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中图分类号：TE921 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0344-01
底部钻具在井下的受力及所处的工作环境十分复杂，包括：钻具所承受的载荷性质（静载荷、交变载荷、冲击载荷）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪及各种复合应力）、温度、环境介质（空气、水、钻井液、硫化氢气体）等。另外，还有由于钻具涡动引起的钻具与井壁间的摩擦和高频撞击。近年来，随着钻井深度的增加和大斜度井、大位移水平井等钻井技术的迅速发展，底部钻具疲劳破坏问题也越来越突出。
一、钻具疲劳破坏机理及预防措施
疲劳破坏可以分为纯疲劳破坏、伤痕疲劳破坏、腐蚀疲劳破坏3种基本类型。
1.1 纯疲劳破坏
纯疲劳破坏是逐渐发展而成的。开始时钢的晶体中的原子沿着晶体的滑移面发生围观屈服，在交变应力作用下，产生热能，使得组分之间的结合强度降低，形成微观的裂缝。随着应力穿过临近晶粒，将引起裂纹变大、合并而最后形成看得见的裂纹。这样裂纹在交变应力作用下，不断张开和闭合，裂纹不断扩大，最后在应力小于材料强度的情况下发生破坏。一般来说，裂纹的方向与应力方向相垂直，故钻具疲劳破坏的断面是圆周方向的；另外这种破坏是由于在交变应力作用下不断张开和闭合所造成的，所以断裂面具有无光泽细颗粒表面的特征。其影响因素主要有：钻具反转运动、钻具振动、钻具共振、井眼弯曲。
预防措施：
（1）提高无磁钻铤质量，选购规范、合格无磁，也是保证钻具安全、延长钻具使用寿命的一条捷径。
（2）优化水平井、大位移井底部钻具组合结构，减小钻具共振，尽量用无磁承压钻杆代替无磁钻铤，既增加了钻具的柔性，又减少了井下磨阻，降低钻具事故发生概率。
（3）要求在定向钻井或者复合钻井的时候，司钻能够尽量做到送钻均匀，同时适当减小钻压，这样可以大幅减小井底钻具的受力条件；
（4）在大井斜的情况下，定期进行短起下钻，可以有效的破坏井下的岩床，这样不仅可以提高钻井速度，而且还可以减少岩床对钻具的磨阻，减少钻具疲劳破坏的几率；
（5）优化剖面设计，施工中尽量控制井身轨迹平滑，减少或避免大的狗腿，也是减少钻具摩阻扭矩的有效手段。
1.2 伤痕疲劳
钻具在弯曲状态下绕着自身轴线旋转时，每边都交替的受到拉伸和压缩。如果钻具表面有一个伤痕，这个伤痕就将不断地开启和闭合，而每开启一次都促使伤痕扩展。伤痕除了使晶粒具有初始变形之外，还会使应力集中和金属破坏集中。当伤痕底部的应力达到一定程度时，伤痕将逐步扩大，直到最后剩下的实体材料不足以承受整个负荷而破坏。因此表面伤痕，无论是由于机械的还是由于冶炼的原因，都将大大降低钻具的疲劳极限，其影响程度取决于伤痕的位置、方向、形状和大小。就伤痕位置来说，如果伤痕发生在钻具非主要应力作用的部位，则对疲劳破坏的影响不大。但如果伤痕位于离接头50cm以内发生最大弯曲力矩处，就可能成为疲劳破坏的核心。纵向伤痕（相对应力而言）对疲劳破坏没有多大的危害，但圆周方向的伤痕将导致钻具早期疲劳破坏。其主要影响因素：钻具上的钢印、大钳牙痕、卡瓦伤痕、地层和井内金属碎块对钻具表面的切割伤痕。
预防措施：
（1）不允许在钻具本体上打印，而应在钻具接头部位打印。同时，钢印数码应顺着钻杆纵向排列，并用圆点代替线条。
