鉆鋌內(nèi)螺紋接頭斷裂原因分析

趙 江，趙映輝，張鳳娟，李平全，佟 琳，薛 燕

(1.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710065;2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065)

0 引言

鉆鋌的失效形式主要表現(xiàn)為疲勞斷裂和腐蝕疲勞斷裂。如石油管材研究所對(duì)近幾年鉆鋌失效案例的統(tǒng)計(jì)分析表明，有80%以上失效屬于疲勞或與疲勞相關(guān)的失效，其中絕大部分發(fā)生在鉆鋌的螺紋連接處。川東地區(qū)1996～1997年共發(fā)生了303起鉆鋌失效事故，其中發(fā)生在螺紋處的有238起，占總數(shù)的78.5%;大慶油田鉆鋌損壞占鉆具失效總數(shù)的88.4%，鉆鋌損壞部位基本上都位于鉆鋌螺紋連接處。

某油田發(fā)生了一起鉆鋌斷裂失效事故，亦斷于螺紋根部處，對(duì)油田造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，由于鉆鋌為多發(fā)性故障，從多角度對(duì)鉆鋌失效原因進(jìn)行分析，可為今后的油田生產(chǎn)提供指導(dǎo)。本研究從斷口、裂紋、力學(xué)性能、強(qiáng)度校核等方面對(duì)失效鉆鋌進(jìn)行分析，以確定其失效原因并提出改進(jìn)措施。該失效鉆鋌的規(guī)格:外徑為 φ152.4mm，內(nèi)徑為 φ71.4mm，螺紋型號(hào)為NC44－60。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

圖1為失效鉆鋌的斷口宏觀形貌。斷裂鉆鋌內(nèi)螺紋接頭的剩余螺紋長(zhǎng)為65～85mm，距內(nèi)螺紋接頭小端剩余10～13扣。整個(gè)斷面呈階梯狀分布，斷面上存在兩個(gè)較大的平坦區(qū)，分別占整個(gè)斷面的2/5和1/5。斷口的平坦區(qū)有泥漿沖刷痕跡，從流體沖刷方向可以判斷，均為從螺紋根部向外發(fā)生了刺漏，即由內(nèi)壁朝外壁發(fā)生刺穿失效。

仔細(xì)觀察斷口附近的螺紋牙根部，可見較大平坦區(qū)下方第一扣、第二扣螺紋根部存在多條裂紋，螺紋根部放大形貌見圖1b。將圖中第二扣螺紋根部的裂紋人工打開，裂紋剖面的形貌見圖2。該裂紋斷面較光滑，可以觀察到明顯的棘輪花樣和疲勞擴(kuò)展弧線［1］。在螺紋根部附近觀察到許多小臺(tái)階，這是由于螺紋根部存在多個(gè)裂紋源向外壁擴(kuò)展，擴(kuò)展至一定長(zhǎng)度后相遇所形成，即棘輪花樣，說明該斷面具有多源疲勞特征。

圖1 主斷口宏觀形貌Fig.1 Macro－morphology of main fracture

圖2 斷面下面第二扣裂紋打開后形貌Fig.2 Morphology of second thread crack below fracture surface

將斷口沿軸向剖開后，其形貌見圖3，螺紋牙承載面變形嚴(yán)重，均朝井口側(cè)產(chǎn)生拉伸變形，導(dǎo)向側(cè)無明顯變形。鉆鋌屬于底部鉆具，鉆井過程中應(yīng)承受壓縮載荷，分析認(rèn)為失效鉆鋌承載面朝井口側(cè)產(chǎn)生拉伸變形是因?yàn)樯峡叟ぞ剡^大或在鉆井過程中發(fā)生二次上扣產(chǎn)生的。

圖3 螺紋牙變形形貌Fig.3 Appearance of thread tooth deformation

1.2 金相分析

距離斷口往下第二扣的螺紋根部裂紋的金相形貌見圖4，裂紋長(zhǎng)度約10mm，裂紋平直，無分叉，均由螺紋根部朝外壁方向穿晶擴(kuò)展，為典型的疲勞裂紋形貌，裂紋的起源處及裂紋中部可見腐蝕痕跡，裂紋尖端無明顯腐蝕現(xiàn)象。

圖4 斷面下面第二扣螺紋根部裂紋金相形貌Fig.4 Metallurgical morphology of crack at second thread root below fracture surface

1.3 斷口微觀觀察及其能譜分析

對(duì)圖2的裂紋斷面進(jìn)行SEM形貌觀察和EDS能譜分析。SEM形貌見圖5，在該裂紋斷面的疲勞擴(kuò)展區(qū)觀察到間距約1～2 μm的疲勞條帶。該裂紋斷面的螺紋根部2mm的范圍內(nèi)布滿了腐蝕坑，腐蝕坑大小為0.2mm左右，這與圖4中裂紋根部及其中部存在腐蝕現(xiàn)象是一致的。

對(duì)裂紋斷面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS能譜分析，試驗(yàn)結(jié)果見表 1，腐蝕產(chǎn)物中含 C、O、Si、Cr、Mn、Fe等元素，其中裂紋斷面上O元素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)高達(dá)22.14%，說明鉆井液中O含量較高，具 有一定的腐蝕性，加速了鉆鋌接頭的疲勞失效。

圖5 裂紋斷面SEM形貌Fig.5 SEM morphology of crack surface

表1 裂紋面的腐蝕產(chǎn)物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical composition of corrosion product(mass fraction/%)

