某S135 鉆桿接頭刺漏原因分析

趙金蘭， 曾紅偉， 李京川， 仝 柯， 瞿婷婷

（1. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院， 西安710077；2. 西南油氣田物資分公司， 成都610051）

1 鉆桿失效概況

某井段進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)時(shí)， 發(fā)現(xiàn)井下某柱鉆桿，上、 中單根臺(tái)肩面處刺漏。 刺漏鉆桿位置距離轉(zhuǎn)盤面1 567 m， 失效點(diǎn)井斜角度/狗腿度為32.9°/2.788°， 失效鉆具的井身結(jié)構(gòu)為30″ CSG 530 m+13-3/8″CSG 1 190 m+12-1/4″OPEN HOLE 2 947 m。該失效鉆桿為Φ139.7 mm×9.17 mm S135 鉆桿，HLIDS5-1/2FH 4137H 外螺紋接頭， 歷史使用時(shí)間為23.5 h， 上扣扭矩為39 300 N·m。

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

2.1 宏觀分析

刺漏鉆桿形貌如圖1 所示， 鉆桿外螺紋及刺孔形貌如圖2 所示。 刺穿處位于鉆桿外螺紋接頭臺(tái)肩部位， 如圖2 （a） 所示。 經(jīng)測(cè)量， 鉆桿接頭外徑約為177.75 mm， 內(nèi)徑約為101.62 mm，接頭長度約為313 mm， 符合技術(shù)協(xié)議要求。

圖1 刺漏鉆桿形貌

采用磁粉探傷對(duì)失效試樣進(jìn)行檢測(cè)， 刺孔端部裂紋長度 （即刺孔周向長度） 約為210 mm（如圖2 （b） 所示）， 約占整個(gè)管體圓周的1/2，外壁刺孔最大直徑為13 mm （如圖2 （c） 所示）。對(duì)刺漏處進(jìn)行觀察， 可見沖蝕形成的刺孔， 形狀呈多點(diǎn)狀分布， 刺孔區(qū)域內(nèi)表面形貌如圖2 （d）所示。 通過刺孔的多點(diǎn)狀分布特征和對(duì)裂紋形貌分析可以推斷， 多點(diǎn)狀的刺孔是由高壓泥漿沖蝕造成， 從外壁萌生并擴(kuò)展， 穿透整個(gè)管壁。 將樣品失效區(qū)域剖開發(fā)現(xiàn)， 內(nèi)表面存在涂層， 刺孔周圍涂層已經(jīng)腐蝕剝落， 其余區(qū)域涂層基本完好，無明顯腐蝕或剝落。

圖2 鉆桿外螺紋失效及刺孔形貌

2.2 化學(xué)成分分析

依據(jù)ASTM A751-14a 標(biāo)準(zhǔn)， 在鉆桿外螺紋接頭上取樣， 使用ARL 4460 直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析， 結(jié)果見表1。 化學(xué)成分分析結(jié)果表明， 鉆桿外螺紋接頭的化學(xué)成分符合API SPEC 5DP—2009 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 外螺紋接頭化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在鉆桿外螺紋接頭上分別沿縱向制取圓棒拉伸試樣和沖擊試樣并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)， 拉伸試樣規(guī)格為Φ8.9 mm×35 mm， 夏比V 形缺口沖擊試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm。 依據(jù)ASTM A370-19ε1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸及沖擊試驗(yàn)， 拉伸試驗(yàn)為常溫拉伸， 沖擊試樣為室溫， 試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2 可以看出， 鉆桿外螺紋接頭的力學(xué)性能符合API SPEC 5DP—2009 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 鉆桿外螺紋接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

在鉆桿外螺紋接頭上取硬度環(huán)試樣， 使用BH3000 硬度計(jì)， 依據(jù)ASTM E10-18 標(biāo)準(zhǔn)要 求進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)， 結(jié)果見表3。 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)協(xié)議要求。

表3 外螺紋接頭布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相分析

2.4.1 非失效區(qū)域金相分析

在鉆桿外螺紋接頭處取金相試樣， 依據(jù)ASTM E3-11 （2017）、 ASTM E45-18a、 ASTM E112-13標(biāo)準(zhǔn)， 使用OLS 4100 激光共聚焦顯微鏡對(duì)非失效區(qū)域進(jìn)行金相分析。 分析結(jié)果見表4， 金相組織如圖3 所示。

