鉆桿失效分析與質(zhì)量控制探討

秦長毅，蔣家華，蔣存民，張震寧

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077;2.江蘇曙光集團(tuán)股份有限公司,曙光雙創(chuàng)團(tuán)隊 江蘇 泰州 225300)

·綜 述·

鉆桿失效分析與質(zhì)量控制探討

秦長毅1，蔣家華2，蔣存民2，張震寧2

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077;2.江蘇曙光集團(tuán)股份有限公司,曙光雙創(chuàng)團(tuán)隊 江蘇 泰州 225300)

新鉆井技術(shù)的應(yīng)用及嚴(yán)苛工況油氣田的勘探開發(fā)，促進(jìn)了高性能鉆桿的研究開發(fā)，也使得生產(chǎn)廠及油氣田越來越重視鉆桿的質(zhì)量性能。然而近年來鉆桿失效案例仍屢見不鮮，這對鉆桿質(zhì)量控制提出了更高的要求。通過總結(jié)分析引起鉆桿失效的主要影響因素，提出質(zhì)量控制建議，以提升鉆桿的質(zhì)量可靠性，減少甚至消除鉆桿失效事故。同時，針對高性能鉆桿的更為嚴(yán)格的質(zhì)量控制需求，提出全過程質(zhì)量控制手段加全尺寸實(shí)物性能檢測的質(zhì)量保證方式。本研究對于進(jìn)一步提升油氣田用鉆桿的質(zhì)量安全，以及對油氣勘探開發(fā)事業(yè)的發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)及社會意義。

鉆桿；失效分析；高性能鉆桿；嚴(yán)苛工況；質(zhì)量控制

0 引 言

石油專用管材包括油管、套管和鉆桿三類產(chǎn)品，其中鉆桿產(chǎn)品是油氣勘探開發(fā)及生產(chǎn)過程中的一種重要工具，是鉆柱組合中的重要組成部分，位于整個鉆柱的上部，占整個鉆柱長度的80%～90%。近年來，隨著石油、天然氣需求的不斷增長，淺層油氣資源的儲量急劇下降。因此，西部油氣田勘探開發(fā)力度加大，深井、超深井、高含CO2和H2S的酸性氣田的數(shù)量急劇增加。這種工況條件使鉆柱的工作環(huán)境變得更加苛刻，導(dǎo)致鉆柱的失效數(shù)量增加，而鉆桿也是失效事故的多發(fā)點(diǎn)，這將嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，造成財產(chǎn)和人員安全的重大損失。因此，開展高性能鉆機(jī)及鉆探用管的開發(fā)力度，加強(qiáng)鉆桿失效分析及質(zhì)量控制，控制鉆桿產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性是保障油氣田安全可靠生產(chǎn)的關(guān)鍵，也是全面促進(jìn)高性能鉆桿質(zhì)量提升的有效手段。

1 鉆桿失效情況分析

鉆桿在井下受力比較復(fù)雜，常處于復(fù)合載荷作用，而且在鉆進(jìn)過程中由于鉆桿與井壁發(fā)生摩擦碰撞，使得鉆桿成為整個鉆柱最薄弱環(huán)節(jié)。鉆桿失效，不但會影響工程進(jìn)度，甚至導(dǎo)致全井報廢，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

鉆桿的失效形式主要有鉆桿螺紋失效和鉆桿本體失效兩大類。鉆桿螺紋失效常見的有內(nèi)螺紋接頭漲螺紋、內(nèi)螺紋接頭開裂、螺紋粘結(jié)、刺漏等、以及鉆桿本體刺漏、斷裂等。失效原因主要分為腐蝕環(huán)境因素、使用因素(不規(guī)范的操作、不能科學(xué)使用螺紋密封脂、使用過程中保管不當(dāng)?shù)?、制造因素(質(zhì)量控制不嚴(yán)格)和設(shè)計因素(未依據(jù)鉆井工藝工況及時調(diào)整鉆柱組合)四大類[1-6]。

