某井5"G105 鋼級(jí)鉆桿擠扁失效分析

李亞敏，支鵬鵬，張 然，孔令楠，汪永亮，宋愛國(guó)

（1.渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658；2.渤海裝備研究院，河北滄州 062658；3.渤海鉆探工程公司第五鉆井工程分公司，河北滄州 062658）

1 某鉆井試壓過程分析

某鉆井為開發(fā)井，井型為定向井，設(shè)計(jì)井深4117 m，實(shí)際井深2674 m，作業(yè)層位為L(zhǎng)ower Fars，泥巖。鉆桿規(guī)格為127×9.19 mm，材料為G105 鋼級(jí)。井身結(jié)構(gòu)：30"導(dǎo)管×43 m+20"套管×1203 m+16"套管×1464 m+"井眼×2674 m×"套管×2670 m（1"=2.54 cm）。

2017 年×××區(qū)域某井三開完鉆后，下套管固井侯凝，然后安裝"×10 000 psi 封井器組（1 psi=6.895 kPa）。套管頭尺寸Section C："×10 000 psi，套管頭上面接"×10 000 psi 轉(zhuǎn)"×10 000 psi封井器組。安裝完封井器后準(zhǔn)備試壓，發(fā)現(xiàn)"×10 000 psi 的轉(zhuǎn)換法蘭，轉(zhuǎn)換法蘭上面接"試壓塞無法通過"試"封井器下入到"套管頭內(nèi)，于是決定采用壓杯試壓。試壓杯下入到套管頭Section C以下0.45 m 處，完全坐在"套管里面。關(guān)上半封，從壓井管匯打壓，打壓過程中發(fā)現(xiàn)隨著壓力升高大鉤拉力增加，說明試壓杯下移，導(dǎo)致鉆桿與封井器半封及套管環(huán)空體積增加，所以打壓速度極慢。排除試壓泵故障后，確認(rèn)環(huán)空體積增加導(dǎo)致打壓時(shí)間長(zhǎng)速度慢。為加快速度，采用兩臺(tái)試壓泵同時(shí)打壓，當(dāng)打到壓力5500 psi 時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力突然下降到4000 psi，檢查未發(fā)現(xiàn)刺漏；繼續(xù)打壓，壓力不上升，泄壓后起出鉆桿，檢查發(fā)現(xiàn)5"鉆桿從上半封到試壓杯（5 m 距離）這一段鉆桿被擠扁。

試壓過程中隨著壓力升高，大鉤懸重也增加，最大達(dá)到280 t，說明試壓杯受高壓向下移動(dòng)，此時(shí)鉆桿收到上下拉力作用和橫向擠壓力，鉆桿內(nèi)部沒有壓力。又接一根5"鉆桿以同樣方式打壓，當(dāng)壓力達(dá)到6000 psi 時(shí)突然下降到4000 psi，釋放壓力起出后發(fā)現(xiàn)鉆桿再次被擠扁（圖1）。

表1 化學(xué)元素成分含量對(duì)照 %

圖1 鉆桿使用現(xiàn)場(chǎng)

2 試樣分析

取失效管體進(jìn)行金相、化學(xué)元素、力學(xué)性能分析，試樣編號(hào)為ГН-3。

2.1 化學(xué)成分分析

試樣送第三方實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與質(zhì)證書、API 5DP 標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比見表1。

從表1 可以看出，第三方實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)結(jié)果與質(zhì)證書基本一致，成分符合API（American Petroleum Institute，美國(guó)石油學(xué)會(huì)）及客戶要求。

2.2 金相

從圖2 和圖3 可以看出，ГН-3 樣品的微觀結(jié)構(gòu)為珠光體。主要污染物是硫化物以及斑點(diǎn)狀和線性氧化物，未發(fā)現(xiàn)其他狀態(tài)的污染物。

圖2 試樣ГН-3 放大500 倍和1000 倍微觀組織（珠光體）

圖3 試樣ГН-3 放大100 倍和200 倍后的夾雜物（硫化物）

圖4 為管體內(nèi)外表面的100 倍和200 倍放大圖，可以看出內(nèi)外表面均未發(fā)生塑性變形，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 試樣ГН-3 內(nèi)外表面放大100 倍和200 倍

從金相結(jié)構(gòu)來看，該管體的微觀結(jié)構(gòu)、非金屬夾雜物完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 機(jī)械性能