（2）确保大钳的装配和使用合理，就能使牙痕保持纵向，如果牙痕稍微偏离垂直方向，就极易形成应力集中点。
（3）使用加工精良的卡瓦，卡瓦牙加工不良、已磨损、不配对、尺寸不合适都会在钻具上刻划出横向伤痕。
（4）在振动筛出口处放磁铁以吸附钻井液中的金属碎块，避免其在钻具旋转时划伤钻具，钻具下井前要仔细检查钻具表面。
（5）加强钻具下井前的无损探伤，尤其应加强对加厚过渡区进行检查，及时发现疲劳裂纹。
1.3 腐蚀疲劳
在腐蚀环境中造成的疲劳破坏称为腐蚀疲劳破坏。这种破坏是目前造成钻杆早期破坏最常见的原因之一。由于腐蚀使钻杆截面积减小或者形成腐蚀小坑而造成应力集中点，都使得疲劳强度大为降低。由于腐蚀和疲劳的联合作用，会使钻杆在低应力作用下发生破坏。一般说来，腐蚀破坏可分为化学腐蚀破坏、电化学腐蚀破坏和氢脆破坏3类。其主要影响因素有：钻井液PH值和温度、钢材强度、硫化氢的含量。
预防措施：
（1）合理选用钻具钢材质，根据腐蚀介质选用相应强度的钻具。钢的强度越高，越容易发生氢脆破裂，所以当在含有硫化氢的井施工时，要选用钢强度相对小的钻具。
（2）钻井液的腐蚀性随pH值的增加而显著降低，加碱（纯碱、烧碱或石灰乳）提高钻井液的pH值是控制钻具腐蚀的最普遍的方法。
（3）应用化学剂除氧、除硫能有效控制钻井液的腐蚀作用。目前，常用的除氧剂有亚硫酸钠、亚硫酸氢铁、麟和各种有机亚硫酸胺，前两种应用较广。工业上常用的除硫剂主要有锌基和铁基两大类。
（4）添加缓蚀剂使其在钻具的表面形成钝化膜，阻止或减缓金属腐蚀速度。缓蚀剂种类较多，主要有重铬酸盐、磷酸盐和有机胺类等。
二、钻具的日常维护和管理
要想预防钻具疲劳破坏，就必须认真做好钻具的日常维护和管理工作。这是预防钻具疲劳破坏的共性措施，也是最基础的措施。
2.1 钻具的日常维护
（1）下井前的细心维护
钻具构件在搬运、提升或下放过程中，应仔细操作，防止碰伤，尤其是对接头的螺纹应更加注意保护。如果接头螺纹部分损坏，下井前应进行修理，避免事故发生。
（2）充分清洗和润滑接头
钻具构件连接前应对螺纹进行清洗，并均匀涂抹钻具螺纹脂。螺纹脂主要具有两个方面的作用：一是在内外螺纹之间形成致密的油膜，可避免金属直接接触，防止粘扣；二是当内外螺纹接头上紧后，螺纹脂中的金属粒受压变形，就会在两台肩之间形成环状“金属圈”。它除了防止台肩粘合在一起外，还能起密封作用。
（3）重视钻具构件的存放
钻具构件存放不当，会在其表面产生腐化坑，导致使用过程中发生早期腐蚀疲劳。因此，应重视钻具构件存放期间的维护管理，尽量避免钻具构件长期露天存放，迫不得已长期露天存放时应采取防腐蚀措施。
（4）防止机械损伤
钻具构件表面的机械损伤常常会诱发伤痕疲劳、腐蚀疲劳或脆性断裂。因此，钻具构件应避免表面碰伤、烧伤、大钳、卡瓦及其它工具咬伤。在钻具构件搬运、提升或下放以及连接过程中，应严格遵守有关操作规程。
2.2 钻具的管理
（1）钻具成套固定使用
按施工井具体情况配备一套或两套钻具，固定施工小组管理使用。钻具成套配拨、定对使用，便于对钻具进行维护和管理，可显著降低钻具事故，提高经济效益。
（2）钻具分级管理
将钻具按外观尺寸、磨损情况、腐蚀情况及内外损伤情况等分为若干等级，不同级别的钻具用于不同的井深。分级管理一般采用“分级排队、打字编号、单根建卡、编组使用的方法。
三、总结