石油管工程技術(shù)研究院王新虎等人[7]開展了材料性能對鉆桿腐蝕疲勞壽命影響的試驗(yàn)研究，對多種材料進(jìn)行腐蝕疲勞壽命對比試驗(yàn)，結(jié)果表明成份偏析是腐蝕疲勞壽命減少的主要原因，同時提出通過低倍組織酸蝕檢驗(yàn)的低成本方法，能夠評判鉆桿材料性能好壞。李方坡等[8]針對某油田Φ139.7 mm鉆桿內(nèi)螺紋接頭縱向開裂失效原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明由于內(nèi)外旋合螺紋之間發(fā)生劇烈的摩擦作用導(dǎo)致內(nèi)螺紋牙頂形成馬氏體，裂紋從馬氏體內(nèi)萌生，而且由于材料的橫向沖擊功明顯小于縱向沖擊功，裂紋沿縱向脆性擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鉆桿接頭發(fā)生縱向開裂失效，同時指出可通過加強(qiáng)現(xiàn)場操作管理，嚴(yán)格控制上扣扭矩，并均勻涂好螺紋脂，并及時更換螺紋參數(shù)出現(xiàn)超差的鉆桿，有望避免螺紋旋合面之間發(fā)生劇烈摩擦形成馬氏體。同時，生產(chǎn)廠家改善熱加工工藝，提高鉆桿接頭材料的橫向沖擊功，可減少此類失效。鉆桿制造因素是鉆桿失效的另一個主要原因[9-11]。李方坡等[12]總結(jié)了鉆柱的主要失效原因，認(rèn)為其中制造因素引起的鉆柱失效約占失效總數(shù)的35%，引起鉆柱失效的主要制造因素包括非金屬夾雜、折皺、表面脫碳、沖擊功偏低、螺紋參數(shù)干涉、螺紋牙型加工缺陷、應(yīng)力減輕槽加工缺陷、臺肩倒角加工缺陷、耐磨帶堆焊不當(dāng)?shù)?，鉆柱制造過程中形成的缺陷通過形成應(yīng)力集中或降低疲勞裂紋萌生壽命，降低材料的服役抗力，誘發(fā)鉆柱的早期失效。文獻(xiàn)[13]采用力學(xué)試驗(yàn)、化學(xué)分析、金相、掃描電鏡、能譜分析等手段并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對刺穿鉆桿進(jìn)行了失效分析。結(jié)果表明，由空氣鉆井改用泥漿鉆井時，由于只改變了鉆井方式和鉆頭, 未改變鉆具組合而導(dǎo)致鉆具與井壁之間的間隙過大, 從而導(dǎo)致鉆桿的疲勞斷裂。

以上文獻(xiàn)分析表明，鉆桿失效主要是由腐蝕環(huán)境因素、使用因素、制造因素和設(shè)計因素等造成的，但又不單純由某一種因素造成的，往往是多種原因相互作用的結(jié)果。因此，在鉆桿制造、使用過程中加強(qiáng)質(zhì)量控制，減少甚至消除鉆桿失效事故是確保鉆桿在鉆井過程中安全運(yùn)行的有效措施。

2 加強(qiáng)質(zhì)量控制確保鉆桿質(zhì)量

隨著水平井、深井、超深井、大位移井等鉆井技術(shù)在油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用，除了API標(biāo)準(zhǔn)鉆桿，大量的非API鉆桿也在油氣田大規(guī)模應(yīng)用，如渤海能克、格蘭特、V&M、海隆集團(tuán)等重點(diǎn)鉆桿生產(chǎn)廠研究開發(fā)了多種高強(qiáng)度、高韌性、高抗扭、防腐蝕、鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料等高性能的非API鉆桿，在高含硫、酸性氣田、極地條件等復(fù)雜油氣田得到了廣泛應(yīng)用。因此，結(jié)合鉆桿失效情況分析，筆者提出進(jìn)行鉆桿質(zhì)量控制，是提升其可靠性及質(zhì)量穩(wěn)定性的有效手段。

2.1 加強(qiáng)鉆桿產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)理解及應(yīng)用

