?127 mm反扣鉆桿脫扣失效分析

巴魯軍，張鐵軍，王玉奎，王　軍，王　書(shū)，薛江平

(勝利油田 渤海鉆井總公司管具公司，山東 東營(yíng) 257200)①

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?127 mm反扣鉆桿脫扣失效分析

巴魯軍，張鐵軍，王玉奎，王軍，王書(shū)，薛江平

(勝利油田 渤海鉆井總公司管具公司，山東 東營(yíng) 257200)①

摘要：對(duì)某油井?127 mm反扣鉆桿因內(nèi)螺紋接頭脹扣、外螺紋接頭拉長(zhǎng)變形而導(dǎo)致鉆桿脫扣的失效事故進(jìn)行了調(diào)查。通過(guò)對(duì)鉆桿失效接頭螺紋宏觀、微觀分析，并對(duì)接頭取樣進(jìn)行了理化檢驗(yàn)、金相分析。分析結(jié)果表明：井下作業(yè)過(guò)程中，鉆桿接頭反復(fù)上扣，其螺紋部位轉(zhuǎn)矩過(guò)大，導(dǎo)致外螺紋被拉長(zhǎng)，內(nèi)徑收縮，內(nèi)螺紋脹大，其螺紋牙相互擠壓剪切，導(dǎo)致鉆桿接頭連接強(qiáng)度降低而滑脫。

關(guān)鍵詞：反扣鉆桿；脫扣；失效分析

某井設(shè)計(jì)井深1 838 m，在鉆至1 741 m時(shí)發(fā)生了卡鉆。用G級(jí)?127 mm反扣鉆桿進(jìn)行倒扣作業(yè)時(shí)，反扣鉆桿接頭因內(nèi)螺紋接頭脹扣、外螺紋接頭拉長(zhǎng)變形而導(dǎo)致脫扣。筆者對(duì)該井反扣鉆桿脫扣事故進(jìn)行了調(diào)查，并對(duì)接頭取樣進(jìn)行了理化檢驗(yàn)、金相分析，推論出造成反扣鉆桿脫扣事故的原因。

1現(xiàn)場(chǎng)情況

該井為一口水平井，設(shè)計(jì)井深1 838 m。鉆井參數(shù)為：鉆壓120 kN，轉(zhuǎn)速96 r/min，排量46 L/s，泵壓14 MPa；泥漿性能為：密度1.13 g/cm3，黏度60 s，泥餅直徑0.5 mm，含沙0.4 kg/m3，pH值9。

該井于2015-01-17開(kāi)鉆，鉆至1 741 m時(shí)發(fā)生卡鉆。加入解卡劑浸泡，隨后采用反扣鉆桿進(jìn)行倒扣作業(yè)。進(jìn)行第13趟反扣鉆桿打撈時(shí)，倒扣后發(fā)現(xiàn)懸重減少約100 kN，隨后起鉆。發(fā)現(xiàn)第97根反扣鉆桿外螺紋與下部鉆具脫開(kāi)，井下落魚(yú)約927 m，其中反扣鉆桿82根，螺桿鉆具+牙輪鉆頭+隨鉆測(cè)量?jī)x約20 m。據(jù)井隊(duì)反映，現(xiàn)場(chǎng)最大提升力約1 500 kN，在鉆桿脫落時(shí)提升力為500 kN。起鉆時(shí)液壓大鉗無(wú)法卸開(kāi)鉆桿接頭螺紋，只能用B型大鉗進(jìn)行卸扣。隨后對(duì)失效反扣鉆桿接頭進(jìn)行取樣分析。

2宏觀分析

事故鉆桿外接頭螺紋長(zhǎng)度為117 mm，從大端第3扣開(kāi)始螺紋變成扁平狀，水眼內(nèi)到端面逐漸減小至75 mm?？梢杂萌庋劭闯雎菁y變細(xì)，被拉長(zhǎng)。 事故接頭本體的硬度檢測(cè)為310～330 HB。事故接頭尺寸如表1所示。

表1　鉆桿接頭尺寸測(cè)量結(jié)果　mm

外螺紋損傷形貌如圖 1 所示，從大端第 3 扣開(kāi)始螺紋變成扁平狀，且變形方向?yàn)橛沙休d面倒向?qū)蛎妗?/p>

圖1　外螺紋損傷形貌

外螺紋臺(tái)肩面擠壓劃傷較為嚴(yán)重，外螺紋接頭外壁靠近臺(tái)肩處存在環(huán)向犁溝，犁溝的深度約為0.8 mm。

內(nèi)螺紋與打撈公接頭連接的剖面形貌如圖2所示。由圖2可知，打撈公接頭與內(nèi)螺紋僅小端 6 扣螺紋嚙合，大端螺紋存在較大間隙，可以推測(cè)內(nèi)螺紋喇叭口變形并非打撈公接頭造成的；內(nèi)螺紋后孔存在上扣痕跡，該痕跡距打撈公接頭端面約 20 mm，根據(jù)剖面圖中打撈公接頭的上扣狀態(tài)可以推測(cè)打撈公接頭的端面很難到達(dá)內(nèi)螺紋后孔。