总之，随着钻井技术的发展和施工难度的提高，钻具疲劳事故发生的概率也会大幅增加。在钻井过程中应该不断增强防范钻具疲劳断裂事故的意识，这是一项综合的复杂的技术，除了上述预防措施外，还需现场施工人员不断总结、不断分析，以高度的责任心来尽量避免发生恶性事故。
底部钻具在井下的受力及所处的工作环境十分复杂，包括：钻具所承受的载荷性质（静载荷、交变载荷、冲击载荷）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪及各种复合应力）、温度、环境介质（空气、水、钻井液、硫化氢气体）等。另外，还有由于钻具涡动引起的钻具与井壁间的摩擦和高频撞击。近年来，随着钻井深度的增加和大斜度井、大位移水平井等钻井技术的迅速发展，底部钻具疲劳破坏问题也越来越突出。
一、钻具疲劳破坏机理及预防措施
疲劳破坏可以分为纯疲劳破坏、伤痕疲劳破坏、腐蚀疲劳破坏3种基本类型。
1.1 纯疲劳破坏
纯疲劳破坏是逐渐发展而成的。开始时钢的晶体中的原子沿着晶体的滑移面发生围观屈服，在交变应力作用下，产生热能，使得组分之间的结合强度降低，形成微观的裂缝。随着应力穿过临近晶粒，将引起裂纹变大、合并而最后形成看得见的裂纹。这样裂纹在交变应力作用下，不断张开和闭合，裂纹不断扩大，最后在应力小于材料强度的情况下发生破坏。一般来说，裂纹的方向与应力方向相垂直，故钻具疲劳破坏的断面是圆周方向的；另外这种破坏是由于在交变应力作用下不断张开和闭合所造成的，所以断裂面具有无光泽细颗粒表面的特征。其影响因素主要有：钻具反转运动、钻具振动、钻具共振、井眼弯曲。
预防措施：
（1）提高无磁钻铤质量，选购规范、合格无磁，也是保证钻具安全、延长钻具使用寿命的一条捷径。
（2）优化水平井、大位移井底部钻具组合结构，减小钻具共振，尽量用无磁承压钻杆代替无磁钻铤，既增加了钻具的柔性，又减少了井下磨阻，降低钻具事故发生概率。
（3）要求在定向钻井或者复合钻井的时候，司钻能够尽量做到送钻均匀，同时适当减小钻压，这样可以大幅减小井底钻具的受力条件；
（4）在大井斜的情况下，定期进行短起下钻，可以有效的破坏井下的岩床，这样不仅可以提高钻井速度，而且还可以减少岩床对钻具的磨阻，减少钻具疲劳破坏的几率；
（5）优化剖面设计，施工中尽量控制井身轨迹平滑，减少或避免大的狗腿，也是减少钻具摩阻扭矩的有效手段。
1.2 伤痕疲劳
钻具在弯曲状态下绕着自身轴线旋转时，每边都交替的受到拉伸和压缩。如果钻具表面有一个伤痕，这个伤痕就将不断地开启和闭合，而每开启一次都促使伤痕扩展。伤痕除了使晶粒具有初始变形之外，还会使应力集中和金属破坏集中。当伤痕底部的应力达到一定程度时，伤痕将逐步扩大，直到最后剩下的实体材料不足以承受整个负荷而破坏。因此表面伤痕，无论是由于机械的还是由于冶炼的原因，都将大大降低钻具的疲劳极限，其影响程度取决于伤痕的位置、方向、形状和大小。就伤痕位置来说，如果伤痕发生在钻具非主要应力作用的部位，则对疲劳破坏的影响不大。但如果伤痕位于离接头50cm以内发生最大弯曲力矩处，就可能成为疲劳破坏的核心。纵向伤痕（相对应力而言）对疲劳破坏没有多大的危害，但圆周方向的伤痕将导致钻具早期疲劳破坏。其主要影响因素：钻具上的钢印、大钳牙痕、卡瓦伤痕、地层和井内金属碎块对钻具表面的切割伤痕。
预防措施：
（1）不允许在钻具本体上打印，而应在钻具接头部位打印。同时，钢印数码应顺着钻杆纵向排列，并用圆点代替线条。
（2）确保大钳的装配和使用合理，就能使牙痕保持纵向，如果牙痕稍微偏离垂直方向，就极易形成应力集中点。