鉆桿的生產(chǎn)和訂貨應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)API SPEC 5DP《鉆桿規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)[14]進(jìn)行，如圖1所示，即在鉆桿生產(chǎn)和使用過程中應(yīng)依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢測，分析影響產(chǎn)品質(zhì)量性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，確保產(chǎn)品合格率。對于失效試樣，在進(jìn)行檢測過程中，試樣的取樣位置應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。對于失效破壞嚴(yán)重而無法從標(biāo)準(zhǔn)位置取樣的試驗(yàn)樣品，經(jīng)檢測后所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)由生產(chǎn)、使用及第三方檢測機(jī)構(gòu)聯(lián)合確定檢測結(jié)果是否可以作為產(chǎn)品質(zhì)量合格與否的判據(jù)。因此，所有鉆桿的生產(chǎn)、訂貨及質(zhì)量檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的理解與應(yīng)用，才能獲得有效的質(zhì)量檢測結(jié)果，為生產(chǎn)廠、采購方及第三方開展質(zhì)量分析及評價，提供準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)，從而對整個產(chǎn)品的質(zhì)量性能進(jìn)行公正的評判。

圖1 鉆桿標(biāo)準(zhǔn)在生產(chǎn)使用中的應(yīng)用

2.2 依據(jù)工況條件制定補(bǔ)充訂貨技術(shù)協(xié)議提升鉆桿適用性

API Spec 5DP《鉆桿規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的技術(shù)條件是國際上鉆桿生產(chǎn)廠家的平均水平。許多鉆桿失效分析案例也充分表明，在實(shí)際使用過程中由于各種復(fù)雜工況條件的共同作用，導(dǎo)致鉆桿的使用環(huán)境非常惡劣。由此可見，API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)不能完全滿足工況條件要求。

因此，在進(jìn)行鉆桿失效分析過程中要充分考慮鉆桿實(shí)際使用的工況條件。服役環(huán)境情況決定鉆桿質(zhì)量性能的評價要求，如具有腐蝕環(huán)境的井況需要選用耐蝕材料而且應(yīng)根據(jù)具體腐蝕程度的不同，選用不同級別的耐蝕材料；根據(jù)工況所確定的載荷與溫度條件，選擇高強(qiáng)、高韌、高扭矩及低溫性能鉆桿。以上情況說明生產(chǎn)、訂貨方應(yīng)在理解通用質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，制定更加嚴(yán)格的、具有工況適用性的補(bǔ)充訂貨技術(shù)條件。文獻(xiàn)[15，16]指出，塔里木油田在API標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，依據(jù)塔里木油田工況條件，增加了鉆桿訂貨技術(shù)條件，實(shí)行加厚過渡帶質(zhì)量控制，嚴(yán)格控制加厚過渡帶的成型質(zhì)量和有害元素含量，提高加厚過渡帶內(nèi)錐面成型質(zhì)量和管體縱向沖擊功要求，增加接頭的橫向沖擊功和低溫沖擊功要求等影響鉆桿刺漏發(fā)生的主要性能指標(biāo)，同時提高鉆桿幾何尺寸要求等技術(shù)條件，通過增加的補(bǔ)充訂貨技術(shù)條件，嚴(yán)格控制并提升鉆桿產(chǎn)品質(zhì)量，有效減少了鉆桿失效事故。

2.3 加強(qiáng)鉆桿現(xiàn)場規(guī)范操作及使用管理

現(xiàn)場操作也是引起鉆桿失效的一項主要因素。符合標(biāo)準(zhǔn)要求的鉆桿，如果使用不當(dāng)，依然會發(fā)生失效問題，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要制定嚴(yán)格的現(xiàn)場操作規(guī)范，加大現(xiàn)場操作監(jiān)管力度。要求現(xiàn)場使用人員嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范操作，如鉆桿螺紋接頭在現(xiàn)場上扣過程中清洗螺紋表面，科學(xué)的選擇螺紋密封脂，現(xiàn)場使用扭矩儀，控制扭矩達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，嚴(yán)格依據(jù)操作規(guī)范要求控制上扣過程中鉆桿的夾持位置等。只有嚴(yán)格的控制鉆桿質(zhì)量并配合現(xiàn)場的精心操作，才能達(dá)到質(zhì)量控制的最終目的，減少鉆桿的失效事故。

