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摘 要：本文描述了钻具失效的形式，分析了钻具失效原因，并提出了相应的管理使用措施和建议。
关键词：钻具 失效形式 失效原因 管理使用
钻具失效主要是指钻具完全不能使用或仍然可以使用但达不到令人满意的功能或受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须修理或更换。由于钻具失效而导致的钻井事故频繁发生，严重影响了钻井速度的提高，处理这些事故耗费了大量的人力、物力和财力，造成了巨大的经济损失，因此有必要对钻具失效进行大量调研和相关的分析研究，找出钻具失效的主要原因，从而采取相应的管理措施，提高钻具使用寿命，解决和预防井下钻具失效，提高深井钻井速度，进而提高整体钻进效率和技术水平。
一、钻具失效的形式
钻具失效的形式多种多样，概括起来主要有以下三类，并且这几种失效形式常常同时存在并交互作用。
（一）过量变形
钻柱接头在受载情况下螺纹部分的伸长；钻柱本体超过极限的弯曲及扭转。
（二）断裂
断裂在钻柱事故中占的比例较大，危害也较严重。主要包括以下几种：
1.过载断裂。如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂；顿钻时的钻柱体折断。
2.低应力脆断。在整个钻具失效中占相当大的比例。钻杆、钻铤和转换接头处均有发生，如钻杆焊缝的脆性断裂、钻铤和转换接头螺纹部位的脆性断裂。这种断裂的原因是疲劳损伤。其显著特点是，在突然断裂前没有宏观前兆，一般测量手段查不出来，在不知不觉中造成灾难性事故。所以低应力脆断是最危险的断裂方式之一。
3.应力腐蚀断裂。是钻具失效的常见形式。如钻具在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂；钻杆接触某些腐蚀介质（如盐酸、氯化物类）时的应力腐蚀开裂。
4.氢脆断裂。当金属中存在过多的氢时，在拉应力作用下可使材料发生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的钻具应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。
5.疲劳断裂。失效主要发生在中和点附近，在这个位置要反复承受交变应力的影响，且钻具公母扣的根部也是钻具应力集中点，易发生疲劳失效。当转速高、钻具振动加剧时，极易发生大应力的低周疲劳。从图2中可以看出断口呈横向分布，断面较光滑平整，是典型的疲劳破坏特征。
（三）表面损伤
1.腐蚀。包括均匀腐蚀（如钻具锈蚀）、小孔腐蚀（即点蚀，如钻杆存放或使用过程中，内外表面的点蚀）和焊缝腐蚀（如钻杆表面皱折处的钻井液腐蚀，内外螺纹接头处啮合部位的腐蚀等）。图3所示即存放在露天场地钻具外本体的腐蚀图。
2.磨损。钻具在泥浆钻井条件下也会存在不同程度的磨损，在深井、超深井、水平井以及狗腿度严重的井中，比较容易发生钻具的磨损。
3.机械损伤。最常见的井口卡瓦起下钻时母接箍1米处变形，再如表面碰伤、烧伤、大钳咬痕及其它工具的压痕等。
二、钻具失效的原因分析
（一）材料本身的原因
1.材料成分不恰当。材料晶粒粗大，材料本身存在的夹杂物。材料冲击值不足，易引起脆性断裂。
2.材料钢级选择不当。钻杆材料对腐蚀疲劳强度有影响，不同钢级钻杆的腐蚀疲劳强度并不随钢级强度提高而增加。在钻井液中，腐蚀疲劳强度随钢级升高而降低。钢的强度越高，越容易发生氢脆断裂。一般来说，屈服强度低于634MPa（相当于洛氏硬度HRC22的钢材）的钢材不会发生氢脆破坏。
（二）地层原因
1.硬地层。牙轮钻头冲击破碎岩石，岩石硬度越大，牙齿吃入越少，则冲击时间越短，冲击载荷越大。钻头工作时产生的冲击载荷有利于岩石破碎，但也会使钻头轴承过早损坏，使牙齿崩碎，而且应力波作用于钻柱上，引发钻柱的纵向振动，钻头的冲击载荷是钻柱纵向振动的激振载荷。