表4 管體非失效區(qū)域金相分析結(jié)果

圖3 鉆桿外螺紋接頭金相組織

2.4.2 失效區(qū)域金相分析

在鉆桿外螺紋接頭的沖蝕刺孔部位及止裂位置取樣， 進(jìn)行金相分析。 1#（止裂區(qū)）、 2#（沖蝕區(qū)） 金相取樣位置及金相組織如圖4 所示。 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)， 沖蝕區(qū)組織為回火索氏體， 止裂區(qū)裂紋曲折擴(kuò)展， 裂紋周圍組織未見異常， 均為回火索氏體， 裂紋內(nèi)有灰色非金屬物。

圖4 螺紋接頭的各區(qū)域金相組織

2.5 斷口分析及能譜分析

圖5 裂紋面斷口宏觀形貌

觀察經(jīng)超聲波清洗后鉆桿外螺紋接頭上的裂紋斷口形貌， 如圖5 所示。 從圖5 可以看到高壓泥漿在斷面形成的沖蝕痕跡。 在未沖蝕的裂紋面，可觀察到裂紋面呈灰褐色。 裂紋擴(kuò)展面有明顯的腐蝕形貌（如圖6 （a） 所示）， 并呈現(xiàn)輕微的階梯斷裂的疲勞痕跡。 臺(tái)肩止裂部位形貌如圖6 （b） 所示。 采用能譜分析儀對(duì)裂紋面覆蓋的灰色腐蝕產(chǎn)物及止裂部位灰色非金屬物質(zhì)進(jìn)行能譜分析， 分析結(jié)果如圖7 及表5 所示。 由能譜分析結(jié)果可以確定， 裂紋面覆蓋腐蝕產(chǎn)物的主要組成元素為Fe、O、 Si、 S、 K 等， 裂紋內(nèi)灰色非金屬物質(zhì)的主要組成元素為Fe、 O、 Si、 Cl、 S 和Ca 等， 可見該裂紋表面及裂紋內(nèi)產(chǎn)物主要是鐵的氧化物， 其他元素主要是黏土成分及殘留的鉆井液成分。腐蝕產(chǎn)物內(nèi)含有Cl-， 金屬在鹵素陰離子的溶液中易發(fā)生孔蝕。

圖6 裂紋及止裂斷口形貌

圖7 沖蝕刺孔斷口及裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

表5 沖蝕刺孔斷口表面及裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

3 分析與討論

失效鉆桿外螺紋接頭的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合API SPEC 5DP—2009 標(biāo)準(zhǔn)要求， 布氏硬度符合技術(shù)協(xié)議要求， 對(duì)失效鉆桿外螺紋接頭非失效區(qū)域、 沖蝕區(qū)域、 止裂區(qū)域進(jìn)行金相分析， 其組織均為回火索氏體。

從裂紋的宏觀形貌分析可知， 裂紋在整個(gè)圓周呈多源起裂和擴(kuò)展形態(tài)， 且裂紋擴(kuò)展程度存在差異。 多點(diǎn)狀的刺孔是由高壓泥漿沖蝕造成，從外壁萌生并擴(kuò)展， 穿透整個(gè)管壁。

將失效的鉆桿外螺紋接頭上的裂紋打開， 對(duì)斷口面進(jìn)行宏觀和微觀分析， 可見高壓泥漿在斷面形成的沖蝕痕跡， 裂紋面有明顯的腐蝕形貌，局部呈現(xiàn)輕微的疲勞痕跡[1-3]。 對(duì)裂紋面的能譜分析表明， 裂紋表面存在大量的氧化產(chǎn)物。 腐蝕產(chǎn)物內(nèi)含有Cl-， 金屬在鹵素陰離子的溶液中易發(fā)生孔蝕， 作用最強(qiáng)的為Cl-， Cl-不僅能破壞管體表面的鈍化膜， 而且能促進(jìn)小孔腐蝕的 “深挖”能力[4]。

