?127mm S135鉆桿內螺紋接頭脹扣失效分析

李齊富 姜新越 陳長青 王青林 孫家棟 劉悅來

（中國石油渤海石油裝備制造有限公司第一機械廠，河北 青縣 062950）

?127mm S135鉆桿內螺紋接頭脹扣失效分析

李齊富 姜新越 陳長青 王青林 孫家棟 劉悅來

（中國石油渤海石油裝備制造有限公司第一機械廠，河北 青縣 062950）

對某油井發(fā)生的?127 mm S135鉆桿內螺紋接頭脹扣失效事故及其原因進行了調查分析，并且對避免同類事故的發(fā)生提出了建議。認為在鉆桿接頭的材質符合行業(yè)標準要求的前提下，導致鉆桿內螺紋接頭脹扣失效的原因是外螺紋接頭密封臺肩面倒角直徑過小，井下鉆柱扭矩過大；內螺紋接頭密封臺肩面承受的接觸壓力超過材料屈服強度，導致內螺紋接頭密封臺肩面下陷變形，外螺紋接頭密封臺肩面在大扭矩的作用下進入內螺紋接頭鏜孔段，致使內螺紋接頭發(fā)生脹扣失效。

內螺紋接頭 脹扣 失效 倒角直徑

1 現場概況

某鉆井公司發(fā)生多起?127 mm S135鉆桿內螺紋接頭脹扣失效事故。發(fā)生事故的油井設計深度為4 855 m，使用?127 mm S135 18°臺肩鉆桿，上扣扭矩為49 kN·m。在井深2 500 m內，在不同井段提鉆時都發(fā)現鉆桿內螺紋端有不同程度的脹扣失效現象，甚至出現了卡死。鉆具組合為：?311 mm鉆頭+730×730轉換接頭+?229 mm鉆鋌2根+?311 mm穩(wěn)定器1個+731×630轉換接頭+?203 mm螺旋鉆鋌6根+631×410轉換接頭+?178 mm螺旋鉆鋌9根+?127 mm鉆桿97根。鉆井參數為：鉆壓為160～260 kN，泵壓為25～27 MPa，轉速為120 r／min。

2 實驗分析

2.1 宏觀形貌分析

根據現場調研資料，該批鉆桿內螺紋接頭脹扣失效表現為內螺紋密封臺肩面下陷，接頭外徑脹大，部分外螺紋接頭密封臺肩面在大扭矩的作用下進入內螺紋接頭鏜孔段發(fā)生卡死現象。經測量，發(fā)生脹扣失效的內螺紋接頭外徑為177.12 mm，遠遠超過SY／T 5290－2000《石油鉆桿接頭》標準[1]規(guī)定的外徑尺寸168.28±0.8 mm。

將鉆桿接頭脹扣失效位置沿縱向剖開，其剖面形貌如圖1所示。由圖1可以看出，內、外螺紋接頭密封臺肩面已發(fā)生嚴重的塑性變形，內螺紋接頭的內壁上明顯可見擠壓和摩擦痕跡，在外螺紋接頭密封臺肩處，多出了1個截面為直角三角形的周向環(huán)。在此周向環(huán)的整個外圓周面上，可見明顯的擠壓和磨損痕跡，這與內螺紋接頭內壁的形貌相匹配。由此可以確定，外螺紋接頭密封臺肩處的三角形周向環(huán)是從內螺紋接頭的密封臺肩面上剪切剝離下來的。從內螺紋接頭脹扣失效形貌來看，內螺紋接頭的密封臺肩面已嚴重變形，由平面變?yōu)樾泵?。從該批鉆桿內螺紋接頭密封臺肩面的下陷形貌可知，外螺紋接頭密封臺肩面的倒角直徑明顯小于內螺紋接頭密封臺肩面的倒角直徑。經測量，內螺紋接頭密封臺肩面的有效壁厚為9.0 mm，而外螺紋接頭密封臺肩面的有效壁厚僅為4.5 mm，即內、外螺紋接頭密封臺肩面接觸時，內螺紋接頭密封臺肩面只有一半的承載面積與外螺紋接頭的密封臺肩面進行接觸。

