孔學(xué)云，劉金山，馬認(rèn)琦，于瀟偉，于小龍

（中海油能源發(fā)展監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司，天津300452） ①

鉆桿接頭斷裂失效原因分析與預(yù)防

孔學(xué)云，劉金山，馬認(rèn)琦，于瀟偉，于小龍

（中海油能源發(fā)展監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司，天津300452） ①

鉆桿接頭斷裂形貌、原材料化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能和斷口處EDS微觀能譜分析表明，熱處理調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)不合理使材料組織沒有完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織，導(dǎo)致鉆桿接頭的強(qiáng)度偏低，在較大的扭矩和鉆壓下鉆桿接頭發(fā)生塑性斷裂。提出了預(yù)防鉆桿接頭斷裂的措施。

鉆桿接頭；斷裂；熱處理

在深井、定向井、水平井和大位移井鉆進(jìn)過程中，鉆柱承受較大的扭矩，同時，還承受鉆井液內(nèi)壓力和沖蝕，因此，鉆柱斷裂失效事故居多，特別是鉆桿和鉆桿接頭螺紋連接處斷裂失效占多數(shù)。本文針對某定向井在開窗側(cè)鉆過程中88.9mm（3英寸）鉆桿接頭斷裂失效故障，對鉆桿接頭形貌和材料的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能、EDS能譜進(jìn)行綜合分析，確定鉆桿接頭斷裂原因，提出改進(jìn)和預(yù)防措施。

1 事故情況

在某定向井開窗側(cè)鉆過程中，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至3 640 m時，扭矩突然升高至14.6kN·m，現(xiàn)場技術(shù)人員立即進(jìn)行故障檢查。蹩停頂驅(qū)，上提鉆具以釋放扭矩，此時，絞車無法上提故障鉆具。繼續(xù)蹩扭矩至20kN·m，鉆具還是無法轉(zhuǎn)動。緩慢釋放扭矩并再次蹩扭矩至25kN·m、維持2min，發(fā)現(xiàn)鉆具懸重突然下降至950kN，技術(shù)人員判斷鉆具脫落。起鉆至井口發(fā)現(xiàn)，鉆具從139.7mm（5英寸）鉆桿連接88.9mm（3英寸）鉆桿變扣接頭（410×311）公扣根部螺紋最后1扣位置處斷裂，鉆桿接頭斷裂宏觀形貌如圖1所示。

由圖1可以看出：接頭斷裂處不在根部，而是在公扣根部螺紋最后1扣位置，斷口部分區(qū)域存在明顯分層現(xiàn)象，靠近接頭內(nèi)壁處斷口較鋒利，具有撕裂狀特征。在公扣根部螺紋最后1扣外壁可見明顯剪切狀形貌，判定斷口裂紋源區(qū)在外壁，裂紋是由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展而斷裂［1］。

圖1 接頭斷裂宏觀形貌

2 接頭材料檢測與分析

該自主設(shè)計的鉆桿接頭是按照API Spec7— 2001《旋轉(zhuǎn)鉆柱構(gòu)件規(guī)范》設(shè)計，原材料為42CrMo，170mm熱軋棒料，鉆桿接頭初加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)（淬火＋回火）處理。對斷裂鉆桿接頭取樣并進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織檢測與分析。

2.1 化學(xué)成分

將斷裂鉆桿接頭局部線切割取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果表1所示。將檢測到的成分與GB／T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中成分進(jìn)行對比，斷裂鉆桿接頭化學(xué)成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 斷裂鉆桿接頭材料化學(xué)成分 wB%

2.2 力學(xué)性能

將斷裂鉆桿接頭沿軸線方向進(jìn)行線切割取樣，按照GB／T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進(jìn)行制樣（試樣規(guī)格10.05mm）和拉伸試驗，并對鉆桿接頭進(jìn)行硬度和沖擊功檢測。將檢測得到的力學(xué)性能數(shù)據(jù)與SY／T 5290—2000《石油鉆桿接頭》中接頭的力學(xué)性能對比，如表2，可知該鉆桿接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的強(qiáng)度，因此不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 斷裂鉆桿接頭力學(xué)性能檢測結(jié)果

2.3 EDS能譜分析

在斷裂接頭斷口處取樣，采用掃描電鏡進(jìn)行EDS能譜分析，觀察斷口區(qū)域的微觀形貌并選擇2處進(jìn)行能譜分析，如圖2所示。由檢測結(jié)果可知：斷口區(qū)域2處的化學(xué)元素種類及含量基本相同，說明化學(xué)成分比較均勻，且主要元素為Fe、Si、Mn、Cr和極少量的Al，未見有明顯的O元素存在，因此，該接頭不是由于腐蝕造成裂紋源而斷裂。

