雙臺肩鉆桿接頭刺漏原因分析

龔丹梅，余世杰，2，袁鵬斌，2，帥亞民，高連新

(1.上海海隆石油管材研究所，上海 200949;2.西南石油大學(xué)，成都 610500;3.上海海隆石油鉆具有限公司，上海 200949;4.華東理工大學(xué)，上海 200237)

0 引言

油氣井鉆探開發(fā)過程中所使用的鉆桿接頭一般按照美國石油學(xué)會(API)制定的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制造，稱為API鉆桿接頭。隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，對鉆桿接頭提出的性能要求越來越高。為了滿足鉆探技術(shù)的需要，國內(nèi)外一些鉆具生產(chǎn)廠家相繼研發(fā)生產(chǎn)雙臺肩鉆桿接頭，其結(jié)構(gòu)主要是在API接頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上合理增加一個內(nèi)臺肩，達(dá)到大幅度提高接頭抗扭強度及綜合性能的效果［1－4］。此類高抗扭、超高抗扭雙臺肩鉆桿接頭螺紋的抗扭強度比API單臺肩接頭螺紋抗扭強度可提高50%以上，在深井、大位移定向井、小井眼井的鉆探中得到廣泛應(yīng)用。雙臺肩鉆桿接頭的主要失效形式為螺紋疲勞開裂、螺紋粘扣、斷裂等，對此類非API鉆桿接頭的失效進(jìn)行分析，具有規(guī)范使用操作或改善接頭結(jié)構(gòu)性能的指導(dǎo)意義。近期，某井在鉆井過程中發(fā)生兩起鉆桿雙臺肩鉆桿接頭刺漏失效事故，刺漏位置為公接頭螺紋區(qū)域。為查明接頭刺漏失效原因，為雙臺肩鉆桿接頭的正確使用或改進(jìn)提供依據(jù)，筆者對其中一支刺漏的公接頭進(jìn)行了失效分析。

1 失效概況

某直井四開鉆進(jìn)至5387 m發(fā)現(xiàn)泵壓持續(xù)下降，檢查地面管匯無異常后，起鉆檢查，發(fā)現(xiàn)井深3111 m處鉆桿外螺紋接頭刺漏。刺漏位置為螺紋大端起第11牙，距副臺肩約為40mm。隨后重新下鉆鉆進(jìn)至井深約5420 m處，又發(fā)現(xiàn)1根鉆桿外螺紋接頭刺漏，刺漏位置為螺紋大端第2牙。該井四開鉆具組合為149.2mmPDC+雙母接頭+回壓凡爾+φ120.6mm 無磁鉆挺 +φ120.6mm鉆挺×1根+φ148mm扶正器+φ120.6mm鉆挺×22根 +φ88.9mm 鉆桿 +311×DS410轉(zhuǎn)換接頭+DSφ127mmS135斜坡鉆桿。正常鉆進(jìn)時鉆井參數(shù)為:鉆壓 50 kN，轉(zhuǎn)速 70 r/min，泵壓 18 MPa，扭矩7 kN·m。鉆井液類型為聚磺鉆井液，泥漿性能參數(shù)為:密度1.28 g/cm3，粘度38mm2/s，pH值為11。刺漏鉆桿接頭入井時上扣扭矩約為2 kN·m。

刺漏的雙臺肩接頭鉆桿，接頭外徑為168.3mm，內(nèi)徑為85.7mm，螺紋類型為 DS50，材料牌號為37CrMnMo。本研究取螺紋大端第11牙處刺漏的外螺紋接頭進(jìn)行了失效分析。

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 宏觀分析及尺寸測量

刺漏鉆桿外螺紋接頭形貌如圖1所示，螺紋局部鍍銅仍清晰可見。刺孔起源于距外螺紋接頭副臺肩約40mm處(從主大端數(shù)第11牙)，靠近刺孔處螺紋牙沖蝕區(qū)域較窄但沖蝕坑較深，越往接頭主臺肩面方向沖蝕面積加大，接頭主臺肩面也受到嚴(yán)重沖蝕。該接頭螺紋整體沖蝕方向與軸向約呈45°角，其走向與螺紋旋向相同。刺孔軸向?qū)挾燃s11mm，周向長度約35mm;主臺肩面沖蝕區(qū)周向長度約550mm，沖蝕最深處約3.5mm。該外螺紋接頭副臺肩面也存在一處沖蝕區(qū)域，該沖蝕區(qū)由外壁向內(nèi)壁呈扇形分布，扇柄對應(yīng)的外壁鍍銅層已經(jīng)沖蝕磨損(圖2)。經(jīng)磁粉檢測發(fā)現(xiàn)，刺孔附近第9、10、13牙螺紋牙底均存在裂紋，裂紋位置及方向如圖3所示。