圖2　內(nèi)螺紋接頭縱向剖開(kāi)后形貌

內(nèi)螺紋端面和鏜孔內(nèi)表面均被擠壓成斜面，與鉆桿接頭軸向成45°，二者之間的直角已被磨掉，僅剩下一條環(huán)向凸起棱。測(cè)量圖2中環(huán)向凸起棱的直徑，約為166.89 mm。

將外螺紋放入剖開(kāi)的內(nèi)螺紋錐孔中，發(fā)現(xiàn)外螺紋端面正好與內(nèi)螺紋后孔的上扣痕跡吻合，兩側(cè)螺紋的嚙合狀態(tài)如圖3所示。由圖3可知，外螺紋牙頂?shù)拿恳坏腊己劬鶎?duì)應(yīng)于內(nèi)螺紋的牙頂，均是內(nèi)螺紋牙頂擠壓所致。

圖3　螺紋的嚙合形貌

3理化檢驗(yàn)

3.1化學(xué)成分分析

在2根鉆桿接頭上取樣，用ARL-3460直讀光譜儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表 2 所示。結(jié)果表明，2根鉆桿接頭的化學(xué)成分符合 API Spec 5DP—2009 對(duì)鉆桿接頭的要求。

表2　鉆桿接頭化學(xué)成分　wB%

3.2力學(xué)性能試驗(yàn)

分別在2根鉆桿接頭上取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)采用縱向棒狀試樣，標(biāo)距內(nèi)直徑為12.5 mm，試驗(yàn)溫度為室溫。夏比沖擊試驗(yàn)采用縱向試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，壁厚方向開(kāi) V型缺口，試驗(yàn)溫度為24 ℃，結(jié)果如表 3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，2根鉆桿接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和縱向沖擊吸收功均符合 API Spec 5DP—2009 對(duì)鉆桿接頭的要求。

表3　鉆桿接頭拉伸和沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

布氏硬度試樣高度為 20 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，2根鉆桿接頭的布氏硬度值符合 API Spec 5DP—2009 的要求。

表4　鉆桿接頭布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果　HB

4金相分析

分別在2根鉆桿接頭上取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果表明該鉆桿接頭的金相組織為回火索氏體，如圖4所示。非金屬夾雜物評(píng)級(jí)及晶粒度結(jié)果如表5所示。

在外螺紋上取樣，金相顯微鏡下觀察其損傷形貌，如圖 5 所示。由圖5可知，螺紋牙上部存在白亮層，且變形流線的方向?yàn)槌休d面指向?qū)蛎妗?/p>

a　內(nèi)螺紋

b　外螺紋

類(lèi)別ABCD粗系細(xì)系粗系細(xì)系粗系細(xì)系粗系細(xì)系晶粒度內(nèi)螺紋0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)8.5級(jí)外螺紋0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)0級(jí)7.5級(jí)

圖5外螺紋白亮層形貌

5分析及討論

所送2根鉆桿接頭的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、縱向沖擊吸收功和布氏硬度值均符合 API Spec 5DP—2009 的要求，且2根鉆桿接頭的金相組織正常，晶粒度分別為內(nèi)螺紋8.5級(jí)和外螺紋7.5級(jí)，非金屬夾雜物含量正常。

分析該鉆桿接頭脫扣的原因如下：

1)內(nèi)螺紋接頭呈喇叭口狀，內(nèi)螺紋端面與打撈公接頭之間存在 9.88 mm的間隙，間隙內(nèi)填滿了干泥漿，根據(jù)這些現(xiàn)象可知內(nèi)螺紋脹大并非打撈公接頭造成的。

2)根據(jù)內(nèi)螺紋與打撈公接頭連接的剖面形貌，發(fā)現(xiàn)距打撈公接頭端面20 mm 的后孔部位存在上扣痕跡，因此推測(cè)這些上扣痕跡不是打撈公接頭造成的。

3)將粘扣外螺紋放入剖開(kāi)的內(nèi)螺紋錐孔中，發(fā)現(xiàn)外螺紋端面正好與內(nèi)螺紋后孔的上扣痕跡吻合，且外螺紋牙頂?shù)拿恳坏腊己劬鶎?duì)應(yīng)于內(nèi)螺紋的牙頂，正是內(nèi)螺紋牙頂擠壓所致。 因此推測(cè)內(nèi)螺紋后孔部位的上扣痕跡為粘扣外螺紋的端面擠壓形成的。

4)外螺紋接頭外壁靠近臺(tái)肩處存在環(huán)向犁溝，犁溝深度為0.8 mm，估計(jì)犁溝底部的直徑為168.3-0.8×2=166.7 mm(由于取樣外螺紋樣品僅是鉆桿接頭部分殘樣，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量犁溝底部直徑)。內(nèi)螺紋端面與鏜孔內(nèi)表面本來(lái)成 90°角，失效樣品的內(nèi)螺紋端面和鏜孔內(nèi)表面被擠壓成一個(gè)斜面，原來(lái)的 90°棱角僅剩下一條高度為 0.2 mm 的環(huán)向凸起棱，該環(huán)向凸起棱的直徑為 166.89 mm。由于外螺紋接頭外壁的環(huán)向犁溝直徑(166.7 mm)與內(nèi)螺紋擠壓斜面的環(huán)向凸起棱直徑(166.89 mm)相當(dāng)接近，可以推知這兩個(gè)部位在脫扣之前是接觸的，即，內(nèi)螺紋鏜孔已跨到外螺紋接頭外壁。