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

按照API Spec7－1［4］規(guī)定從鉆鋌內(nèi)螺紋接頭上取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明:材料的抗拉強(qiáng)度為935 MPa，略低于規(guī)定最小值965 MPa;而硬度值為261 HBW，亦略低于規(guī)定的最小值285 HBW。

1.5 鉆鋌彎曲強(qiáng)度比計(jì)算

彎曲強(qiáng)度比 BSR［5－6］是鉆鋌接頭匹配后，內(nèi)螺紋截面模量與外螺紋截面模量的比值。高BSR加速外螺紋接頭疲勞失效，低BSR加速內(nèi)螺紋接頭疲勞失效，因此，對(duì)該鉆鋌的彎曲強(qiáng)度比進(jìn)行計(jì)算:

查API Spec7－2得出:C=4.417;tp=2;Lp=4.5;H=0.216;frn=0.038。檢測(cè)該鉆鋌內(nèi)螺紋接頭外徑 D=152.6mm，內(nèi)徑 d=72.3mm。

將檢測(cè)數(shù)值及其查閱數(shù)據(jù)代入上述公式，計(jì)算出BSR=((D4－b4)/D)/((R4－d4)/R)=2.55＜2.84。該值小于 API SPEC 7－1中的彎曲強(qiáng)度比值2.84。低BSR加速了內(nèi)螺紋接頭發(fā)生疲勞失效。

2 分析與討論

國(guó)內(nèi)外許多研究結(jié)果均表明［7］，鉆鋌在旋轉(zhuǎn)鉆井的過程中受力情況非常復(fù)雜，易發(fā)生疲勞失效，而鉆鋌接頭為薄弱環(huán)節(jié)，比鉆鋌管體更易發(fā)生疲勞失效，這是因?yàn)殂@鋌管體的剛性比接頭大，而螺紋根部的應(yīng)力集中均加重了鉆鋌接頭發(fā)生疲勞失效的可能。

斷口的宏觀及微觀分析結(jié)果表明，該鉆鋌的失效形式為疲勞斷裂失效，疲勞裂紋起源于內(nèi)螺紋根部，裂紋在交變應(yīng)力的作用下由內(nèi)朝外擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至整個(gè)壁厚后，泥漿由內(nèi)向外發(fā)生刺穿，當(dāng)剩余截面不足以承受整個(gè)鉆柱重量時(shí)，則發(fā)生斷裂失效。判斷其發(fā)生疲勞斷裂失效的原因認(rèn)為主要由以下幾點(diǎn)造成:

1)上扣扭矩過大或鉆井過程中產(chǎn)生二次上扣，該鉆鋌的螺紋牙側(cè)宏觀形貌表明，導(dǎo)向側(cè)無明顯變形，螺紋承載面均朝井口側(cè)發(fā)生了拉伸變形，螺紋牙根部應(yīng)力集中增大，從而導(dǎo)致疲勞裂紋源萌生。

2)材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，該失效鉆鋌的抗拉強(qiáng)度和硬度值均偏低?？估瓘?qiáng)度和硬度值偏低，鉆鋌的疲勞強(qiáng)度也會(huì)偏低。

3)計(jì)算得出失效鉆鋌接頭的彎曲強(qiáng)度比BSR值為2.55，低于規(guī)范規(guī)定的2.84，低 BSR 加速了內(nèi)螺紋接頭發(fā)生疲勞失效。

4)斷口上腐蝕產(chǎn)物中O含量較高，說明鉆井液中的O含量較高，加速了鉆鋌接頭的疲勞失效。

3 改進(jìn)措施

1)按照標(biāo)準(zhǔn)DS－1TM“鉆柱設(shè)計(jì)和操作”推薦的上扣扭矩值進(jìn)行上扣;

2)對(duì)鉆井液進(jìn)行充分的除氧處理。降低鉆井液的腐蝕性，從而提高鉆具使用的疲勞壽命;

3)優(yōu)化鉆鋌材料的熱處理制度，從而獲得鉆鋌材料所需要的強(qiáng)度和硬度值，滿足鉆鋌材料的抗疲勞性能要求;

4)采用合理的彎曲強(qiáng)度比，使鉆鋌的內(nèi)外螺紋接頭具有良好的匹配性。

采取以上措施后，鉆鋌的斷裂失效得到了有效預(yù)防。

4 結(jié)論

1)鉆鋌的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂;

2)鉆鋌的斷裂原因主要是鉆鋌上扣扭矩過大或者鉆井過程中二次上扣造成的，抗拉強(qiáng)度、硬度值偏低，低BSR值，鉆井液中O含量較高，均加速了該鉆鋌接頭發(fā)生疲勞破壞。

［1］楊自林，游華江，蹇宗承.鉆具失效事故的原因分析及對(duì)策［J］.天然氣工業(yè)，2000，20(3):57－60.

［2］石德勤，翟洪軍，黃林棟，等.大慶油田深井鉆具失效原因與預(yù)防［J］.石油鉆探技術(shù)，1993，21(4):21－23.

［3］胡世炎.機(jī)械失效分析手冊(cè)［M］.成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社，1998:25－30.

［4］API Spec7－1旋轉(zhuǎn)鉆柱構(gòu)件規(guī)范［S］.美國(guó):美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，2006.

［5］API Spec7－2旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩式螺紋連接的加工和測(cè)量規(guī)范［S］.美國(guó):美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，2008.

［6］DS－1TM.鉆柱設(shè)計(jì)和操作［S］.3版.西安:西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室，2009.

［7］李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預(yù)防［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1999:78.