圖1 刺漏接頭形貌Fig.1 Morphology of the joint

圖2 接頭副臺肩面沖蝕痕跡Fig.2 Washout trace on secondary shoulder

圖3 刺孔附近裂紋示意圖Fig.3 Sketch of cracks position

該接頭內(nèi)壁整體形貌如圖4所示，刺孔區(qū)域的內(nèi)壁涂層大部分已經(jīng)脫落，局部涂層也已經(jīng)起泡，但是其它地方涂層還很完整，無明顯損傷。可以推斷，該接頭螺紋由于刺漏導(dǎo)致水氣進(jìn)入涂層與鋼基體之間的縫隙，引起周圍涂層起泡脫落。

對該失效外螺紋接頭進(jìn)行尺寸測量，外徑約168.1mm，內(nèi)徑約 85.5mm。

圖4 接頭內(nèi)壁形貌Fig.4 Inside wall morphology of joint

將刺孔處沿螺紋方向機械壓開觀察，刺孔處從內(nèi)壁向外已經(jīng)沖蝕成多條溝壑，打開的裂紋面比較光滑，原始形貌大部分已被沖蝕，局部存在一些銹跡(圖5)。在斷面上仍可見多個由螺紋牙底向內(nèi)擴展的扇形面，也可看到多條裂紋擴展交匯形成的由外向內(nèi)的放射狀臺階，斷口靠近內(nèi)壁處還觀察到與軸向約呈45°的剪切唇形貌。斷口特征表明，外螺紋接頭刺漏為起源于螺紋牙底的疲勞裂紋。

圖5 刺孔機械打開的斷口形貌Fig.5 Morphology of man－ made fracture

2.2 化學(xué)成分分析

在該接頭刺孔附近螺紋部位取樣，用直讀光譜儀按照ASTM E415—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分分析，該刺漏接頭化學(xué)成分符合API Spec 5DP標(biāo)準(zhǔn)［5］要求(表 1)。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Test results of chemical composition(mass fraction/%)

2.3 拉伸及硬度試驗

在接頭裂紋未穿透處取規(guī)格為φ12.5mm的圓棒拉伸試樣，按照ASTM A370—2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，該接頭屈服強度、抗拉強度、延伸率等均符合API Spec 5DP標(biāo)準(zhǔn)要求(表2)。

表2 拉伸試驗結(jié)果Table 2 Tensile test results

根據(jù)ASTM E10—2010標(biāo)準(zhǔn)，在外螺紋接頭螺紋部位取樣進(jìn)行布氏硬度試驗，結(jié)果分別為HBW 292、292、297，該接頭螺紋布氏硬度試驗結(jié)果符合 API Spec 5DP標(biāo)準(zhǔn)要求(HBW 285～341)。

2.4 夏比沖擊試驗

在該接頭刺孔附近沿縱向取夏比V型缺口沖擊試樣，規(guī)格為10mm×10mm×55mm，在室溫下按ASTM E23—2007ae1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊試驗，結(jié)果表明，該接頭螺紋部位沖擊韌性符合API Spec 5DP標(biāo)準(zhǔn)要求(表3)。

表3 沖擊試驗結(jié)果Table 3 Test result of impact energy J·cm －2

2.5 金相分析

在刺孔附近第9、10、13牙螺紋位置分別取金相試樣(圖6)。第9、10牙裂紋主要分布在螺紋牙底承載面?zhèn)?，裂紋開口至尖端呈由寬到窄的形式，整體走向平直，與承載面約呈90°。其中第9牙裂紋徑向深度約為5.1mm，第10牙裂紋徑向深度約為6.2mm。在第9牙螺紋牙底還發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋，其走向與牙底垂直，裂紋徑向深度約為1.2mm。第13牙處裂紋起源于螺紋牙底，與刺孔相距約一個螺距，裂紋細(xì)長，走向平直，開口至尖端呈由寬到窄的形貌，其徑向深度約為4.1mm(圖7)。