5)外螺紋鉆桿接頭內(nèi)徑為 75.16 mm，低于 API Spec 5DP—2009 的下限值(81.8 mm)。該失效鉆桿接頭螺紋長(zhǎng)度為 117 mm，高于 API Spec 7 要求114.3 mm。因此可以推知，外螺紋鉆桿接頭被拉長(zhǎng)，內(nèi)徑收縮。

6)現(xiàn)場(chǎng)情況反映，起鉆時(shí)液壓大鉗無(wú)法卸開(kāi)接頭螺紋，只能用 B 型大鉗進(jìn)行卸扣，這表明該反扣鉆桿在井下作業(yè)過(guò)程中承受了相當(dāng)大的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)井隊(duì)的作業(yè)情況，該反扣鉆桿經(jīng)過(guò) 13 趟打撈作業(yè)。每一趟打撈作業(yè)都會(huì)使得反扣鉆桿加大轉(zhuǎn)矩上扣。

根據(jù)以上分析，鉆桿接頭脫扣失效的過(guò)程為：井下作業(yè)過(guò)程中該鉆桿接頭反復(fù)上扣，導(dǎo)致鉆桿接頭螺紋部位轉(zhuǎn)矩過(guò)大，旋合過(guò)程中，外螺紋小端向內(nèi)螺紋后孔延伸，外螺紋臺(tái)肩受到內(nèi)螺紋端面的限制，未能隨小端一起延伸，導(dǎo)致外螺紋拉長(zhǎng)，內(nèi)徑縮??；繼續(xù)加大轉(zhuǎn)矩，外螺紋小端到達(dá)內(nèi)螺紋后孔，此時(shí)，外螺紋臺(tái)肩和內(nèi)螺紋端面的應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度，外螺紋臺(tái)肩發(fā)生塑形變形，垂直于軸向的臺(tái)肩面變成斜面，內(nèi)螺紋端面在傾斜的臺(tái)肩面的楔入作用下被脹大；繼續(xù)加大轉(zhuǎn)矩，內(nèi)螺紋的鏜孔直徑被擴(kuò)徑到接近接頭外徑時(shí)，其端面與鏜孔內(nèi)表面的棱角切入外螺紋接頭。 外螺紋被拉長(zhǎng)，螺距增大，內(nèi)螺紋被壓縮，螺距減小，兩者差距越大，干涉越嚴(yán)重，其承載面承受的擠壓力越大，當(dāng)螺紋局部應(yīng)力達(dá)到其屈服強(qiáng)度時(shí)，外螺紋牙頂被擠壓剪切掉，導(dǎo)致鉆桿接頭連接強(qiáng)度降低而滑脫。

6結(jié)論

1)反扣鉆桿接頭的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、縱向沖擊吸收功和布氏硬度值均符合 API Spec 5DP—2009 的要求，金相組織正常，非金屬夾雜物含量正常。

2)反扣鉆桿接頭脫扣的主要原因是井下作業(yè)過(guò)程中，鉆桿接頭反復(fù)上扣，其螺紋部位轉(zhuǎn)矩過(guò)大，導(dǎo)致外螺紋被拉長(zhǎng)，內(nèi)徑收縮，內(nèi)螺紋脹大，其螺紋牙相互擠壓剪切，導(dǎo)致鉆桿接頭連接強(qiáng)度降低而滑脫。

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Analysis on ?127 mm Left-hand Drill Pipe Box Connection Thread Deformation Failure

BA Lujun，ZHANG Tiejun，WANG Yukui，WANG Jun，WANG Shu，XUE Jiangping

(TubularandToolsCompanyofBohaiDrillingCorporation，ShengliOilfield，Dongying257200，China)

Abstract：In an oil Wells，A ?127 mm left-hand drilling pipes accident was investigated for the reason of left-hand drilling pin/box connection thread deformation and lead to the failure of drill pipe tripping accidents.Through analyzing the macro/micro drill pipe failure joint thread，and the joint sampling for the physical and chemical inspection and analysis of metallographic.Analysis results show that，during the downhole operation process，the tool joint buckled repeatedly，the thread parts，excessive torque caused pin elongated，diameter shrinkage，internal thread swell，and the thread mutual extrusion shear，results in the decrease of strength of drill pipe joint connection and slippage.

Keywords：left-hand drilling pipe；tripping；analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.015

作者簡(jiǎn)介：巴魯軍(1964-)，男，山東東營(yíng)人，高級(jí)工程師，主要從事石油鉆具技術(shù)管理工作，E-mail：13505467938@163.com。

收稿日期：①2015-10-26

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0066-04