139.7mm減摩減扭短節(jié)斷裂原因分析

葛明君，徐 欣

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

0 引 言

油田大位移井和水平井在鉆井過程中，當(dāng)油井的井斜比較大時(shí)，由于重力效應(yīng)，使井下的鉆柱受到很大的摩擦阻力，從而導(dǎo)致送鉆困難、頂驅(qū)能力超過上限、鉆柱和套管磨損嚴(yán)重，影響正常的鉆進(jìn)和完井作業(yè)[1]。為了解決該問題，在這些油井的鉆柱中安裝減摩減扭短節(jié)，并使用于油井的鉆進(jìn)作業(yè)中。減摩減扭短節(jié)主要由上接頭、下接頭、防磨支撐環(huán)和耐磨外套四部分組成[2]。減摩減扭短節(jié)在鉆進(jìn)時(shí)，承受比較大的交變應(yīng)力，如果其材料質(zhì)量差或者使用不當(dāng)，就會(huì)造成斷裂等失效事故；如果發(fā)生斷裂失效事故，會(huì)嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行，所以，對(duì)發(fā)生斷裂失效的減摩減扭短節(jié)，應(yīng)對(duì)其斷裂失效原因進(jìn)行分析，以防止此類失效事故再次發(fā)生。首先調(diào)查了斷裂失效減摩減扭短節(jié)的使用工況，然后取樣試驗(yàn)分析了其材料的內(nèi)在質(zhì)量情況，最后根據(jù)使用工況、斷口形貌特征和材料試驗(yàn)結(jié)果分析確定了其斷裂失效的原因。

1 斷裂失效事故概況

斷裂失效的減摩減扭短節(jié)所服役的油井于2014年4月17日18:00開鉆，該油井是一口三開定向開發(fā)水平井，設(shè)計(jì)井深4 838 m，目的層為沙一。

2014年6月11日12:30下鉆到底，此時(shí)井深4 681 m，鉆具組合為Φ215.9 mmPDC×0.35 m+1.25°螺桿×7.91 m+Φ203 mm穩(wěn)定器×0.72 m+411/410浮閥×0.5 m+Φ162 mm無磁鉆鋌×9.13 m+Φ171 mmMWD短節(jié)×1.35 m+521/410×0.5 m+Φ127 mm加重鉆桿×168.25 m+Φ127 mm鉆桿×1 743.81 m+411/520×1.15 m+Φ139.7 mm鉆桿+521/520減摩減扭短節(jié)×28個(gè)。下鉆到底后進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)45 min后懸重突然由150 t降至60 t，泵壓由10 MPa降至2 MPa，起鉆后發(fā)現(xiàn)減摩減扭短節(jié)本體斷裂，井下鉆柱魚頂位于井深964.35 m處，落魚鉆柱長度為3 716.65 m。落魚鉆柱組合為：Φ215.9 mmPDC×0.35 m+……+Φ139.7 mm鉆桿×1 775.69 m+521/520減摩減扭短節(jié)×8個(gè)。

該井設(shè)計(jì)井深4 838 m，四段制井身剖面，井底水平位移2 220 m，最大井斜34.25°，采用三開井身結(jié)構(gòu)。自三開井段進(jìn)行減摩減扭短節(jié)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，失效短節(jié)入井服役時(shí)間169 h、純鉆時(shí)間104 h、進(jìn)尺為651 m后發(fā)生了斷裂，斷裂位置為造斜段下部，斷裂點(diǎn)前后兩點(diǎn)狗腿度分別為2.98°/30 m、2.71°/30 m。

2 失效短節(jié)斷口分析

失效的減摩減扭短節(jié)斷裂部位在外螺紋根部第二牙螺紋處，其斷口宏觀形貌如圖1所示。從圖1可見，裂紋從外螺紋根部第二牙螺紋絲扣底部處萌生，裂紋源區(qū)表面與拉應(yīng)力方向呈45°夾角，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)疲勞擴(kuò)展特征。斷口附近螺紋輪廓形狀完好，無明顯粘扣、變形及磨損痕跡。