刺孔附近金相組織為回火索氏體，夾雜物評級為 A1.0，B1.0，D1.0，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 金相試樣Fig.6 Metallographic specimens

圖7 第13牙牙底裂紋形貌Fig.7 Morphology of crack on the 13ththread bottom

2.6 斷口微觀分析

將刺孔附近第10牙螺紋牙底裂紋機械壓開，清洗后在掃描電子顯微鏡下觀察斷口形貌。裂紋面較為平坦，鉆井液從裂紋開口處滲入引起裂紋面大部分銹蝕，在裂紋面擴展前沿區(qū)域可觀察到稀疏的疲勞條帶，其方向與裂紋擴展方向垂直(圖8)。這說明刺孔附近螺紋牙底裂紋為疲勞裂紋。

3 雙臺肩接頭螺紋受力情況分析

鉆桿在直井中位于中和點以上部分，鉆井作業(yè)時主要受到拉扭復(fù)合載荷作用，在鉆壓作用下還會產(chǎn)生較小的彎曲載荷。該雙臺肩鉆桿接頭在API標(biāo)準(zhǔn)NC50接頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了1個副臺肩，接頭其它尺寸參數(shù)基本與API NC50接頭相同。雙臺肩鉆桿接頭的抗扭強度計算公式［6］為

其中:T為接頭的抗扭強度;S為軸向應(yīng)力，psi;AL為外螺紋大端處的橫截面積，in2;RS為內(nèi)螺紋接頭臺肩平均半徑，in;AN為副臺肩接觸面面積，in2;RT為螺紋平均半徑，in;p為螺距，in;f為摩擦系數(shù)，取為0.08;RN為副臺肩接觸面中徑，in2;θ為螺紋坡口角度的一半，deg。

圖8 裂紋面擴展前沿疲勞條帶形貌Fig.8 Morphology of striations in the front of crack extension

將該雙臺肩鉆桿接頭的相關(guān)尺寸代入式(1)中，計算得出接頭屈服扭矩約為91.1 kN·m，推薦的上扣扭矩一般按接頭屈服扭矩的60%計算，上扣扭矩約為54.66 kN·m。

采用二維軸對稱有限元模型對該雙臺肩鉆桿接頭的受力情況進(jìn)行分析，模擬時采用的上扣扭矩為54.66 kN·m，施加的軸向拉伸載荷取S135鉆桿管體屈服載荷約3162 kN。該接頭螺紋在上扣扭矩和軸向拉伸載荷共同作用下外螺紋接頭大端的第1、2牙和小端第1牙承擔(dān)了大部分載荷，而中間段螺紋牙僅承擔(dān)了一小部分載荷(圖9)。

圖9 雙臺肩接頭在上扣扭矩和拉伸載荷作用下的應(yīng)力分布圖Fig.9 Stress distribution of double shoulder drill rod joint under make－up torque and tension load

該接頭刺穿位置距離副臺肩第5～6牙，距離主臺肩10～11牙，為應(yīng)力明顯小的區(qū)域，在正常使用情況下該區(qū)域不會首先發(fā)生疲勞開裂。

4 綜合分析

接頭的刺漏屬于泥漿沖蝕，為接頭臺肩面由于材料缺陷、螺紋參數(shù)不匹配等原因而失去密封能力，內(nèi)部高壓泥漿向外環(huán)空低壓處流動的過程中，由于高壓泥漿的沖擊載荷和腐蝕作用，接頭螺紋上的金屬發(fā)生流失、變形的失效現(xiàn)象［7－8］。試驗結(jié)果表明:接頭螺紋牙底的疲勞裂紋導(dǎo)致接頭刺穿。失效鉆桿純鉆時間約為1282 h，以平均轉(zhuǎn)速60 r/min計算，服役了約4.6×106周次。該鉆桿使用時間較短就發(fā)生疲勞裂紋刺穿，說明其失效形式屬于早期疲勞失效，下面對鉆桿接頭早期疲勞失效的原因進(jìn)行分析。

