李齊富 姜新越 陳長(zhǎng)青 王青林 孫家棟 劉悅來(lái)

（中國(guó)石油渤海石油裝備制造有限公司第一機(jī)械廠，河北 青縣 062950）

?127mm S135鉆桿內(nèi)螺紋接頭脹扣失效分析

李齊富 姜新越 陳長(zhǎng)青 王青林 孫家棟 劉悅來(lái)

（中國(guó)石油渤海石油裝備制造有限公司第一機(jī)械廠，河北 青縣 062950）

對(duì)某油井發(fā)生的?127 mm S135鉆桿內(nèi)螺紋接頭脹扣失效事故及其原因進(jìn)行了調(diào)查分析，并且對(duì)避免同類事故的發(fā)生提出了建議。認(rèn)為在鉆桿接頭的材質(zhì)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，導(dǎo)致鉆桿內(nèi)螺紋接頭脹扣失效的原因是外螺紋接頭密封臺(tái)肩面倒角直徑過(guò)小，井下鉆柱扭矩過(guò)大；內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面承受的接觸壓力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面下陷變形，外螺紋接頭密封臺(tái)肩面在大扭矩的作用下進(jìn)入內(nèi)螺紋接頭鏜孔段，致使內(nèi)螺紋接頭發(fā)生脹扣失效。

內(nèi)螺紋接頭 脹扣 失效 倒角直徑

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

某鉆井公司發(fā)生多起?127 mm S135鉆桿內(nèi)螺紋接頭脹扣失效事故。發(fā)生事故的油井設(shè)計(jì)深度為4 855 m，使用?127 mm S135 18°臺(tái)肩鉆桿，上扣扭矩為49 kN·m。在井深2 500 m內(nèi)，在不同井段提鉆時(shí)都發(fā)現(xiàn)鉆桿內(nèi)螺紋端有不同程度的脹扣失效現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)了卡死。鉆具組合為：?311 mm鉆頭+730×730轉(zhuǎn)換接頭+?229 mm鉆鋌2根+?311 mm穩(wěn)定器1個(gè)+731×630轉(zhuǎn)換接頭+?203 mm螺旋鉆鋌6根+631×410轉(zhuǎn)換接頭+?178 mm螺旋鉆鋌9根+?127 mm鉆桿97根。鉆井參數(shù)為：鉆壓為160～260 kN，泵壓為25～27 MPa，轉(zhuǎn)速為120 r／min。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 宏觀形貌分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料，該批鉆桿內(nèi)螺紋接頭脹扣失效表現(xiàn)為內(nèi)螺紋密封臺(tái)肩面下陷，接頭外徑脹大，部分外螺紋接頭密封臺(tái)肩面在大扭矩的作用下進(jìn)入內(nèi)螺紋接頭鏜孔段發(fā)生卡死現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)量，發(fā)生脹扣失效的內(nèi)螺紋接頭外徑為177.12 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)SY／T 5290－2000《石油鉆桿接頭》標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定的外徑尺寸168.28±0.8 mm。

將鉆桿接頭脹扣失效位置沿縱向剖開，其剖面形貌如圖1所示。由圖1可以看出，內(nèi)、外螺紋接頭密封臺(tái)肩面已發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，內(nèi)螺紋接頭的內(nèi)壁上明顯可見擠壓和摩擦痕跡，在外螺紋接頭密封臺(tái)肩處，多出了1個(gè)截面為直角三角形的周向環(huán)。在此周向環(huán)的整個(gè)外圓周面上，可見明顯的擠壓和磨損痕跡，這與內(nèi)螺紋接頭內(nèi)壁的形貌相匹配。由此可以確定，外螺紋接頭密封臺(tái)肩處的三角形周向環(huán)是從內(nèi)螺紋接頭的密封臺(tái)肩面上剪切剝離下來(lái)的。從內(nèi)螺紋接頭脹扣失效形貌來(lái)看，內(nèi)螺紋接頭的密封臺(tái)肩面已嚴(yán)重變形，由平面變?yōu)樾泵?。從該批鉆桿內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面的下陷形貌可知，外螺紋接頭密封臺(tái)肩面的倒角直徑明顯小于內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面的倒角直徑。經(jīng)測(cè)量，內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面的有效壁厚為9.0 mm，而外螺紋接頭密封臺(tái)肩面的有效壁厚僅為4.5 mm，即內(nèi)、外螺紋接頭密封臺(tái)肩面接觸時(shí)，內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面只有一半的承載面積與外螺紋接頭的密封臺(tái)肩面進(jìn)行接觸。

