氣體鉆井用Φ139.7 mm鉆桿DS55螺紋接頭斷裂原因分析

李玉民

(中石化中原石油工程有限公司管具公司 河南 濮陽 457331)

0 引 言

隨著石油鉆井深度不斷增大，其鉆具的服役載荷也隨之增加，同時也出現(xiàn)了一些新的鉆井技術(shù)和特殊鉆具。氣體鉆井作為一種加快鉆井速度的技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但是氣體鉆井所使用的鉆具使用時間較短，鉆具發(fā)生失效事故的頻率較高。其中鉆桿失效的比例約為50%，主要發(fā)生在鉆桿的本體部位[1-4]。氣體鉆井時上部鉆桿的壽命僅為鉆井液環(huán)境下的40%[5]。從現(xiàn)場調(diào)研和大量的研究表明，氣體鉆井鉆柱的振動交變載荷大于鉆井液環(huán)境下的振動交變載荷[6-8]，較大的振動交變載荷使鉆具生產(chǎn)疲勞裂紋，最終形成了斷裂失效[9]。從大量的鉆具失效的斷口特征分析，一般宏觀斷口呈現(xiàn)腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕特征。

2018年12月份，西南區(qū)域的某鉆井隊在采用氣體鉆井技術(shù)施工過程中使用Φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿連續(xù)出現(xiàn)幾次雙臺肩鉆桿外螺紋斷裂事故。

1 鉆桿外螺紋接頭斷裂失效情況

四川盆地川東斷褶帶黃金口構(gòu)造帶分水嶺構(gòu)造上的一口開發(fā)評價井設(shè)計垂直井深為5 982 m，斜度井深為6 406.56 m，目的層飛仙關(guān)組三段，二開采用空氣鉆井。空氣鉆進(jìn)至井深1 323.2 m時，鉆壓為4 t，轉(zhuǎn)速為85 r/min，扭矩為11～14 kN·m，在鉆進(jìn)過程中鉆柱懸重突然由100 t下降至46 t，扭矩由11 kN·m上升至16 kN·m，于是判斷鉆具斷裂。起出鉆具并進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)鉆柱中第20柱下單根鉆桿外螺紋端絲扣斷裂在內(nèi)螺紋接箍內(nèi)，魚頂深度為580.5 m，落魚長為742.7 m。

發(fā)生斷裂失效的鉆桿型號為Φ139.7 mm×10.54 mm G105 DS55 雙臺肩接頭鉆桿，外螺紋接頭內(nèi)徑為101.6 mm，外徑為184.2 mm。

2 試驗分析

2.1 斷口形貌宏觀分析

斷裂失效的Φ139.7 mm×10.54 mm G105 DS55 雙臺肩接頭鉆桿的斷口位于外螺紋大端第2扣螺紋根部，距臺肩面的長度為30 mm，其斷口外觀形貌如圖1所示。從圖1可見，該斷口表面70%的區(qū)域為平整形狀。

圖1 鉆桿外螺紋接頭斷口形貌

斷口外側(cè)存在應(yīng)力臺階，是典型的多源疲勞特征，且該部位對應(yīng)于螺紋底部，其形貌如圖2所示。斷口擴(kuò)展區(qū)存在貝紋線，是典型的疲勞特征，其外觀形貌如圖3所示。

圖2 斷口源區(qū)應(yīng)力臺階形貌

圖3 斷口擴(kuò)展區(qū)貝紋線相貌

2.2 斷口形貌微觀分析及金相組織分析

2.2.1 斷口形貌

在斷裂失效的外螺紋斷口上取樣，用掃描電子顯微鏡觀察其斷口微觀形貌，如圖4所示。從圖4可見，該斷口擴(kuò)展區(qū)存在疲勞條帶，屬于典型的疲勞斷口微觀特征。

圖4 斷口擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶微觀形貌

2.2.2 金相組織

在斷裂失效的外螺紋斷口上取樣，用金相顯微鏡下觀察其材料的金相組織，材料的金相組織如圖5所示。從圖5可見，其金相組織為正常的回火索氏體。對其材料的非金屬夾雜物評級和晶粒度金相評級，結(jié)果見表1。

圖5 金相組織形貌

表1 外螺紋材料的金屬夾雜物及晶粒度

2.3 理化性能試驗分析

2.3.1 化學(xué)成分

在斷裂失效的外螺紋斷口上取樣，用ARL-3460直讀光譜儀對其化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。從表2可見，該鉆桿外螺紋接頭材料的化學(xué)成分符合API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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

