S135鉆桿管體刺穿失效分析

張 樂(lè)，楊 鵬，趙 旭，劉文紅，施宜君，徐培林

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077； 2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田采氣六廠 陜西 西安 710018； 3.南通永大管業(yè)股份有限公司 江蘇 南通 226000)

0 引 言

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展，在油氣田有很多深井、超深井和大位移井，因此對(duì)鉆具等鉆采設(shè)備提出了更高的要求。鉆桿應(yīng)用于油氣開(kāi)采過(guò)程中，在使用過(guò)程中承受多種載荷，如內(nèi)壓、外壓和扭轉(zhuǎn)彎曲等。在復(fù)雜工況的綜合作用下, 鉆桿失效事故頻發(fā)[1-4], 嚴(yán)重影響鉆井進(jìn)度。所以開(kāi)展鉆具的失效分析工作,提出預(yù)防措施，對(duì)鉆井工作的安全具有重要意義[5-7]。本文對(duì)西部某油田S135鉆桿管體刺穿失效事故進(jìn)行試驗(yàn)分析,以確定其刺穿失效的原因，從而 預(yù)防此類(lèi)事故的再次發(fā)生。

1 事故概況

失效鉆桿管體用于西部某油田，其規(guī)格為Φ114.3 mm×8.56 mm,鋼級(jí)為S135。該鉆桿在下鉆作業(yè)過(guò)程中，鉆井工作人員在鉆井平臺(tái)發(fā)現(xiàn)泵壓降低了5 MPa，于是停止鉆進(jìn)，進(jìn)行起吊鉆柱作業(yè)。在起鉆過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在井深1 500 m位置的鉆桿管體出現(xiàn)了刺穿。刺穿鉆桿下部的鉆柱長(zhǎng)度為3 000 m。

2 宏觀分析

刺穿鉆桿管體宏觀形貌如圖1所示。對(duì)圖1中的刺穿失效樣品進(jìn)行測(cè)量，其長(zhǎng)度為630 mm，外徑為114.3 mm，壁厚為8.56 mm。鉆桿外表面失效處有打磨痕跡，存在兩條清晰的裂紋，且刺孔位于其中一條裂紋的中央位置。經(jīng)過(guò)測(cè)量，穿過(guò)刺孔的裂紋長(zhǎng)度為65 mm，刺孔大小為25 mm×13 mm。將該鉆桿樣品縱向剖開(kāi)，鉆桿內(nèi)壁涂層光滑無(wú)腐蝕現(xiàn)象，內(nèi)表面刺孔大小為25 mm×12 mm，如圖2所示。在該失效鉆桿試樣刨開(kāi)前，用磁粉探傷儀對(duì)其外表面進(jìn)行無(wú)損探傷，除其外表面可見(jiàn)2處裂紋外，未發(fā)現(xiàn)其它超標(biāo)缺陷。

圖1 刺穿失效鉆桿管體樣品宏觀形貌

圖2 失效鉆桿管體內(nèi)表面刺孔宏觀形貌

3 理化性能分析

3.1 化學(xué)成分分析

從刺穿失效鉆桿管體上取樣，用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。

刺穿失效鉆桿管體化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，該失效鉆桿管體的化學(xué)成分分析結(jié)果符合API Spec 5DP—2020《鉆桿》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3.2 力學(xué)性能分析

從失效鉆桿管體上分別取樣，進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。從表2和表3可見(jiàn)，鉆桿管體的拉伸性能和夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果均符合API Spec 5DP—2020《鉆桿》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.3 金相分析

在失效鉆桿管體部位取樣進(jìn)行金相分析，其刺孔附近金相組織為回火索氏體,晶粒度為10.5級(jí),非金屬夾雜物為A0.5、B0.5、D0.5。在管體刺孔附近裂紋尖端取縱向試樣進(jìn)行金相分析，試樣經(jīng)拋光后，其金相組織為回火索氏體，如圖3所示。從圖3可見(jiàn)，裂紋兩側(cè)存在明顯的脫碳層，裂紋中存在灰色物質(zhì)。

圖3 裂紋兩側(cè)的脫碳層

3.4 裂紋中的物質(zhì)微觀分析

將刺孔處的裂紋打開(kāi)，在掃描電子顯微鏡下觀察，該裂紋表面覆蓋著一些灰色物質(zhì)，對(duì)這些灰色物質(zhì)取樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可見(jiàn)，裂紋表面的主要組成元素為Fe、O、Si、Al、Ca、Ba和Mn 元素，由此可見(jiàn)，裂紋表面的灰色物質(zhì)主要為鐵的氧化物和部分泥漿、巖屑的殘留物。

圖4 裂紋表面灰色物質(zhì)能譜分析結(jié)果

4 失效原因綜合分析

以上試驗(yàn)分析結(jié)果表明，刺穿失效鉆桿管體的化學(xué)成分分析、拉伸性能試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果符合API Spec 5DP—2020《鉆桿》標(biāo)準(zhǔn)的要求。將刺孔處的裂紋面打開(kāi)，在掃描電子顯微鏡下分析裂紋表面的灰色物質(zhì)的化學(xué)成分，裂紋表面的主要組成元素為Fe、O、Si、Al、Ca、Ba和Mn,說(shuō)明裂紋中的灰色物質(zhì)為鐵的氧化物和部分泥漿、巖屑的殘留物。

金相分析結(jié)果表明, 刺孔處的裂紋兩側(cè)存在明顯的脫碳層。脫碳是鋼在加熱過(guò)程中表面碳含量降低的現(xiàn)象，主要是鋼中的C在高溫下與氫或氧發(fā)生作用生成CH4或CO[8-9]，說(shuō)明鉆桿生產(chǎn)制造時(shí)產(chǎn)生了該裂紋，即該鉆桿管體在軋制過(guò)程中發(fā)生了開(kāi)裂。由于該鉆桿管體中存在生產(chǎn)制造時(shí)產(chǎn)生的原始裂紋缺陷，因而在使用過(guò)程中由于交變載荷及高壓泥漿的作用,該原始裂紋逐漸擴(kuò)展并最終穿透管壁使鉆桿管體刺穿失效。

5 結(jié)論與建議

1)鉆桿管體的化學(xué)成分分析、拉伸性能和夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果符合API Spec 5DP—2020標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)鉆桿管體刺穿失效的原因是其管體存在生產(chǎn)制造時(shí)產(chǎn)生的原始裂紋缺陷。

3)建議鉆桿下井使用前對(duì)其管體進(jìn)行無(wú)損探傷。