圖1 鉆桿接頭脹扣失效部分剖面圖

2.2 化學成分分析

在鉆桿接頭上取樣進行化學成分分析，結果見表1。試驗結果表明，失效鉆桿內、外螺紋接頭的化學成分符合SY／T 5290－2000標準。

表1 失效鉆桿內、外螺紋接頭化學成分分析表 %

2.3 力學性能分析

在鉆桿內、外螺紋接頭上分別取直徑為12.5 mm、標距為50.8 mm的縱向圓棒拉伸試樣，10 mm×10 mm×55 mm的縱向和橫向V型缺口沖擊試樣，做拉伸和沖擊試驗以及硬度測試，試驗結果見表2。從表2可知，失效鉆桿內、外螺紋接頭的力學性能符合SY／T 5290－2000標準。

2.4 金相組織分析

在鉆桿接頭脹扣處取樣，觀察內部顯微組織形貌，內、外螺紋接頭組織均為回火索氏體，晶粒度為9.0級。內螺紋接頭鏜孔段內壁組織有明顯的白亮層組織和基體組織變形（圖2）。白亮層組織為二次淬火馬氏體組織[2]，白亮層的產生主要是由于在使用過程中接觸面之間的劇烈摩擦產生大量的摩擦熱，使得接觸面的溫度瞬間劇烈升高，達到相變溫度以上，高溫狀態(tài)的接觸面接觸高壓鉆井液，發(fā)生淬火，從而形成二次淬火馬氏體白亮層組織?？拷_肩端面螺紋牙的牙頂和牙側面也都有明顯的白亮層組織，外螺紋接頭密封臺肩端面也有明顯的白亮層組織和基體組織變形（圖3）。內、外螺紋接頭密封臺肩面區(qū)域的白亮層組織和基體組織變形表明，在內螺紋接頭脹扣變形失效的過程中，內、外螺紋接頭密封臺肩面之間發(fā)生過劇烈的擠壓、剪切和摩擦作用，產生了大量的摩擦熱，使得表層組織發(fā)生相變。這與前述宏觀形貌分析結果相符。

表2 失效鉆桿內、外螺紋接頭的力學性能試驗結果表

圖2 內螺紋接頭密封臺肩面內壁基體組織變形及白亮層組織圖

3 失效原因分析

3.1 鉆桿外螺紋接頭密封臺肩面倒角直徑偏小導致內螺紋接頭脹扣失效

失效鉆桿外螺紋接頭密封臺肩面的倒角直徑比內螺紋接頭密封臺肩面的倒角直徑約小9.0 mm，內螺紋接頭密封臺肩面的實際承載面積僅為整個密封臺肩面的50%。而SY／T 5290－2000標準規(guī)定，內、外螺紋接頭密封臺肩面倒角直徑的尺寸偏差為±0.4 mm。鉆桿在使用過程中，接頭處的密封是通過一定的上扣扭矩使密封臺肩面產生一定的接觸壓力來保證的。外螺紋接頭密封臺肩面的倒角直徑偏小，一方面將使內螺紋接頭密封臺肩面的有效承載面積減小，另一方面使得承載面的應力向內壁偏移。在鉆進過程中，這將使得靠近內壁承載面上的接觸壓力成倍增大。當內螺紋接頭密封臺肩面承受的接觸壓力超過材料屈服強度時，會下陷變形，外螺紋接頭密封臺肩面在大扭矩的作用下進入內螺紋接頭鏜孔段，造成內螺紋接頭脹扣失效。

圖3 外螺紋接頭密封臺肩端面基體組織變形和白亮層組織圖

3.2 扭矩過大導致鉆桿內螺紋接頭脹扣失效

正常鉆井的扭矩載荷是不足以引起鉆桿接頭脹扣損壞的，導致井下扭矩過大的原因主要是大井眼鉆井和突發(fā)的卡鉆、憋鉆事故。發(fā)生事故的井鉆進時選用的鉆頭直徑較大，達?311 mm，相應鉆桿所承受的驅動扭矩就較大。該井在鉆進過程中累計發(fā)生卡鉆和憋鉆事故5次，當發(fā)生事故時，鉆柱轉速迅速減慢，甚至停止轉動，鉆柱瞬間會產生非?？斓慕羌铀俣龋鄳@桿接頭承受的反向扭矩將會瞬間增大。扭矩的增大使得鉆桿接頭密封臺肩面所承受的接觸壓力增加，從而加速了內螺紋接頭脹扣失效的發(fā)生。