（1）屈服強(qiáng)度。

該試樣與API 5DP 的屈服強(qiáng)度對(duì)照見表2。

表2 該試樣與API 5DP 屈服強(qiáng)度對(duì)照MPa

可見，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）拉伸。

該試樣與API 5DP 拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照見表3。因?yàn)樵嚇颖旧硪呀?jīng)被破壞，已經(jīng)發(fā)生了屈服，所以此試樣的拉伸沒有達(dá)到API 5DP 標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)結(jié)果出來后，在完好的同批次管體上進(jìn)行取樣，試樣編號(hào)為13073-4，管體機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。

13073-4 試樣共進(jìn)行了3 次拉伸試驗(yàn)，試樣尺寸為7.5×10×55 mm，沖擊功分別為116 J、127 J 和124 J（平均122 J），試驗(yàn)溫度為21 ℃。

分析以上結(jié)果可知，鉆桿完好部分的試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、拉伸率等均符合API及客戶要求。

（3）夏比V 形缺口縱向吸收能。

表3 該試樣與API 5DP 拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照%

表4 同批次完好管體機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

從表5 可以看出，該試樣的夏比V 形縱向缺口吸收能符合API 5DP 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 試樣與PAI 5DP 標(biāo)準(zhǔn)夏比V 形缺口縱向吸收能對(duì)比

（4）硬度。

ГН-3 試樣硬度的3 次測(cè)量值圴為321 HB，而API 5DP（G鋼級(jí)）對(duì)硬度值沒有要求。所以，該試樣的硬度沒有異常。

2.4 原因分析

對(duì)管體屈服強(qiáng)度、抗拉和抗擠毀壓力的計(jì)算。

（1）屈服強(qiáng)度。

API 5DP 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，G 鋼級(jí)鉆桿管體的屈服強(qiáng)度為724～931 MPa，從表2 和表4 的試驗(yàn)結(jié)果可知，兩個(gè)試樣的屈服強(qiáng)度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）拉伸。

根據(jù)DS-1（鉆柱設(shè)計(jì)和操作）中規(guī)定，鉆桿管體的抗拉能力P=YmA。其中，P 為額定抗拉能力，Ym為額定屈服強(qiáng)度，A 為橫截面積。則此管體的額定抗拉P=105 000×［3.14×（5/2）2-3.14×（5-2×0.362）2］=553 567 lb=2462 kN=251 t。

從試壓過程分析可知，試壓過程的最大拉力為280 t，超過額定抗拉251 t 的11.55%。

（3）擠毀壓力。

DS-1（鉆柱設(shè)計(jì)和操作）規(guī)定，11.29＜D/t＜19.18 時(shí)，管體的擠毀壓力其中，A'=3.162，B'=0.079 4，C=2702。

從試壓過程分析可知，試壓過程的最大壓力為6000 psi（41.37 MPa），沒有超過改規(guī)格鉆桿的額定最小擊毀壓力。

2.5 事故原因

通過以上計(jì)算得知，該規(guī)格鉆桿管體的額定最大抗拉為553 567 lb（251 t），額定抗擠毀壓力15 667 ps（i108 MPa）。兩次試壓過程中壓力分別為6000 psi 和5500 psi，均沒有超過額定擠毀壓力，所以可以排除因管體承受壓力過大導(dǎo)致被拍扁的因素。但是從試壓過程分析中可以看出，試壓過程中鉆具所承載拉力達(dá)到617 500 lb（280 t），已經(jīng)超過改規(guī)格鉆桿額定抗拉強(qiáng)度的11.55%，因此鉆具超拉是導(dǎo)致本次鉆具擠扁的直接原因。

3 結(jié)論

（1）出現(xiàn)問題的兩支鉆桿管體的化學(xué)成分、力學(xué)性能、外觀尺寸均符合API 5DP 標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）此次鉆桿管體被擠扁的主要原因是，試壓過程中鉆具所承載的拉力過大，超過該規(guī)格鉆桿所能承受的拉力上限，導(dǎo)致管體被擠扁。

（3）建議在上述井礦使用127×9.19 mm S135 規(guī)格鉆桿，該規(guī)格鉆桿的額定抗拉為711 729 lb（325 t），比127×9.19 mm 的G105 規(guī)格鉆桿抗拉能力提升29.5%。