Φ139.7 mm加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭斷裂失效分析*

吉 楠，徐明軍，周懷光，謝居良

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.中國(guó)石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

隨著油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入，導(dǎo)致深井、超深井、水平井等復(fù)雜工況環(huán)境勘探開發(fā)井的規(guī)模日益擴(kuò)大，數(shù)量急劇增多，且井深呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，這就給勘探開發(fā)中大量使用的鉆具等鉆探設(shè)備提出了更高的要求[1-2]。由于深井及超深井地質(zhì)條件惡劣，鉆井條件復(fù)雜，鉆井難度大，開發(fā)周期長(zhǎng)，隨之而來的鉆具失效的概率也就會(huì)大大增加。鉆具一旦失效，不僅會(huì)延長(zhǎng)鉆井周期，增大投資成本，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生井毀人亡的慘劇[3-5]。因此，開展對(duì)深井及超深井鉆具的失效分析工作，保障鉆井工作安全有序的進(jìn)行具有十分重要的意義。

本文以西部某油田超深井鉆井中加重鉆桿斷裂失效事故為例，展開失效分析工作，為今后超深井鉆井中加重鉆桿失效事故的預(yù)防提供借鑒。

1 井況信息

1.1 事故概況

該井為定向井，設(shè)計(jì)井深7 600 m，造斜點(diǎn)6 700 m，當(dāng)鉆井至6 570 m時(shí)，懸重由2 467 kN下降到2 381 kN，泵壓由16.1 MPa下降到15.5 MPa，次日上提鉆柱至131.95 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)編號(hào)為第11號(hào)的5 in(1 in=25.4 mm)加重鉆桿在距內(nèi)螺紋接頭臺(tái)肩面約110 mm處發(fā)生斷裂。

1.2 鉆井參數(shù)

鉆井參數(shù)為：鉆壓(20～40) kN，轉(zhuǎn)速螺桿+(20～33) rpm，泵壓(18～19) MPa，排量251 L/s，泥漿密度1.26 g/cm3。

1.3 失效樣品信息

該斷裂的加重鉆桿出廠日期為2014年6月，材質(zhì)為4145H。在此次鉆井過程中于2019年1月5日入井，入井深度6 560 m，使用純鉆時(shí)間7 h，劃眼20.5 h，進(jìn)尺10 m。

2 宏觀分析

2.1 斷口形貌

圖1所示為加重鉆桿內(nèi)螺紋失效樣品圖。由圖1(a)可知，送檢試樣長(zhǎng)約110 cm，橫向斷裂，外壁有明顯的大鉗牙印。由圖1(b)可知，接頭從距內(nèi)螺紋大端的第14～第15扣之間斷開，大端面基本完好，無擠壓和磨損情況。內(nèi)螺紋接頭有多牙螺紋發(fā)生損傷變形；螺紋表面鍍層磨損，呈光亮金屬色；螺紋牙頂存在擠壓痕跡，牙頂兩側(cè)出現(xiàn)擠壓棱邊；分析認(rèn)為，螺紋接頭宏觀特征與鉆桿接頭發(fā)生斷裂時(shí)，內(nèi)外螺紋的相互擠壓作用密切相關(guān)。

圖1 失效樣品宏觀照片

失效樣品的斷口宏觀形貌如圖2所示。斷口宏觀特征整體平齊，無明顯的塑性變形，脆性斷裂的趨勢(shì)顯著。整個(gè)斷面較為平整，無明顯的塑性變形區(qū)。斷口可以分為2部分，第一部位于第14牙～第15牙螺紋之間，第二部分位于第16牙螺紋的位置。斷面較為光滑且有多處縱向貫穿的刺漏痕跡，局部可見明顯的貝紋線，呈典型的疲勞斷裂特征，如圖3(a)所示。平坦區(qū)處于內(nèi)螺紋根部附近，為疲勞裂紋的源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)，是最早斷裂的區(qū)域；其余斷面高低不平，并伴有扭轉(zhuǎn)痕跡，為最后斷裂區(qū)，如圖3(b)所示。分析認(rèn)為，該斷口起裂于平坦區(qū)的內(nèi)螺紋根部，斷裂后受鉆井泥漿沖刷作用，裂紋源已遭破壞。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 斷口局部放大圖