2.砾岩地层。砾岩地层由于中间比周围岩石的硬度大，进尺慢，在井底形成突起，使得井底形成高低不平的形状，钻头旋转钻进时，引发并加剧纵向振动，同时使钻头产生较大的弯矩，加剧稳定器刮磨井壁，钻出的井眼不规则，当稳定器旋转通过时，可能瞬间卡住，造成瞬间高扭矩，并引发扭转振动。
（三）井眼原因
1.井径不规则。井径不规则或扩径严重的井段，钻铤的弯曲程度随之相应增大，钻具旋转时连接螺纹部位受“拉伸—压缩”交变弯曲应力加速钻具疲劳失效，井径扩大使钻具弯曲成弓“鞭击”井壁螺纹连接受力复杂化，同时加剧了螺纹疲劳损坏。
2.缩径。由于地层泥页岩吸水膨胀造成局部的缩径，稳定器通过时会产生较高的扭矩。
（四）操作不当
1.遇卡大力上提。
2.顿钻会使钻具失去弹性，发生弯曲，导致工作载荷过大，造成过载断裂。
3.钻进中发生蹩钻容易使钻杆发生扭曲，一般发生在中和点以上的一段钻杆内。当钻具上扣扭矩偏小时发生蹩钻，超扭矩引起螺纹部分再次进扣，引起连接部位失效，容易使钻具涨扣，这在钻井中经常见到。
4.上扣扭矩问题。大尺寸钻铤上扣扭矩不够，小尺寸钻铤上扣过紧，这是各油田普遍存在的现象。
（五）振动引起的疲劳失效。
钻具振动严重，会加速钻具的疲劳破坏。
（六）各种井下事故也是造成钻具损坏的原因之一。
（七）其他因素造成的钻具失效
由于加工或运输过程中产生的及材料本身的原始缺陷，在振动作用下扩展和传播，达到一定程度后就会造成疲劳破坏。
三、钻具失效管理使用的措施建议
（一）提高供钻钻具质量，更能适应钻井工况。
（二）缓解钻具腐蚀。
（三）加强钻杆探伤检查。
（四）钻杆内涂层。
参考文献：
[1] 赵金洲，张桂林主编.钻井工程技术手册.北京：中国石化出版社，2004
[2] 林元华等.塔里木油田钻具失效原因[J].钻采工艺，2007（5）
[3] 祝效华等.气体钻井钻具失效因素与机理分析[J].石油钻探技术，2009（2）
[4] 黄乘升.有关钻具失效的预防技术措施探讨[J].化学工程与装备，2011（1）
关键词：钻具 失效形式 失效原因 管理使用
钻具失效主要是指钻具完全不能使用或仍然可以使用但达不到令人满意的功能或受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须修理或更换。由于钻具失效而导致的钻井事故频繁发生，严重影响了钻井速度的提高，处理这些事故耗费了大量的人力、物力和财力，造成了巨大的经济损失，因此有必要对钻具失效进行大量调研和相关的分析研究，找出钻具失效的主要原因，从而采取相应的管理措施，提高钻具使用寿命，解决和预防井下钻具失效，提高深井钻井速度，进而提高整体钻进效率和技术水平。
一、钻具失效的形式
钻具失效的形式多种多样，概括起来主要有以下三类，并且这几种失效形式常常同时存在并交互作用。
（一）过量变形
钻柱接头在受载情况下螺纹部分的伸长；钻柱本体超过极限的弯曲及扭转。
（二）断裂
断裂在钻柱事故中占的比例较大，危害也较严重。主要包括以下几种：
1.过载断裂。如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂；顿钻时的钻柱体折断。
2.低应力脆断。在整个钻具失效中占相当大的比例。钻杆、钻铤和转换接头处均有发生，如钻杆焊缝的脆性断裂、钻铤和转换接头螺纹部位的脆性断裂。这种断裂的原因是疲劳损伤。其显著特点是，在突然断裂前没有宏观前兆，一般测量手段查不出来，在不知不觉中造成灾难性事故。所以低应力脆断是最危险的断裂方式之一。
3.应力腐蚀断裂。是钻具失效的常见形式。如钻具在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂；钻杆接触某些腐蚀介质（如盐酸、氯化物类）时的应力腐蚀开裂。