（3）使用加工精良的卡瓦，卡瓦牙加工不良、已磨损、不配对、尺寸不合适都会在钻具上刻划出横向伤痕。
（4）在振动筛出口处放磁铁以吸附钻井液中的金属碎块，避免其在钻具旋转时划伤钻具，钻具下井前要仔细检查钻具表面。
（5）加强钻具下井前的无损探伤，尤其应加强对加厚过渡区进行检查，及时发现疲劳裂纹。
1.3 腐蚀疲劳
在腐蚀环境中造成的疲劳破坏称为腐蚀疲劳破坏。这种破坏是目前造成钻杆早期破坏最常见的原因之一。由于腐蚀使钻杆截面积减小或者形成腐蚀小坑而造成应力集中点，都使得疲劳强度大为降低。由于腐蚀和疲劳的联合作用，会使钻杆在低应力作用下发生破坏。一般说来，腐蚀破坏可分为化学腐蚀破坏、电化学腐蚀破坏和氢脆破坏3类。其主要影响因素有：钻井液PH值和温度、钢材强度、硫化氢的含量。
预防措施：
（1）合理选用钻具钢材质，根据腐蚀介质选用相应强度的钻具。钢的强度越高，越容易发生氢脆破裂，所以当在含有硫化氢的井施工时，要选用钢强度相对小的钻具。
（2）钻井液的腐蚀性随pH值的增加而显著降低，加碱（纯碱、烧碱或石灰乳）提高钻井液的pH值是控制钻具腐蚀的最普遍的方法。
（3）应用化学剂除氧、除硫能有效控制钻井液的腐蚀作用。目前，常用的除氧剂有亚硫酸钠、亚硫酸氢铁、麟和各种有机亚硫酸胺，前两种应用较广。工业上常用的除硫剂主要有锌基和铁基两大类。
（4）添加缓蚀剂使其在钻具的表面形成钝化膜，阻止或减缓金属腐蚀速度。缓蚀剂种类较多，主要有重铬酸盐、磷酸盐和有机胺类等。
二、钻具的日常维护和管理
要想预防钻具疲劳破坏，就必须认真做好钻具的日常维护和管理工作。这是预防钻具疲劳破坏的共性措施，也是最基础的措施。
2.1 钻具的日常维护
（1）下井前的细心维护
钻具构件在搬运、提升或下放过程中，应仔细操作，防止碰伤，尤其是对接头的螺纹应更加注意保护。如果接头螺纹部分损坏，下井前应进行修理，避免事故发生。
（2）充分清洗和润滑接头
钻具构件连接前应对螺纹进行清洗，并均匀涂抹钻具螺纹脂。螺纹脂主要具有两个方面的作用：一是在内外螺纹之间形成致密的油膜，可避免金属直接接触，防止粘扣；二是当内外螺纹接头上紧后，螺纹脂中的金属粒受压变形，就会在两台肩之间形成环状“金属圈”。它除了防止台肩粘合在一起外，还能起密封作用。
（3）重视钻具构件的存放
钻具构件存放不当，会在其表面产生腐化坑，导致使用过程中发生早期腐蚀疲劳。因此，应重视钻具构件存放期间的维护管理，尽量避免钻具构件长期露天存放，迫不得已长期露天存放时应采取防腐蚀措施。
（4）防止机械损伤
钻具构件表面的机械损伤常常会诱发伤痕疲劳、腐蚀疲劳或脆性断裂。因此，钻具构件应避免表面碰伤、烧伤、大钳、卡瓦及其它工具咬伤。在钻具构件搬运、提升或下放以及连接过程中，应严格遵守有关操作规程。
2.2 钻具的管理
（1）钻具成套固定使用
按施工井具体情况配备一套或两套钻具，固定施工小组管理使用。钻具成套配拨、定对使用，便于对钻具进行维护和管理，可显著降低钻具事故，提高经济效益。
（2）钻具分级管理
将钻具按外观尺寸、磨损情况、腐蚀情况及内外损伤情况等分为若干等级，不同级别的钻具用于不同的井深。分级管理一般采用“分级排队、打字编号、单根建卡、编组使用的方法。
三、总结
总之，随着钻井技术的发展和施工难度的提高，钻具疲劳事故发生的概率也会大幅增加。在钻井过程中应该不断增强防范钻具疲劳断裂事故的意识，这是一项综合的复杂的技术，除了上述预防措施外，还需现场施工人员不断总结、不断分析，以高度的责任心来尽量避免发生恶性事故。