2.2 幾何尺寸測(cè)量

在失效樣品上沿軸向等間距選取3個(gè)截面進(jìn)行接頭外徑測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1。由表1可知，該失效內(nèi)螺紋接頭外徑測(cè)量結(jié)果小于SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

表1 送檢試樣的外徑測(cè)量結(jié)果 mm

2.3 無損檢測(cè)

將內(nèi)螺紋接頭試樣縱向剖開后，依據(jù)ASTM E709《磁粉探傷方法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)送檢試樣的外表面及螺紋進(jìn)行磁粉檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，在距內(nèi)螺紋大端12牙的螺紋牙底發(fā)現(xiàn)一條長(zhǎng)約5 mm的周向裂紋，如圖4中紅色圓圈所示，其余位置均無超標(biāo)缺陷。

圖4 送檢試樣外表面的磁粉檢測(cè)缺陷

3 理化性能分析

3.1 化學(xué)成分分析

在加重鉆桿斷口附近取樣，用直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。由表2可知，送檢試樣的化學(xué)成分符合SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

沿加重鉆桿縱向截取直徑為5 mm、標(biāo)距為25 mm的圓棒拉伸試樣、沿縱向和橫向分別截取10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣、沿橫向截取全壁厚硬度試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，加重鉆桿的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且橫向沖擊功與縱向相近。

表2 加重鉆桿化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 金相分析

在加重鉆桿斷口附近取樣進(jìn)行金相分析，如圖5所示。結(jié)果表明樣品斷口附近金相組織為回火索氏體，晶粒度9.0級(jí)，非金屬夾雜物為A0.5、B0.5、D0.5，未見異常組織。

圖5 加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭金相組織 700x

在螺紋牙底的裂紋處取樣進(jìn)行金相分析，取樣位置如圖4中紅圈所標(biāo)注。裂紋微觀形貌如圖6所示。由圖6可知，起源于螺紋根部，并向外壁擴(kuò)展，裂紋平直無分叉，根部較粗尖端較細(xì)，裂紋兩側(cè)組織與其他區(qū)域相同，裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，裂紋面內(nèi)也未見有異常物質(zhì)填充。

圖6 螺紋牙底裂紋形貌

3.4 斷口微觀分析

將圖6所示的裂紋采用機(jī)械的方式壓開后在掃描電鏡下進(jìn)行形貌觀察，形貌如圖7所示。由圖7可知，裂紋源區(qū)由于受到泥漿及鉆井液的沖刷，形貌特征已完全被破壞，但在裂紋尖端的位置可以觀察到一些較為細(xì)密的疲勞輝紋。在裂紋表面選取不同的位置進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見表4，分析圖譜如圖8和圖9所示。由分析結(jié)果可知，裂紋表面主要含有C、Fe、Si、O等元素，表面潔凈，并無腐蝕產(chǎn)物。

圖7 裂紋面微觀形貌圖

表4 裂紋面EDS分析試驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖8 斷口區(qū)域1能譜分析圖譜

圖9 斷口區(qū)域2能譜分析圖譜

4 分析與討論

4.1 理化性能分析

由加重鉆桿的材料理化性能試驗(yàn)結(jié)果可知，其化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果均滿足SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。其金相組織為回火索氏體，晶粒度等級(jí)為9.0級(jí)，A、B、D非金屬夾雜物微觀分析級(jí)別單項(xiàng)不超過1.0級(jí)，三類總和不超過2.0級(jí)，未發(fā)現(xiàn)有異常組織和晶粒粗大現(xiàn)象。

