Φ203.2 mm隨鉆震擊器內(nèi)螺紋斷裂原因分析

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(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院　陜西　西安　710077)

1　失效概況

某油田油井鉆進(jìn)至1 457.46 m時鉆井平臺上的儀表顯示泵壓由14 MPa下降至10 MPa，鉆井工作人員判斷井下鉆具發(fā)生了失效事故，于是上提鉆具，發(fā)現(xiàn)鉆具懸重由74 t下降至52 t；由此確定井下發(fā)生了鉆具斷裂事故，決定起鉆。起完鉆后發(fā)現(xiàn)隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋部位斷裂。

斷裂位置以下的鉆具組合(即井下落魚結(jié)構(gòu))為：311.15 mmH517鉆頭×0.29 m+630×730型號接頭×0.6 m+228.6 mm鉆挺×26.48 m+731×630型號接頭×0.47 m+311.15 mm穩(wěn)定器×1.83 m+203.2 mm鉆鋌×96.64 m+203.2 mm隨鉆震擊器×2.59 m。

斷裂位置以下的鉆具總長度128.90 m，斷裂位置位于井深1 327.85 m處。

斷裂失效的隨鉆震擊器系國內(nèi)廠家生產(chǎn)，純鉆時間為180 h。

2　斷口分析

2.1　斷口宏觀形貌分析

對失效斷裂的隨鉆震擊器斷口進(jìn)行分析，其外筒內(nèi)螺紋宏觀斷口形貌如圖1所示。圖2是斷口局部放大形貌。

從圖1可見，該隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋斷口表面主要分為兩個區(qū)域，一個是呈黑灰色的平坦區(qū)，該區(qū)域所占的面積比例較大，是全部斷口面積的約70%；另一個是呈棕色的粗糙區(qū)，該區(qū)域所占的面積比例較小，是全部斷口面積的約30%。圖1的斷口形貌表明，其裂紋均起源于內(nèi)螺紋絲扣牙底，且存在多個源區(qū)。圖2中的局部斷口形貌可以清楚地顯示其多源特征。

該隨鉆震擊器斷裂失效的外筒內(nèi)螺紋為梯形細(xì)扣，其牙底形狀如圖3所示。

圖1　隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋宏觀斷口形貌

圖2　斷口上局部宏觀形貌

圖3　斷裂失效的隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋牙底形狀　40×

從圖3可見，該隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋牙底兩側(cè)圓角處過渡圓弧半徑很小，特別是右側(cè)過渡圓角半徑幾乎為零，即沒有過渡圓弧，該圓角處存在很大的應(yīng)力集中。經(jīng)檢查，圖1中的斷口正是起源于該隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋牙底右側(cè)圓角處。

2.2　斷口微觀形貌分析

從圖1所示隨鉆震擊器的斷口上取樣，用掃描電子顯微鏡分析斷口表面的微觀形貌。經(jīng)掃描分析，其黑灰色平坦區(qū)的微觀形貌存在疲勞輝紋，呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展特征，如圖4所示。

圖4　斷口微觀形貌

3　理化檢驗(yàn)

3.1　化學(xué)成分檢測

在斷裂失效的隨鉆震擊器外筒上取祥，用直讀光譜儀和碳硫分析儀分析其材料的化學(xué)成分，結(jié)果見表1。

表1　化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

3.2　力學(xué)性能試驗(yàn)

在斷裂失效的隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋斷口附近取樣，進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，并取10 mm×10 mm×55 mm夏比V型缺口沖擊試樣及縱向條狀硬度試樣，進(jìn)行室溫沖擊韌性及硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

從表2可見，該隨鉆震擊器外筒材料的力學(xué)性能強(qiáng)度指標(biāo)符合油田的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/TZ19《隨鉆震擊器》的規(guī)定，但韌性指標(biāo)、沖擊功值不符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求，另外，硬度值也偏高，超出了Q/TZ19標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。

用電子掃描顯微鏡對沖擊斷口微觀形貌進(jìn)行分析，其微觀形貌為解理+準(zhǔn)解理，如圖5所示。

圖5　沖擊斷口微觀形貌

3.3　金相撿驗(yàn)

在隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋的斷口部位取金相試樣進(jìn)行分析，其材料的金相組織為回火索氏體+上貝氏體，材料中的夾雜物級別為A2.0、B2.0e、C1.0、D1.5，組織晶粒度為7.0級。

