空气钻井是一种特殊的欠平衡钻井技术，压缩空气既作为循环介质携带岩屑，又作为破碎岩石的能量。空气钻井技术在保护储层和提高钻速方面的优势较大，随着空气钻井技术的不断完善和提高，该技术在国内也得到了广泛应用，并取得了良好的效果。
空气钻井存在的最大问题是钻具使用寿命短，容易发生钻具断裂事故，造成严重的经济损失。国内许多专家学者对空气钻井的钻具断裂失效进行了大量分析，并提出了切实可行的建议，但对钻铤断裂进行详细失效分析的报道并不多。
事故背景
某直井采用空气钻井技术，在钻至井深约4313m时发现泵压从20MPa逐渐下降至18.3MPa，地面管线检查无异常。起钻检查发现井下钻柱的倒数第2根钻铤发生断裂，断裂位置距内螺纹小端约100mm。
该井钻具组合为：？152mm钻头+转换接头+?120.7mm钻铤12根+?88.9mm钻杆。井下落鱼组合为：？152mm钻头+转换接头+?120.7mm钻铤2根。钻井参数为：钻压60kN，转速50r·min-1，泵压20MPa，排量25L·s-1。失效钻铤外径为120.7mm，内孔直径为50.8mm，内螺纹扣型为NC38。
该钻铤于2010年10月开始投产使用，截至断裂已经服役了4口井，累计服役时间约为2660h。另外，据井队作业人员反映，该钻铤在前期服役过程中发生过多次卡钻、解卡等情况。
理化检验
1宏观观察失效钻铤断裂位置为内螺纹小端第1，2扣完整牙处，为钻铤内螺纹应力集中区，钻铤断口形貌如图1所示。
图1 失效钻铤断口宏观形貌
可见断裂钻铤内螺纹无应力分散槽，断口平坦，无明显塑性变形，但存在3个明显的裂纹扩展断层台阶；整个断面磨损严重，原始断面均已破坏，存在大量机械挤压残留的痕迹。断口内侧存在多条起源于内螺纹牙底的裂纹，同时沿螺旋线向两侧及外壁扩展，最后发生断裂，并形成裂纹扩展断层台阶，断面外侧剪切唇与轴线呈一定角度，如图2所示。根据断口形貌可以初步推断，此次钻铤断裂为疲劳断裂。
图2 失效钻铤断口局部形貌
钻铤断口附近外径测量结果见表1，依据SY/T 5144-2013«钻铤»要求，该规格新钻铤外径为120.7mm，而失效钻铤最严重处直径已减少至117.2mm。
表1 失效钻铤尺寸测量结果mm
2化学成分分析
在断口附近取样，采用直读光谱仪对失效钻铤试样的化学成分进行分析，结果见表2，可见其化学成分符合SY/T 5144-2007技术要求。
表2 失效钻铤化学成分（质量分数）％
3力学性能试验
在失效钻铤断口附近沿轴向分别取规格为？12.50mm的圆棒拉伸试样和规格为10mm×10mm×55mm的夏比V型缺口冲击试样，按照ASTM A370-11?钢产品机械测试的方法和定义？拉伸和冲击进行试验，结果见表3，可见失效钻铤的力学性能符合SY/T 5144-2007技术要求。
表3 失效钻铤力学性能试验结果
4硬度测试
在钻铤本体上取硬度环，采用电子布氏硬度计，按照ASTM E10-2018«金属材料布氏硬度的标准试验方法»进行布氏硬度测试，结果见表4，可见其硬度符合SY/T 5144-2007技术要求。
表4 失效钻铤硬度测试结果
5金相检验
在断口螺纹部位沿纵向取金相试样，发现螺纹根部存在多处裂纹，裂纹径向深度范围约为0.2~2.0mm，其中较为典型的裂纹如图3所示，可见裂纹起源于内螺纹牙底，沿径向向外扩展，裂纹整体形貌细长。断口附近显微组织为回火索氏体，如图4所示。
图3 裂纹微观形貌
图4 失效钻铤断口附近显微组织形貌
6微观观察