同時，制定嚴(yán)格的現(xiàn)場管理規(guī)范，加強(qiáng)日常維護(hù)，做好防腐處理，減少化學(xué)腐蝕及氧腐蝕對鉆桿質(zhì)量的影響。鉆桿使用前，鉆具管理部門給每一支鉆桿建立一份電子檔案。該檔案信息包括鉆桿標(biāo)號、生產(chǎn)廠家、規(guī)格、化學(xué)成分、力學(xué)性能、探傷記錄、螺紋參數(shù)、幾何尺寸、外觀質(zhì)量、服役時間、鉆桿等級等。鉆桿使用后，加強(qiáng)質(zhì)量檢測，在易發(fā)生失效的薄弱部位加強(qiáng)探傷檢測，對于存在裂紋及超標(biāo)缺陷的鉆桿必須強(qiáng)制報廢，避免造成更嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

加強(qiáng)鉆桿現(xiàn)場規(guī)范操作及使用管理，避免由于現(xiàn)場操作造成的失效事故，而且加強(qiáng)現(xiàn)場管理有利于鉆桿使用者掌握鉆桿的動態(tài)信息，根據(jù)每一支鉆桿的實(shí)際情況科學(xué)選用，防止存在安全隱患鉆桿流入使用。

2.4 加強(qiáng)無損檢測技術(shù)的應(yīng)用

無損檢測技術(shù)在不損壞被檢測對象的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛘呷毕荽嬖谒鸬膶?、聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化來探測材料等內(nèi)部和表面缺陷。通過檢測結(jié)果判斷和評價缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化，從而判斷結(jié)構(gòu)的不完整性及缺陷等情況。

無損檢測技術(shù)在鉆桿的質(zhì)量控制及失效分析過程中被廣泛應(yīng)用，如采用超聲波測厚方法判斷鉆桿內(nèi)腐蝕狀況，采用超聲波當(dāng)量比對方法檢測試件是否存在超標(biāo)缺陷，以及采用超聲波、漏磁、低頻導(dǎo)波檢測等手段檢測管體內(nèi)外部損傷情況等。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的螺紋檢測，除了常規(guī)的表面檢測、錐度檢測、橢圓度及緊密距檢測以外，結(jié)合渦流探傷檢測原理，檢測鉆桿螺紋根部是否存在缺陷，通過三維坐標(biāo)儀檢測螺紋鉆桿缺陷大小。除標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容外，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)無損檢測技術(shù)在鉆桿質(zhì)量控制中的應(yīng)用，在相應(yīng)的補(bǔ)充訂貨技術(shù)條件中增加包括鉆桿螺紋、加厚過渡帶、鉆桿管體等部位的無損檢測內(nèi)容，同時提高鉆桿無損檢測要求。通過加強(qiáng)無損檢測技術(shù)在鉆桿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用，確保鉆桿質(zhì)量，達(dá)到預(yù)防并有效降低鉆桿失效事故的作用。

3 嚴(yán)苛工況用非API高性能鉆桿質(zhì)量控制流程

隨著復(fù)雜油氣井的開發(fā)及高性能非API鉆桿，如V150、VM-165DP、HL150M等高強(qiáng)度鉆桿，SS105、C105SS、VM-105DP SS、HL105SS等抗硫鉆桿，VM-135DP LT、G-105等低溫用鉆桿，HLST26、HLST36等高抗扭鉆桿，Al-Cu-Mg-Si-Fe III等鋁合金鉆桿、Ti6al-4V等鈦合金鉆桿，及碳纖維復(fù)合材料鉆桿的應(yīng)用，對鉆桿質(zhì)量控制提出了更高的要求。因此，制定嚴(yán)格的非API鉆桿質(zhì)量控制流程，確保高性能鉆桿的適用性，為嚴(yán)苛工況油氣田的勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐。主要需注意以下方面問題：

首先，生產(chǎn)廠依據(jù)非API鉆桿生產(chǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品性能進(jìn)行檢測，確定產(chǎn)品本身是否滿足質(zhì)量要求。

其次，在鉆桿產(chǎn)品使用前，委托第三方檢測機(jī)構(gòu)對鉆桿進(jìn)行全面檢測，可以避免生產(chǎn)廠漏檢或檢測不確定度等因素引起的質(zhì)量問題。進(jìn)一步開展適用性評價，依據(jù)使用工況及補(bǔ)充訂貨技術(shù)條件，進(jìn)行鉆桿產(chǎn)品性能評價，確定產(chǎn)品的適用范圍。