圖1 鉆桿接頭脹扣失效部分剖面圖

2.2 化學(xué)成分分析

在鉆桿接頭上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，失效鉆桿內(nèi)、外螺紋接頭的化學(xué)成分符合SY／T 5290－2000標(biāo)準(zhǔn)。

表1 失效鉆桿內(nèi)、外螺紋接頭化學(xué)成分分析表 %

2.3 力學(xué)性能分析

在鉆桿內(nèi)、外螺紋接頭上分別取直徑為12.5 mm、標(biāo)距為50.8 mm的縱向圓棒拉伸試樣，10 mm×10 mm×55 mm的縱向和橫向V型缺口沖擊試樣，做拉伸和沖擊試驗(yàn)以及硬度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可知，失效鉆桿內(nèi)、外螺紋接頭的力學(xué)性能符合SY／T 5290－2000標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 金相組織分析

在鉆桿接頭脹扣處取樣，觀察內(nèi)部顯微組織形貌，內(nèi)、外螺紋接頭組織均為回火索氏體，晶粒度為9.0級(jí)。內(nèi)螺紋接頭鏜孔段內(nèi)壁組織有明顯的白亮層組織和基體組織變形（圖2）。白亮層組織為二次淬火馬氏體組織[2]，白亮層的產(chǎn)生主要是由于在使用過(guò)程中接觸面之間的劇烈摩擦產(chǎn)生大量的摩擦熱，使得接觸面的溫度瞬間劇烈升高，達(dá)到相變溫度以上，高溫狀態(tài)的接觸面接觸高壓鉆井液，發(fā)生淬火，從而形成二次淬火馬氏體白亮層組織?？拷_(tái)肩端面螺紋牙的牙頂和牙側(cè)面也都有明顯的白亮層組織，外螺紋接頭密封臺(tái)肩端面也有明顯的白亮層組織和基體組織變形（圖3）。內(nèi)、外螺紋接頭密封臺(tái)肩面區(qū)域的白亮層組織和基體組織變形表明，在內(nèi)螺紋接頭脹扣變形失效的過(guò)程中，內(nèi)、外螺紋接頭密封臺(tái)肩面之間發(fā)生過(guò)劇烈的擠壓、剪切和摩擦作用，產(chǎn)生了大量的摩擦熱，使得表層組織發(fā)生相變。這與前述宏觀形貌分析結(jié)果相符。

表2 失效鉆桿內(nèi)、外螺紋接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表

圖2 內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面內(nèi)壁基體組織變形及白亮層組織圖

3 失效原因分析

3.1 鉆桿外螺紋接頭密封臺(tái)肩面倒角直徑偏小導(dǎo)致內(nèi)螺紋接頭脹扣失效

失效鉆桿外螺紋接頭密封臺(tái)肩面的倒角直徑比內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面的倒角直徑約小9.0 mm，內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面的實(shí)際承載面積僅為整個(gè)密封臺(tái)肩面的50%。而SY／T 5290－2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，內(nèi)、外螺紋接頭密封臺(tái)肩面倒角直徑的尺寸偏差為±0.4 mm。鉆桿在使用過(guò)程中，接頭處的密封是通過(guò)一定的上扣扭矩使密封臺(tái)肩面產(chǎn)生一定的接觸壓力來(lái)保證的。外螺紋接頭密封臺(tái)肩面的倒角直徑偏小，一方面將使內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面的有效承載面積減小，另一方面使得承載面的應(yīng)力向內(nèi)壁偏移。在鉆進(jìn)過(guò)程中，這將使得靠近內(nèi)壁承載面上的接觸壓力成倍增大。當(dāng)內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面承受的接觸壓力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)下陷變形，外螺紋接頭密封臺(tái)肩面在大扭矩的作用下進(jìn)入內(nèi)螺紋接頭鏜孔段，造成內(nèi)螺紋接頭脹扣失效。

圖3 外螺紋接頭密封臺(tái)肩端面基體組織變形和白亮層組織圖

3.2 扭矩過(guò)大導(dǎo)致鉆桿內(nèi)螺紋接頭脹扣失效

正常鉆井的扭矩載荷是不足以引起鉆桿接頭脹扣損壞的，導(dǎo)致井下扭矩過(guò)大的原因主要是大井眼鉆井和突發(fā)的卡鉆、憋鉆事故。發(fā)生事故的井鉆進(jìn)時(shí)選用的鉆頭直徑較大，達(dá)?311 mm，相應(yīng)鉆桿所承受的驅(qū)動(dòng)扭矩就較大。該井在鉆進(jìn)過(guò)程中累計(jì)發(fā)生卡鉆和憋鉆事故5次，當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，鉆柱轉(zhuǎn)速迅速減慢，甚至停止轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆柱瞬間會(huì)產(chǎn)生非?？斓慕羌铀俣龋鄳?yīng)鉆桿接頭承受的反向扭矩將會(huì)瞬間增大。扭矩的增大使得鉆桿接頭密封臺(tái)肩面所承受的接觸壓力增加，從而加速了內(nèi)螺紋接頭脹扣失效的發(fā)生。