3.3 鉆柱的縱向振動加劇了鉆桿內螺紋接頭脹扣失效

該井使用的是牙輪鉆頭。當井底不平或巖性發(fā)生變化時，牙輪鉆頭將引起鉆柱縱向振動甚至跳動，這使得鉆柱密封臺肩面承受的應力瞬間增大，尤其是靠近中性點[3]部位的鉆桿接頭臺肩面，這加劇了內螺紋接頭脹扣失效。

3.4 鉆桿上扣扭矩不足導致內螺紋接頭脹扣失效

如果連接鉆桿時的上扣扭矩不足，鉆桿接頭密封臺肩面沒有足夠的接觸壓力，在鉆井過程中鉆桿接頭會因井下因素引起的上扣扭矩而自行上扣，從而使得鉆桿接頭密封臺肩面接觸壓力劇增而超過其屈服強度，最終引起塑性下陷和脹扣失效。如果鉆桿連接時上扣扭矩為標準值，當轉盤扭矩在一定范圍內增加時，密封臺肩面之間的靜摩擦力可以阻止鉆桿接頭在井下自行上扣。該井鉆桿實際上扣扭矩為49 kN·m，小于API RP 7G[4]標準推薦的上扣扭矩值51.58 kN·m。因此，可以排除鉆桿接頭是因連接上扣時扭矩過大損壞的可能性，同時也說明存在由于上扣扭矩偏小，鉆桿接頭在井下自行上扣導致內螺紋接頭脹扣失效的可能。

4 結論與建議

1）失效鉆桿內、外螺紋接頭材料性能符合SY／T 5290－2000的標準要求。

2）內螺紋接頭密封臺肩面承受的接觸壓力超過材料屈服強度，從而導致其發(fā)生下陷變形，外螺紋接頭密封臺肩面在大扭矩的作用下進入內螺紋接頭鏜孔段，進而引起內螺紋接頭脹扣失效。

3）鉆桿外螺紋接頭密封臺肩面的倒角直徑明顯小于標準要求值，使得承載面的應力明顯增大；鉆井過程中卡鉆和憋鉆事故的發(fā)生，使得鉆柱承受的扭矩瞬間增大。兩者的存在導致內螺紋接頭密封臺肩面壓應力超過材料屈服強度。

4）建議選用臺肩面符合標準的高抗扭鉆桿，嚴格按照標準要求的上扣扭矩上扣。

［1］仝德祥，馬中海，楊析，等.SY／T5290-2000石油鉆桿接頭.中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2001.

［2］王新虎，王磊，謝居良，等.一起少見的鉆桿接頭變形失效事故分析［C］//王新虎.石油管工程應用基礎研究論文集.北京：石油工業(yè)出版社，2006：470－473.

［3］李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析與預防［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999：20.

［4］美國石油學會.API RP 7G Recommended Practice for Drill Stem Design and Operating Limits［S］.北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

（編輯：盧櫟羽）

Abstract:In this study,an expansion failure of screw joint of? 127 mm S135 drilling pipe in one oil well is investigated;some failure reasons are also analyzed,including too small chamfer of sealing station’s shoulder surface of joint,too large torque of downhole drilling pipe;sustaining contact pressure of surface higher than material’s yield strength,resulting in a bogging down of surface;surface entering into the boring section of joint,resulting in a joint expansion.In addition,some suggestions to avoid similar accidents are proposed.

Key Words:screw joint,failure,expansion,chamfer

Expansion FailureAnalysison Screw Joint of 127 mm S135 Drilling Pipe

By LI Qi-fu,JIANG Xin-yue,CHEN Chang-qing,WANG Qing-lin,SUN Jia-dong and LIU Yue-lai

TE28

A

2010－04－01

2010－05－27

李齊富（1964－），助理工程師，從事鉆桿制造及失效分析工作。E－mail：bhnklqf@sina.com

1673-9035（2010）03-0041-03