通過油氣田使用過程中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題、年度監(jiān)督抽查發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題，對質(zhì)量不合格產(chǎn)品進(jìn)行失效分析，提出質(zhì)量改進(jìn)建議，進(jìn)一步提升高性能鉆桿的質(zhì)量可靠性。通過實(shí)現(xiàn)出廠檢驗(yàn)，結(jié)合使用前第三方檢驗(yàn)，適用性評價，質(zhì)量監(jiān)督抽查相結(jié)合的質(zhì)量控制流程，如圖2所示，能夠有效提升鉆桿的質(zhì)量可靠性。

此外，對于非API鉆桿，還應(yīng)加大全尺寸適用性工況模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)力度。除了常規(guī)性能外，檢驗(yàn)其抗粘扣性能、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能和極限載荷性能。對于腐蝕性工況環(huán)境用鉆桿，開展全尺寸耐蝕性能檢測。通過全尺寸實(shí)物性能檢測試驗(yàn)。通過全尺寸實(shí)物性能評價試驗(yàn)充分模擬非API鉆桿在使用過程中所經(jīng)歷的載荷工況，更加真實(shí)的反應(yīng)鉆桿在使用過程中的整體性能。

圖2 高性能鉆桿質(zhì)量控制流程

4 結(jié) 論

鉆桿的質(zhì)量控制貫穿于其產(chǎn)品的研究、設(shè)計、開發(fā)、使用全過程。通過質(zhì)量控制可節(jié)約成本，有效減少失效事故，能夠?qū)Υ龠M(jìn)鉆桿產(chǎn)品質(zhì)量提升起關(guān)鍵作用。本文通過分析研究獲得如下主要結(jié)論：

1)通過對引起鉆桿失效的主要因素—腐蝕環(huán)境因素、使用因素、制造因素和設(shè)計因素等進(jìn)行文獻(xiàn)分析，提出加強(qiáng)質(zhì)量控制、減少甚至消除鉆桿失效事故是確保鉆桿在鉆井過程中安全運(yùn)行的有效措施。

2)結(jié)合失效原因分析，提出加強(qiáng)鉆桿產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)理解及應(yīng)用、加強(qiáng)鉆桿現(xiàn)場規(guī)范操作及使用管理等方式、加強(qiáng)無損檢測技術(shù)的應(yīng)用等方式對鉆桿進(jìn)行質(zhì)量控制，可確保鉆桿性能滿足使用要求，并保證在特定工況條件下不發(fā)生失效事故。

3)針對非API高性能鉆桿制定包括出廠檢驗(yàn)，使用前第三方檢驗(yàn)，適用性評價，質(zhì)量監(jiān)督抽查相結(jié)合的質(zhì)量控制手段，同時加大全尺寸適用性工況模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)力度，確保鉆桿質(zhì)量性能滿足要求，保證嚴(yán)苛工況油氣田勘探開發(fā)安全。

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Discussion on Drill Pipe Failure Analysis and Quality Control

QIN Changyi1, JIANG Jiahua2, JIANG Cunmin2, ZHANG Zhenning2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China;2.JiangsuShuguangGroupCO.Ltd,Taizhou,Jiangsu225300,China)

The new drilling technology and exploration and development of harsh working conditions of oil and gas field promoted the research and development of high-performance drill pipe, which also enabled the factory and oil and gas field to pay more attention for quality performance of drill pipe. Drill pipe failure accidents occurred repeatedly in recent years, which put forward higher requirements on quality control of drill pipe. In this paper, based on the analysis of the main factors caused failure accidents of drill pipe, the quality control measures were proposed to ensure the quality reliability and eliminate failure accidents, at the same time, the whole process of quality control measures and the full-scale test requirements were proposed for high-performance drill pipe. The research results will be helpful to further enhance the quality safety of drill pipe and of great economic and social significance in the development and exploration of oil and gas field.

drill pipe; failure analysis; high-performance drill pipe; hash working condition; quality control

秦長毅，男，1962年生，教授級高工，目前主要從事質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督和檢測管理工作。E-mail:qincy@cnpc.com.cn

TE921

A

2096-0077(2017)02-0001-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.001

2016-11-16 編輯：馬小芳)