4.1 材料性能的影響

該鉆桿接頭化學(xué)成分、力學(xué)性能等均符合API Spec 5DP標(biāo)準(zhǔn)。雖然鉆桿接頭疲勞裂紋穿透壁厚之后發(fā)生刺穿，但未斷裂，說明其接頭材料性能良好，滿足鉆桿“先刺后斷”的設(shè)計要求。因此，鉆桿接頭早期疲勞裂紋與材料性能關(guān)系不大。

4.2 螺紋參數(shù)的影響

如果鉆桿接頭內(nèi)外螺紋錐度、螺距等參數(shù)超差，會引起螺紋連接配合不佳、密封臺肩面配合不到位，從而導(dǎo)致螺紋粘扣，使得密封臺肩面失效，也會引起接頭刺漏。該接頭并沒有發(fā)生粘扣，由此推斷，該內(nèi)外螺紋接頭螺紋匹配良好，螺紋參數(shù)對接頭早期疲勞裂紋影響不大。

4.3 上扣扭矩影響

雙臺肩鉆桿接頭設(shè)計有主臺肩和副臺肩，主臺肩起主要的密封作用和主扭矩臺肩的作用，當(dāng)鉆桿承受的扭矩足夠大時，副臺肩起輔助密封和輔助扭矩臺肩的作用。雙臺肩接頭的密封性能和抗扭能力最終要通過上扣扭矩來保證。有限元分析結(jié)果表明，在正常上扣扭矩和軸向拉伸載荷作用下，主要是接頭螺紋大端的第1、2牙和小端第1牙承擔(dān)載荷，而刺漏位置為距副臺肩第5～6牙，并非其應(yīng)力集中區(qū)域。由此推斷該接頭刺漏可能由于上扣扭矩不足導(dǎo)致。

如果上扣扭矩低于推薦的上扣扭矩，將會產(chǎn)生兩方面的影響:其一，導(dǎo)致內(nèi)外螺紋接頭主臺肩面沒有足夠的接觸面壓，在鉆井過程中受到拉伸、彎曲等載荷時，內(nèi)外螺紋接頭的主臺肩面接觸面壓下降，接頭密封性能容易失效;其二，導(dǎo)致螺紋之間松配合，使接頭應(yīng)力集中區(qū)向小端截面積小的位置轉(zhuǎn)移，最終使接頭承載能力降低、疲勞強度下降，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。根據(jù)記錄，該接頭入井時上扣扭矩約為20 kN·m(可能為操作不當(dāng)引起)，而DS50雙臺肩鉆桿接頭推薦的上扣扭矩約為42.8～59.5 kN·m。實際上扣扭矩還不到推薦的最小上扣扭矩一半，內(nèi)外螺紋接頭處于非正常的松配合狀態(tài)，很容易使外螺紋接頭產(chǎn)生早期疲勞裂紋。

當(dāng)疲勞裂紋穿透外螺紋接頭壁厚，內(nèi)外螺紋接頭之間的配合應(yīng)力會發(fā)生松弛，主臺肩接觸壓力會降低，密封性能降低。鉆柱內(nèi)的高壓鉆井液首先從裂紋位置到內(nèi)外螺紋之間的螺旋通道，并從主臺肩位置泄漏;隨著泄漏通道逐漸增大，內(nèi)外螺紋接頭之間的配合間隙增大，鉆井液同時也沿副臺肩位置流出(圖10)。

圖10 接頭刺漏鉆井液流動示意圖Fig.10 Sketch of drilling fluid flow

綜上所述，鉆桿接頭發(fā)生刺漏的原因是接頭上扣扭矩不足，導(dǎo)致螺紋之間松配合，使接頭承載能力降低，產(chǎn)生了早期疲勞裂紋。

5 結(jié)論與建議

1)鉆桿接頭化學(xué)成分、力學(xué)性能等均符合API Spec 5DP標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)鉆桿接頭發(fā)生刺漏的原因是接頭上扣扭矩不足，導(dǎo)致螺紋之間松配合，使接頭承載能力降低，產(chǎn)生了早期疲勞裂紋。

3)建議按照推薦的上扣扭矩進(jìn)行上扣。

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