鉆桿接頭在井下工作過程中， 承受拉伸、 壓縮、 彎曲等復(fù)雜載荷作用， 鉆井作業(yè)過程中發(fā)生的卡鉆、 憋鉆等異常情況會(huì)導(dǎo)致鉆柱扭矩增大，尤其鉆柱轉(zhuǎn)速發(fā)生瞬間變化時(shí)所產(chǎn)生的角加速度會(huì)形成巨大的附加扭矩， 使得鉆桿接頭臺(tái)肩部位及螺紋根部應(yīng)力瞬間加大， 當(dāng)扭矩超過接頭上扣扭矩時(shí)， 鉆桿接頭會(huì)發(fā)生井下 “二次上扣”， 尤其是當(dāng)鉆桿接頭上扣扭矩偏低時(shí)， 這種“二次上扣”[5]將會(huì)更加嚴(yán)重。 井下發(fā)生的 “二次上扣”會(huì)導(dǎo)致鉆桿接頭臺(tái)肩面材料承受的壓應(yīng)力快速增大， 應(yīng)力集中更為嚴(yán)重。 鉆桿在使用過程中， 接頭處的密封是通過上扣使密封臺(tái)肩面產(chǎn)生一定的接觸壓應(yīng)力來保證的。 現(xiàn)場(chǎng)上扣扭矩要求最小值為39 300 N·m， 若上扣扭矩不足或鉆桿遇到復(fù)雜情況發(fā)生劇烈振動(dòng)， 造成松動(dòng)情況， 鉆桿接頭臺(tái)肩面未壓緊， 會(huì)導(dǎo)致接頭部位產(chǎn)生縫隙及臺(tái)肩部位、 螺紋根部應(yīng)力集中增大， 且高壓鉆井液由鉆桿接頭縫隙處進(jìn)入接頭， 不斷沖蝕形成孔洞，在沖蝕孔部位萌生裂紋， 在交變載荷及Cl-作用下[6-14]， 逐步擴(kuò)展， 最終穿透整個(gè)基體， 導(dǎo)致鉆桿接頭刺漏失效。

由于鉆桿接頭表面沖蝕損傷程度不同， 裂紋的擴(kuò)展速度也不相同， 從而在宏觀上表現(xiàn)出多點(diǎn)狀的沖蝕孔洞形貌。 能譜分析結(jié)果表明， 裂紋表面存在大量的氧化產(chǎn)物。

綜合以上分析判斷， 鉆桿接頭刺漏失效的原因在于： 在鉆井作業(yè)過程中， 鉆桿接頭承受拉伸、 壓縮、 彎曲等復(fù)雜載荷作用， 處于應(yīng)力集中部位， 若上扣扭矩不足或鉆桿遇到復(fù)雜情況發(fā)生劇烈振動(dòng)， 易引發(fā)鉆桿接頭松動(dòng)， 高壓鉆井液進(jìn)入接頭縫隙形成沖蝕孔[15]， 萌生裂紋， 在交變載荷及Cl-作用下， 產(chǎn)生腐蝕疲勞擴(kuò)展， 從而引起鉆桿接頭刺漏失效。

4 結(jié)論及建議

（1） 鉆桿外螺紋接頭的化學(xué)成分、 力學(xué)性能符合API SPEC 5DP—2009 標(biāo)準(zhǔn)要求， 布氏硬度符合技術(shù)協(xié)議要求。 失效鉆桿外螺紋接頭非失效區(qū)域、 沖蝕區(qū)域、 止裂區(qū)域的金相組織均為回火索氏體。

（2） 鉆桿外螺紋接頭刺穿失效的原因?yàn)殂@桿接頭在井下作業(yè)時(shí)承受拉伸、 壓縮、 彎曲等復(fù)雜載荷作用， 鉆柱發(fā)生劇烈振動(dòng)發(fā)生松動(dòng)或上扣扭矩不足， 高壓鉆井液進(jìn)入接頭縫隙形成沖蝕孔，萌生裂紋， 在拉伸、 壓縮、 彎曲等復(fù)雜載荷及Cl-作用下發(fā)生裂紋擴(kuò)展， 穿透整個(gè)管壁， 最終導(dǎo)致鉆桿接頭刺漏失效。

（3） 建議上扣時(shí)保證鉆桿接頭合適的上扣扭矩， 避免鉆井作業(yè)時(shí)扭矩過大或過小。