4　試驗(yàn)結(jié)果和失效原因分析

從隨鉆震擊器斷裂位置以下的鉆具組合可知，斷裂失效的隨鉆震擊器處于鉆柱下部的鉆鋌附近，這說明其在井下鉆井作業(yè)中受壓應(yīng)力，會發(fā)生彎曲疲勞失效。

圖1所示的斷口形貌表明，該隨鉆震擊器在使用中首先從內(nèi)螺紋絲扣牙底多處萌生疲勞裂紋，在鉆井作業(yè)中的壓應(yīng)力作用下，裂紋疲勞擴(kuò)展，當(dāng)疲勞區(qū)面積達(dá)到其橫截面約70%的面積時，便發(fā)生了失穩(wěn)斷裂。

圖1所示的斷口疲勞區(qū)均起源于內(nèi)螺紋絲扣牙底圓角處，即圖3中所示的絲扣牙底的右側(cè)圓角。實(shí)際測量數(shù)據(jù)表明，圖3中絲扣牙底右側(cè)圓角處過渡圓弧半徑數(shù)值很小，該位置幾乎為尖角，因而該圓角處的應(yīng)力集中程度很大[1]，因而在使用中就容易產(chǎn)生裂紋。API Spec 7對鉆鋌內(nèi)平型絲扣牙底兩側(cè)圓角度過渡圓弧半徑規(guī)定為0.381 mm，即圖6是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鉆鋌內(nèi)平型內(nèi)螺紋牙底兩側(cè)形狀示意圖。這些最小過度圓弧半徑的規(guī)定正是為了減小絲扣牙底的應(yīng)力集中程度。由于隨鉆震擊器使用于鉆柱下部的鉆鋌位置，因而應(yīng)采用相當(dāng)于鉆鋌內(nèi)平型絲扣牙底的過渡圓弧半徑。如果該隨鉆震擊器外筒失效螺紋的絲扣牙底兩側(cè)存在圖6所示的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過渡圓弧，則可有效地改善牙底兩側(cè)圓角處的應(yīng)力集中程度，從而可延長隨鉆震擊器的使用壽命。

圖6　標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鉆鋌內(nèi)平型內(nèi)螺紋絲扣牙底兩側(cè)形狀

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，該隨鉆震擊器材料的強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到了使用要求，但其韌性指標(biāo)值較低，平均值為31.3 J，這是由于其熱處理工藝不當(dāng)，材料金相組織不良所造成的。經(jīng)掃描電鏡觀察，沖擊斷口微觀形貌為解理+準(zhǔn)解理，也進(jìn)一步說明材料韌性差。

由于失效的隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋絲扣牙底應(yīng)力集中嚴(yán)重，使牙底應(yīng)力集中處的應(yīng)力明顯升高，超過了材料的強(qiáng)度極限，在使用中就萌生了裂紋。另外，由于其材料韌性差，從而使震擊器外筒內(nèi)螺紋絲扣牙底處產(chǎn)生的高應(yīng)力作用更為敏感[2],即牙底處高的應(yīng)力集中及材料的脆性化，使該震擊器外筒內(nèi)螺紋絲扣處的疲勞抗力顯著降低，從而在旋轉(zhuǎn)彎曲服役狀態(tài)下快速疲勞擴(kuò)展，最后失穩(wěn)斷裂。從使用情況可知，該震擊器使用僅180 h就發(fā)生了斷裂失效，正是由于嚴(yán)重的應(yīng)力集中及材料的脆性共同作用，使其內(nèi)螺紋部位發(fā)生了早期斷裂失效。

5　結(jié)　論

1) 油田斷裂失效的Φ203.2 mm隨鉆震擊器外筒材料韌性差，外筒內(nèi)螺紋梯形絲扣牙底應(yīng)力集中嚴(yán)重。

2) 隨鉆震擊器外筒內(nèi)螺紋絲扣牙底嚴(yán)重的應(yīng)力集中以及材料的脆性共同作用，使其內(nèi)螺紋部位發(fā)生了早期疲勞斷裂。

[1] 葛明君.Φ159 mm懸浮器斷裂原因分析[J]. 石油管材與儀器，2017，3(2)：55-57.

[2] 呂拴錄，王震，康延軍，等. MJ1井鉆具斷裂原因分析[J]. 鉆采工藝，2009，32(2)：79-80.