦，并瞬间产生大量的摩擦热。地层温度较高、钻井液导热性不好以及锋利的坚硬岩石对钻柱表面的磨削等因素，这些因素在磨削应力、摩擦热作用下，使钻柱亚表面发生了金相组织和硬度变化，即钻柱表层发生了塑性变形，改变了钻柱表层的残余应力状态，使得钻柱的抗疲劳强度明显降低。如果产生的拉伸残余应力大于材料自身的抗拉强度后，就会在钻柱亚表面产生裂纹核。钻柱在与井壁的碰撞过程中，残余应力状态进一步改变，使裂纹核得到足够的能量而纹开始扩展。碰撞能量也能使钻柱内结构比较薄弱处产生微裂纹，以及硬脆性夹杂物破裂而形成微裂纹。

4．2 硫化氢

在含H2S的油气井中，H2S不仅腐蚀钻柱，而且H2S中的H＋容易在钻柱表面还原成氢原子，并在钻柱表面形成一层氢原子吸附膜。氢原子体积小，渗透力强，逐渐扩散进入钻柱内部，在扩散过程中遇到裂缝空隙、晶格层间错、夹渣及内部缺陷时，氢原子在这些部位结合成比氢原子体积大几十倍的氢分子，体积膨胀产生极大的向外压力，迫使晶间键断裂，加剧钻柱内部晶界微裂纹的萌生和扩展。H2S严重降低钻柱的抗疲劳强度，缩短钻柱使用寿命。

4．3 振动与冲击

滑移过程中会出现位错塞积现象，它是滑移线受阻而发生的。位错塞积就会产生残余应力，残余应力和加载应力的叠加应力大于材料的屈服极限时，就会产生塑性变形，形成裂纹核。振动和冲击使位错塞积开通，残余应力得到降低、释放、均化［13］，使滑移线继续进行，一定程度上延缓裂纹的形成。但振动和冲击产生的能量也促进裂纹的扩展，降低钻柱的疲劳寿命。

5 结论与建议

1）疲劳微裂纹一般在钻柱表面有缺陷的部位优先萌生，其萌生方式主要有滑移开裂、夹杂物开裂、孪晶与晶界开裂、位错销毁等，腐蚀、氢脆、振动、冲击、摩擦、撞击等因素在很大程度上促进了微裂纹的形成与发展。钻柱所处的复杂工作环境使得钻柱疲劳裂纹的萌生一般不只是单纯的一种萌生方式，而是多种萌生方式共同作用的结果。

2）对于因疲劳原因而产生的钻井事故，要分析事故原因，详细记录好失效钻具的具体部位、钻具钢号、生产厂家，当时的井身结构和钻具组合形式，钻具到井使用情况，以及钻压、泵压等情况，以方便今后研究。

3）钻柱疲劳裂纹的萌生不能控制只能预防，主要从科研方面：提高材料科学水平、设计更合理的钻具结构；现场方面：科学管理、维护钻具，平稳操作，采用合理的钻压，消除狗腿度等措施提高钻柱使用寿命。

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［6］邓昌松．钻柱疲劳失效机理研究［D］．成都：西南石油大学，2012．

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［9］崔约贤，王长利．金属断口分析［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998．

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