4.氢脆断裂。当金属中存在过多的氢时，在拉应力作用下可使材料发生氢脆。实际上，由硫化氢和盐酸引起的钻具应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。
5.疲劳断裂。失效主要发生在中和点附近，在这个位置要反复承受交变应力的影响，且钻具公母扣的根部也是钻具应力集中点，易发生疲劳失效。当转速高、钻具振动加剧时，极易发生大应力的低周疲劳。从图2中可以看出断口呈横向分布，断面较光滑平整，是典型的疲劳破坏特征。
（三）表面损伤
1.腐蚀。包括均匀腐蚀（如钻具锈蚀）、小孔腐蚀（即点蚀，如钻杆存放或使用过程中，内外表面的点蚀）和焊缝腐蚀（如钻杆表面皱折处的钻井液腐蚀，内外螺纹接头处啮合部位的腐蚀等）。图3所示即存放在露天场地钻具外本体的腐蚀图。
2.磨损。钻具在泥浆钻井条件下也会存在不同程度的磨损，在深井、超深井、水平井以及狗腿度严重的井中，比较容易发生钻具的磨损。
3.机械损伤。最常见的井口卡瓦起下钻时母接箍1米处变形，再如表面碰伤、烧伤、大钳咬痕及其它工具的压痕等。
二、钻具失效的原因分析
（一）材料本身的原因
1.材料成分不恰当。材料晶粒粗大，材料本身存在的夹杂物。材料冲击值不足，易引起脆性断裂。
2.材料钢级选择不当。钻杆材料对腐蚀疲劳强度有影响，不同钢级钻杆的腐蚀疲劳强度并不随钢级强度提高而增加。在钻井液中，腐蚀疲劳强度随钢级升高而降低。钢的强度越高，越容易发生氢脆断裂。一般来说，屈服强度低于634MPa（相当于洛氏硬度HRC22的钢材）的钢材不会发生氢脆破坏。
（二）地层原因
1.硬地层。牙轮钻头冲击破碎岩石，岩石硬度越大，牙齿吃入越少，则冲击时间越短，冲击载荷越大。钻头工作时产生的冲击载荷有利于岩石破碎，但也会使钻头轴承过早损坏，使牙齿崩碎，而且应力波作用于钻柱上，引发钻柱的纵向振动，钻头的冲击载荷是钻柱纵向振动的激振载荷。
2.砾岩地层。砾岩地层由于中间比周围岩石的硬度大，进尺慢，在井底形成突起，使得井底形成高低不平的形状，钻头旋转钻进时，引发并加剧纵向振动，同时使钻头产生较大的弯矩，加剧稳定器刮磨井壁，钻出的井眼不规则，当稳定器旋转通过时，可能瞬间卡住，造成瞬间高扭矩，并引发扭转振动。
（三）井眼原因
1.井径不规则。井径不规则或扩径严重的井段，钻铤的弯曲程度随之相应增大，钻具旋转时连接螺纹部位受“拉伸—压缩”交变弯曲应力加速钻具疲劳失效，井径扩大使钻具弯曲成弓“鞭击”井壁螺纹连接受力复杂化，同时加剧了螺纹疲劳损坏。
2.缩径。由于地层泥页岩吸水膨胀造成局部的缩径，稳定器通过时会产生较高的扭矩。
（四）操作不当
1.遇卡大力上提。
2.顿钻会使钻具失去弹性，发生弯曲，导致工作载荷过大，造成过载断裂。
3.钻进中发生蹩钻容易使钻杆发生扭曲，一般发生在中和点以上的一段钻杆内。当钻具上扣扭矩偏小时发生蹩钻，超扭矩引起螺纹部分再次进扣，引起连接部位失效，容易使钻具涨扣，这在钻井中经常见到。
4.上扣扭矩问题。大尺寸钻铤上扣扭矩不够，小尺寸钻铤上扣过紧，这是各油田普遍存在的现象。
（五）振动引起的疲劳失效。
钻具振动严重，会加速钻具的疲劳破坏。
（六）各种井下事故也是造成钻具损坏的原因之一。
（七）其他因素造成的钻具失效
由于加工或运输过程中产生的及材料本身的原始缺陷，在振动作用下扩展和传播，达到一定程度后就会造成疲劳破坏。
三、钻具失效管理使用的措施建议
（一）提高供钻钻具质量，更能适应钻井工况。
（二）缓解钻具腐蚀。
（三）加强钻杆探伤检查。
（四）钻杆内涂层。
参考文献：
[1] 赵金洲，张桂林主编.钻井工程技术手册.北京：中国石化出版社，2004
[2] 林元华等.塔里木油田钻具失效原因[J].钻采工艺，2007（5）
[3] 祝效华等.气体钻井钻具失效因素与机理分析[J].石油钻探技术，2009（2）
[4] 黄乘升.有关钻具失效的预防技术措施探讨[J].化学工程与装备，2011（1）