钻铤断口经醋酸纤维纸清洗后，置于扫描电镜（SEM）下观察，裂纹源区及扩展区形貌为经机械磨损及泥浆冲蚀后的形貌，断口原始形貌已经破坏。将螺纹牙底的疲劳裂纹打开，其形貌如图5所示，可见疲劳裂纹面较为平坦，存在裂纹扩展相遇而形成的台阶。
图5 疲劳裂纹打开后SEM形貌
分析与讨论
断裂钻铤的化学成分、力学性能均符合SY/T 5144-2007技术要求。该钻铤已累计使用约2660h，以平均转速50r·min-1计算，钻铤已服役了约8×106周次。结合断口形貌及裂纹起源情况可以判断，失效钻铤断裂性质为疲劳断裂失效。在循环载荷作用下，钻铤螺纹应力集中区域首先产生微区塑性变形，随着循环加载的继续，裂纹在这个关键区域的薄弱点上萌生，开始出现微裂纹，微裂纹缓慢扩展，并逐步形成可见的宏观裂纹，裂纹继续扩展直至最后断裂。失效钻铤材料符合标准要求，其内螺纹部位在使用过程中发生疲劳断裂主要与空气钻井中钻铤受力情况和钻铤几何尺寸结构等有关。
1空气钻井中钻铤受力情况分析
空气钻井是以压缩空气（或氮气）既作为循环介质又作为破碎岩石能量的一种欠平衡钻井技术，井下钻柱振动频率远高于常规泥浆钻井的。在常规泥浆钻井中，钻井液具有润滑性而有助于减少摩擦扭矩，同时还具有水力动力阻尼作用，在一定程度上降低了钻头和钻柱的横向振动，有利于避免井下钻柱过早疲劳失效；而在空气钻井中，井内缺少钻井液的阻尼减震作用，钻具承受的振动载荷远大于在常规钻井过程中承受的，因而井下钻具易发生疲劳失效。
另外，据井队作业人员反映，该钻铤在前期服役过程中发生过多次卡钻、解卡等情况，解卡时发生的大吨位、大扭矩活动载荷也增加了钻铤螺纹处的疲劳损伤。
2弯曲强度比的影响
钻铤接头的弯曲强度比（BSR）是指钻铤内螺纹危险断面抗弯截面模数与外螺纹危险断面抗弯截面模数之比，表征了其内外螺纹接头强度或寿命的相对值。钻铤的外径大小对钻铤的弯曲强度比有明显的影响，根据钻铤的抗弯曲强度比理论可知，钻铤内外螺纹的弯曲强度比应控制在1.90~3.20。当弯曲强度比增大到3.20以上时，外螺纹接头容易断裂；当弯曲强度比下降到1.90以下时，容易引起内螺纹胀大或胀裂、脱扣、螺纹根部断裂等现象。API RP7G-1998（R2015）«钻杆设计和操作极限的推荐实施双程»规定弯曲强度比计算公式为
式中：ZB为内螺纹连接截面模数，mm3；ZP为外螺纹连接截面模数，mm3；D为外螺纹连接和内螺纹连接的外径，mm；d为内径，mm；b为外螺纹连接端面处内螺纹连接的螺纹内径，mm；R为离外螺纹连接台肩19.05mm处外螺纹连接的螺纹内径，mm。
断裂钻铤公称外径为120.65mm，所配接头为NC38，依据实际钻铤尺寸计算结果，断裂钻铤弯曲强度比见表5。
表5 弯曲强度比计算结果
依据SY/T 5144-2007要求，？120.7mm钻铤应当配NC35接头，其弯曲强度比为2.58。依据计算结果，失效钻铤外径为？120.7mm，内径为50.8mm，内螺纹扣型为NC38，弯曲强度比为1.80，明显低于钻铤内外螺纹弯曲强度比应控制的范围（1.90~3.20）。钻铤接头螺纹规格与其尺寸不匹配，内螺纹接头为薄弱环节，容易发生内螺纹断裂。钻铤外径因磨损已减少到117.2mm，其内外螺纹弯曲强度比下降，内螺纹断裂的可能性加大。
3钻铤螺纹结构的影响
螺纹接头是钻铤的薄弱环节，钻铤断裂位置是钻铤内螺纹应力集中区。断裂钻铤内螺纹无应力分散槽，在空气钻井振动载荷较大的情况下，更容易在钻铤内螺纹应力集中区发生断裂。
结论及建议
钻铤螺纹接头与钻铤尺寸不匹配，内螺纹接头处为薄弱环节，在空气钻井过程中发生了疲劳断裂。
建议采用与钻铤尺寸匹配的螺纹接头，并在钻铤接头部位增加应力分散槽，或者使用双台肩接头钻铤。