2.3.2 力學(xué)性能

在斷裂失效的外螺紋接頭上取圓柱形狀的拉伸試樣，標(biāo)距內(nèi)直徑為12.5 mm，試驗溫度為室溫，試驗結(jié)果見表3。從表3的結(jié)果可見，該鉆桿外螺紋接頭材料的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率均符合API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 拉伸性能試驗結(jié)果

在斷裂失效的外螺紋接頭上取縱向夏比沖擊功試樣，其尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，沿壁厚方向加工V型缺口，試樣溫度為21 ℃，試驗結(jié)果見表4。從表4可見，該鉆桿外螺紋接頭材料的縱向沖擊吸收功符合API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 沖擊性能試驗結(jié)果

在斷裂失效的外螺紋接頭上取高度為20 mm的全壁厚硬度試樣，硬度試驗結(jié)果見表5。從表5可見，該鉆桿外螺紋接頭壁厚截面的布氏硬度符合API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 鉆桿外螺紋接頭材料的布氏硬度試驗結(jié)果(HWB5/750)

3 鉆桿外螺紋接頭受力分析

斷裂失效的鉆桿鋼級為G105，外徑為139.7 mm，接頭螺紋型式為5FH雙臺肩(DS55)，依據(jù)API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，外螺紋接頭內(nèi)徑應(yīng)為88.9 mm，(下文簡稱為API鉆桿接頭內(nèi)徑)，水力優(yōu)化的外螺紋接頭內(nèi)徑為101.6mm(下文簡稱為實際鉆桿接頭內(nèi)徑)。

3.1 抗扭強(qiáng)度分析

分別對API單臺肩鉆桿接頭和實際雙臺肩接頭的抗扭強(qiáng)度進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表6。由表6可知，實際雙臺肩鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度比API單臺肩鉆桿接頭降低了14%，比雙臺肩鉆桿接頭(內(nèi)徑88.9 mm)降低了28%。

表6 鉆桿接頭抗扭強(qiáng)度計算結(jié)果

3.2 抗拉強(qiáng)度分析

分別計算鉆桿接頭內(nèi)螺紋和外螺紋危險截面處的抗拉強(qiáng)度，計算結(jié)果見表7。由表7可知，API單臺肩鉆桿接頭的內(nèi)螺紋和外螺紋的抗拉強(qiáng)度匹配性較好，外螺紋的抗拉強(qiáng)度是內(nèi)螺紋抗拉強(qiáng)度的92%，實際雙臺肩鉆桿螺紋接頭的抗拉強(qiáng)度下降了22%，外螺紋的抗拉強(qiáng)度比內(nèi)螺紋降低了28%。

表7 鉆桿接頭抗拉強(qiáng)度計算結(jié)果

3.3 鉆桿接頭內(nèi)徑和外徑分析

大水眼雙臺肩螺紋鉆桿的接頭內(nèi)徑值較大，而其外徑值較小，這樣可以有效減少鉆井壓耗、降低泵壓和降低鉆井液鉆井施工的難度，在國內(nèi)深井、超深井得到了廣泛的應(yīng)用，如在塔河超深井使用中有效降底了泵壓、增加了排量[10]。因此大水眼雙臺肩螺紋鉆桿也成為深井、超深井鉆井提速不可缺少的工具。非標(biāo)大水眼鉆桿開發(fā)和應(yīng)用也得到了長足的發(fā)展，其主要特點(diǎn)是減小接頭外徑，增加接頭內(nèi)徑來達(dá)到最好的水力性能。目前主要有兩大系列：一種是在API鉆桿接頭螺紋的基礎(chǔ)上通過增加雙臺肩的方式，既螺紋的錐度為1：6，增大了公接頭的內(nèi)徑。另一種是減小鉆桿螺紋的錐度和采用雙臺肩方式，既螺紋的錐度一般為1：12或1：16，同時減小了接頭的外徑，增大了內(nèi)徑。無論哪一方式，在相同的材料屈服強(qiáng)度條件下，隨著外螺紋接頭內(nèi)徑增大，其抗扭強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均產(chǎn)生了降低[11]。

在鉆桿接頭設(shè)計中，鉆桿接頭內(nèi)徑、外徑確定后，要對內(nèi)、外螺紋的匹配度進(jìn)行校驗。如果兩者的強(qiáng)度匹配程度不合理，強(qiáng)度弱的一端就容易斷裂。鉆桿接頭內(nèi)外徑的匹配度用Ab/Ap指標(biāo)進(jìn)行判定，Ab/Ap為外螺紋與內(nèi)螺紋最薄弱位置截面的面積比。1.10≤Ab/Ap≤1.15為理想范圍，即使不能滿足此要求，也必須達(dá)到0.83≤Ab/Ap≤1.40[12]。