4.2 斷口特征分析

由斷口宏觀特征可知，斷口整體呈脆性斷裂特征，端面較為平坦，無明顯的塑性變形痕跡。裂紋起源于平坦區(qū)的螺紋根部，局部顏色暗淡，具有典型的疲勞斷口特征，且呈多源斷裂。斷口表面有多處縱貫的刺漏痕跡，由于鉆井液和泥漿的沖刷作用，裂紋源區(qū)已被破壞，但在局部仍可見較為明顯貝紋線，為疲勞擴(kuò)展區(qū)。螺紋牙底裂紋面的微觀特征顯示，在裂紋尖端可見較為細(xì)密的疲勞輝紋，呈典型的疲勞斷口微觀特征。由斷口的宏、微觀特征綜合分析認(rèn)為，該加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭的斷裂方式為疲勞斷裂。

4.3 鉆桿受力分析

首先，內(nèi)螺紋接頭斷裂于距內(nèi)螺紋大端的第14～第15扣的位置，該位置為內(nèi)螺紋與外螺紋第1～3扣的嚙合位置，斷裂位置剛好為內(nèi)螺紋的危險(xiǎn)截面[6]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的鉆井資料可知，鉆井參數(shù)為：鉆壓40 kN，轉(zhuǎn)速20～33 rpm，落魚長(zhǎng)度131.48 m，由此計(jì)算可知該加重鉆桿所處的位置在鉆柱中和點(diǎn)之上，在軸向主要受拉伸載荷[7]。此外，在鉆井過程中，中和點(diǎn)以上的鉆柱通常由于井斜及振動(dòng)等原因，還會(huì)承受旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞載荷[8]。隨著鉆進(jìn)過程的不斷深入，在交變軸向拉伸載荷和彎曲載荷的不斷作用下，相比于加重鉆桿的其他部位，內(nèi)螺紋的危險(xiǎn)截面處比其他位置更容易萌生裂紋。

其次，由該加重鉆桿的外徑測(cè)量結(jié)果可知，其外徑低于標(biāo)準(zhǔn)值約4 mm，由于失效加重鉆桿從產(chǎn)品使用到失效已近5 a的時(shí)間，其外徑的減小可能與鉆井過程中加重鉆桿與井壁或套管的磨損作用等密切有關(guān)，外徑的減小必然伴隨著接頭有效承載面積的減小，承載能力降低。由API RP 7G《鉆柱設(shè)計(jì)和操作極限推薦做法》中對(duì)鉆桿抗拉和抗扭強(qiáng)度的計(jì)算公式可知，鉆具的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為式(1)：

P=Ym×A

(1)

式中：P為最小拉伸載荷，kN；Ym為材料的最小屈服強(qiáng)度，MPa；A為管體的橫截面積，mm2。根據(jù)公式(1)計(jì)算可知，當(dāng)外徑減小4 mm后，其抗拉強(qiáng)度降低21.7%。

鉆具的抗扭強(qiáng)度計(jì)算公式為式(2)：

(2)

式中：QT為拉伸載荷下的最小抗扭強(qiáng)度，kN·m；D為鉆桿外徑，mm；P為最小拉伸載荷，kN；Ym為材料的最小屈服強(qiáng)度，MPa；A為管體的橫截面積，mm2。由公式(2)計(jì)算可知，當(dāng)外徑減小4 mm后，其抗拉強(qiáng)度降低15.8%。

由于內(nèi)螺紋接頭承載能力的下降，在交變彎曲和拉伸載荷的作用下，首先在內(nèi)螺紋接頭應(yīng)力最大的螺紋牙底處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋在交變載荷的作用下不斷擴(kuò)展，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，內(nèi)螺紋接頭的有效壁厚不斷減小，當(dāng)接頭有效壁厚不足以承載其所受到的外部載荷，便會(huì)最終導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。

5 結(jié) 論

1)加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭斷裂屬于疲勞斷裂。

2)加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭外徑不符合SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)要求是造成斷裂的主要原因。外徑減小會(huì)使加重鉆桿的抗拉強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度降低，內(nèi)螺紋接頭的承載能力變?nèi)酰诮蛔冚d荷的作用下，裂紋從內(nèi)螺紋接頭危險(xiǎn)截面處的螺紋牙底萌生并擴(kuò)展，直至發(fā)生斷裂。