圖1 斷裂減摩減扭短節(jié)宏觀形貌

3 化學(xué)成分分析

從失效短節(jié)上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明，失效的減摩減扭短節(jié)的材料為42CrMoA。

表1 失效短節(jié)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

4 力學(xué)性能分析

從失效短節(jié)斷口附近的本體處取直徑為12.5 mm、標(biāo)距為50.0 mm的圓棒拉伸試樣，并取樣加工成10 mm10 mm55 mm的縱向夏比V型缺口沖擊試樣及全壁厚橫向硬度塊試樣進(jìn)行試驗(yàn)。這些力學(xué)性能試驗(yàn)溫度均為室溫，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，失效的減摩減扭短節(jié)材料的力學(xué)性能不符合SY/T5200-2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 拉伸性能和沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 硬度試驗(yàn)結(jié)果

5 金相分析

在失效短節(jié)的斷口裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、抗拉強(qiáng)度合格試樣、抗拉強(qiáng)度不合格試樣以及沖擊試樣截取金相試樣，依據(jù)GB/T10561-2005和GB/T6394-2002試驗(yàn)分析其材料的金相組織、晶粒度及非金屬夾雜物，試驗(yàn)結(jié)果見表4，其中圖2～圖6分別是表4中1號(hào)～5號(hào)試樣的金相組織形貌。

表4 金相試驗(yàn)結(jié)果

圖2 1號(hào)試樣金相組織形貌

圖3 2號(hào)試樣金相組織形貌

圖4 3號(hào)試樣金相組織形貌

圖5 4號(hào)試樣金相組織形貌

圖6 5號(hào)試樣金相組織形貌

6 斷裂失效原因綜合分析

根據(jù)減摩減扭短節(jié)所服役的油井工況，該短節(jié)斷裂失效發(fā)生時(shí)位于油井的斜井段，由于斜井段井眼的曲率較大，從而使該短節(jié)所受的拉伸應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和摩擦應(yīng)力等交變應(yīng)力較大[3]；所以該短節(jié)服役苛刻，促進(jìn)了斷裂失效的發(fā)生。從使用情況可知，該短節(jié)在井下的純鉆時(shí)間僅為104 h，另外其斷口上有疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)，所以其失效屬于早期疲勞斷裂[4-5]。

失效短節(jié)的材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，短節(jié)不同位置的力學(xué)性能存在明顯差異，而這種差異是由于其材料不同部位金相組織的不同造成的。金相分析結(jié)果表明，短節(jié)斷裂部位金相組織為珠光體+鐵素體，而不是回火索氏體為主的調(diào)質(zhì)組織，說明該短節(jié)的熱處理工序不符合要求，使材料中存在大量的珠光體和鐵素體金相組織，導(dǎo)致其材料強(qiáng)度和硬度低、韌性差，這些性能指標(biāo)試驗(yàn)值明顯低于SY/T5200-2012標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，減摩減扭短節(jié)材料熱處理不當(dāng)，造成該短節(jié)材料各部位的力學(xué)性能值不一致，局部強(qiáng)度、硬度及韌性較低，是導(dǎo)致其斷裂失效的主要原因。

減摩減扭短節(jié)斷裂失效發(fā)生時(shí)位于水平油井的斜井段，在鉆井過程中承受復(fù)雜的拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲和振動(dòng)載荷，服役工況惡劣。所以該短節(jié)服役條件苛刻是其發(fā)生早期疲勞斷裂的次要原因。

7 結(jié) 論

1)斷裂失效的減摩減扭短節(jié)材料的力學(xué)性能不符合SY/T5200-2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)斷裂失效的減摩減扭短節(jié)材料的強(qiáng)度和硬度低、韌性差，是其早期疲勞斷裂失效的主要原因。