表8為Φ139.7 mm鉆桿接頭的參數(shù)，其中第5和第6種接頭為分別為API G105和API S135的標(biāo)準(zhǔn)接頭，接頭的內(nèi)外徑匹配在理想范圍，而第1和第3種接頭內(nèi)徑為101.6 mm的大水眼雙臺肩鉆桿接頭，Ab/Ap分別為1.40和1.35，超出理想范圍，但在可接受范圍。該種鉆桿由于較好的水力性能，可用于循環(huán)壓耗高的鉆井環(huán)境。第2和第4種接頭的內(nèi)徑均為88.9 mm，為普通雙臺肩鉆桿接頭，Ab/Ap分別為1.08和1.03，處于理想范圍，但其接頭的抗扭強(qiáng)度較API標(biāo)準(zhǔn)接頭提高了30%，可用于對抗扭強(qiáng)度較高的鉆井環(huán)境。在氣體鉆中，降底氣體的壓力損失并不明顯。因此空氣使用的鉆桿應(yīng)選用第5和第6種接頭的鉆桿。

表8 鉆桿接頭內(nèi)外徑匹配度計算結(jié)果

4 失效原因綜合分析

宏觀分析表明，斷口源區(qū)存在應(yīng)力臺階，擴(kuò)展區(qū)存在貝紋線，這些均為疲勞斷裂的典型宏觀特征。斷口微觀分析表明，斷口擴(kuò)展區(qū)存在疲勞條帶，是疲勞斷裂的典型微觀特征，因而該鉆桿外螺紋接頭斷裂屬于疲勞斷裂。

該鉆桿鋼級為G105，外徑為139.7 mm，接頭螺紋型式為5FH雙臺肩，API鉆桿外螺紋接頭內(nèi)徑為88.9 mm，經(jīng)水力優(yōu)化的外螺紋接頭內(nèi)徑為101.6 mm。通過計算可知，實際雙臺肩鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度比API單臺肩鉆桿接頭降低了14%，實際雙臺肩鉆桿外螺紋抗拉強(qiáng)度比內(nèi)螺紋降低了28%，接頭的抗拉強(qiáng)度比API鉆桿接頭降低了22%。外螺紋接頭的抗拉強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度均明顯低于內(nèi)螺紋的抗拉強(qiáng)度。從鉆桿接頭內(nèi)外徑匹配度分析，采用的大水眼雙臺肩結(jié)構(gòu)的Ab/Ap值已超理想范圍，屬于可接受范圍，在空氣鉆井劇烈的振動條件下容易發(fā)生疲勞斷裂。而采用標(biāo)準(zhǔn)的API接頭Ab/Ap值屬于理想范圍，適宜用于空氣鉆井的惡劣條件。經(jīng)過以后十幾口井的實踐經(jīng)驗也驗證了這個結(jié)果，使用標(biāo)準(zhǔn)的API接頭再未出現(xiàn)類似的失效事故。

根據(jù)發(fā)生失效事故的油氣井的測斜數(shù)據(jù)，該井在井深48.7 m處存在2.4°/30 m的斜度。由于上部井段存在較大的狗腿度，位于該井段的鉆桿會發(fā)生疲勞失效，這也是該鉆桿疲勞斷裂的原因之一。

鉆具發(fā)生斷裂時，所鉆地層為上沙溪廟組，巖性以河流相沉積為主，即巖性主要為泥巖、粉砂巖和石英砂巖，底部為砂和泥巖的不等厚互層。其中的泥巖硬度較軟，石英砂巖硬度較高，巖性不均程度較大，容易引起鉆柱縱振(即跳鉆)和扭振(即憋鉆)，振動載荷加速了鉆具疲勞失效。為減少鉆具事故也要關(guān)注所采用的鉆頭、鉆井施工的鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和井下溫度，并采取適當(dāng)?shù)拇胧13]。應(yīng)加強(qiáng)鉆具的檢驗和探傷[14]。鉆桿的磨損會降底其強(qiáng)度和抗疲勞能力，這是鉆桿接頭失效的主要原因[15]。使用空氣錘，選用適合氣體鉆井的鉆具及螺紋以及使用扶正器和空氣減震器都是降底鉆具失效的有效措施[16-20]。

5 結(jié)論及建議

1)Φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿接頭外螺紋斷裂為疲勞斷裂。

2)氣體鉆井不應(yīng)使用Φ139.7 mm雙臺肩大水眼鉆桿接頭鉆桿，應(yīng)使用5FH螺紋接頭鉆桿。

3) 建議控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，采用低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速配合低速空氣螺桿的復(fù)合鉆井技術(shù)，在鉆柱結(jié)構(gòu)上采用塔式鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)，并在鉆頭上方裝配空氣減震器等，從而降低鉆具的振動載荷。