3.3 鉆柱的縱向振動(dòng)加劇了鉆桿內(nèi)螺紋接頭脹扣失效

該井使用的是牙輪鉆頭。當(dāng)井底不平或巖性發(fā)生變化時(shí)，牙輪鉆頭將引起鉆柱縱向振動(dòng)甚至跳動(dòng)，這使得鉆柱密封臺(tái)肩面承受的應(yīng)力瞬間增大，尤其是靠近中性點(diǎn)[3]部位的鉆桿接頭臺(tái)肩面，這加劇了內(nèi)螺紋接頭脹扣失效。

3.4 鉆桿上扣扭矩不足導(dǎo)致內(nèi)螺紋接頭脹扣失效

如果連接鉆桿時(shí)的上扣扭矩不足，鉆桿接頭密封臺(tái)肩面沒(méi)有足夠的接觸壓力，在鉆井過(guò)程中鉆桿接頭會(huì)因井下因素引起的上扣扭矩而自行上扣，從而使得鉆桿接頭密封臺(tái)肩面接觸壓力劇增而超過(guò)其屈服強(qiáng)度，最終引起塑性下陷和脹扣失效。如果鉆桿連接時(shí)上扣扭矩為標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)轉(zhuǎn)盤扭矩在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，密封臺(tái)肩面之間的靜摩擦力可以阻止鉆桿接頭在井下自行上扣。該井鉆桿實(shí)際上扣扭矩為49 kN·m，小于API RP 7G[4]標(biāo)準(zhǔn)推薦的上扣扭矩值51.58 kN·m。因此，可以排除鉆桿接頭是因連接上扣時(shí)扭矩過(guò)大損壞的可能性，同時(shí)也說(shuō)明存在由于上扣扭矩偏小，鉆桿接頭在井下自行上扣導(dǎo)致內(nèi)螺紋接頭脹扣失效的可能。

4 結(jié)論與建議

1）失效鉆桿內(nèi)、外螺紋接頭材料性能符合SY／T 5290－2000的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面承受的接觸壓力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，從而導(dǎo)致其發(fā)生下陷變形，外螺紋接頭密封臺(tái)肩面在大扭矩的作用下進(jìn)入內(nèi)螺紋接頭鏜孔段，進(jìn)而引起內(nèi)螺紋接頭脹扣失效。

3）鉆桿外螺紋接頭密封臺(tái)肩面的倒角直徑明顯小于標(biāo)準(zhǔn)要求值，使得承載面的應(yīng)力明顯增大；鉆井過(guò)程中卡鉆和憋鉆事故的發(fā)生，使得鉆柱承受的扭矩瞬間增大。兩者的存在導(dǎo)致內(nèi)螺紋接頭密封臺(tái)肩面壓應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度。

4）建議選用臺(tái)肩面符合標(biāo)準(zhǔn)的高抗扭鉆桿，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求的上扣扭矩上扣。

［1］仝德祥，馬中海，楊析，等.SY／T5290-2000石油鉆桿接頭.中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2001.

［2］王新虎，王磊，謝居良，等.一起少見的鉆桿接頭變形失效事故分析［C］//王新虎.石油管工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究論文集.北京：石油工業(yè)出版社，2006：470－473.

［3］李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析與預(yù)防［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999：20.

［4］美國(guó)石油學(xué)會(huì).API RP 7G Recommended Practice for Drill Stem Design and Operating Limits［S］.北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

（編輯：盧櫟羽）

Abstract:In this study,an expansion failure of screw joint of? 127 mm S135 drilling pipe in one oil well is investigated;some failure reasons are also analyzed,including too small chamfer of sealing station’s shoulder surface of joint,too large torque of downhole drilling pipe;sustaining contact pressure of surface higher than material’s yield strength,resulting in a bogging down of surface;surface entering into the boring section of joint,resulting in a joint expansion.In addition,some suggestions to avoid similar accidents are proposed.

Key Words:screw joint,failure,expansion,chamfer

Expansion FailureAnalysison Screw Joint of 127 mm S135 Drilling Pipe

By LI Qi-fu,JIANG Xin-yue,CHEN Chang-qing,WANG Qing-lin,SUN Jia-dong and LIU Yue-lai

TE28

A

2010－04－01

2010－05－27

李齊富（1964－），助理工程師，從事鉆桿制造及失效分析工作。E－mail：bhnklqf@sina.com

1673-9035（2010）03-0041-03