圖2 斷裂接頭斷口處EDS能譜分析

2.4 金相組織［2－4］

在斷裂鉆桿接頭斷口處取樣，然后經(jīng)過100＃、200＃、400＃、600＃、800＃、1000＃砂紙打磨后在拋光機(jī)上拋光，用4%的硝酸酒精腐蝕，在蔡式顯微鏡下觀察其金相組織和夾雜物（如圖3）。

由圖3可知，斷裂鉆桿接頭的金相組織為回火索氏體＋鐵素體＋上貝氏體混合組織；內(nèi)部夾雜物有2類，分別為C1.5和D1.5。根據(jù)國標(biāo)GB／T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，非金屬夾雜物為硅酸鹽類和環(huán)狀氧化物類，級別i＝1.5。

圖3 斷裂鉆桿接頭金相組織

根據(jù)上述斷裂鉆桿接頭化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織檢測結(jié)果可知，斷裂鉆桿接頭結(jié)構(gòu)完全按照API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，原材料化學(xué)成分符合要求。材料熱處理工藝設(shè)計要求為調(diào)質(zhì)（淬火＋回火）處理，該工藝下的理想組織應(yīng)該為回火索氏體，而實際檢測出的金相組織為“回火索氏體＋鐵素體＋上貝氏體”的混合組織，混合組織中的鐵素體主要是淬火加熱溫度不夠或是加熱時間較短，導(dǎo)致金相組織在加熱過程中沒有完全奧氏體化，組織中還有殘留的鐵素體沒有轉(zhuǎn)變成奧氏體；組織中的上貝氏體主要是由于淬火介質(zhì)溫度較高，導(dǎo)致淬火速度較慢，有一部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變成上貝氏體，沒有完全轉(zhuǎn)變成馬氏體。上貝氏體和鐵素體組織的存在，使得材質(zhì)的屈服和抗拉強(qiáng)度降低，這也和檢測出的力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度為645MPa、抗拉強(qiáng)度為825MPa）相對應(yīng)。

由此可見，導(dǎo)致鉆桿接頭斷裂主要原因是熱處理工藝參數(shù)不合理，使得金相組織沒有按照設(shè)計要求的組織轉(zhuǎn)變，造成材料整體強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度為645 MPa、抗拉強(qiáng)度為825MPa）下降，并低于SY／T 5290—2000《石油鉆桿接頭》中要求強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度為827MPa、抗拉強(qiáng)度為965MPa），導(dǎo)致鉆桿接頭斷裂。

3 改進(jìn)及效果

根據(jù)鉆桿接頭斷裂原因分析，重新設(shè)計和加工了一批88.9mm（3英寸）鉆桿接頭。鉆桿接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)API Spec7—2001標(biāo)準(zhǔn)，接頭原材料選擇42CrMo，材料出廠的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織和低倍組織（一般偏析為1級、中心疏松為1.5級、非金屬夾雜物為D類1.5級）符合GB／T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求。鉆桿接頭初加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，其工藝為將初加工件緩慢加熱至880℃，保溫1h，進(jìn)行油淬（油溫為80℃），然后進(jìn)行回火（600℃保溫5h），熱處理工藝如圖4所示。

圖4 新設(shè)計鉆桿接頭調(diào)質(zhì)處理工藝示意

對新設(shè)計和加工的鉆桿接頭進(jìn)行硬度檢測，平均硬度為31HRC，滿足SY／T 5290—2000《石油鉆桿接頭》中硬度要求。

新設(shè)計和加工的88.9mm（3英寸）鉆桿接頭中有5個鉆桿接頭已在BZ34某水平井鉆井中應(yīng)用，成功完成了這幾口井鉆井任務(wù)，鉆桿接頭未見斷裂。

4 結(jié)論

1） 鉆桿接頭斷裂的主要原因是熱處理工藝參數(shù)不合理，導(dǎo)致產(chǎn)品的金相組織不符合要求。

2） 加工工藝要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

3） 原材料的組織、缺陷、夾雜物和性能要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和出廠要求。

4） 根據(jù)鉆桿接頭具體設(shè)計要求，制定合理的熱處理工藝。要對熱處理后的接頭性能進(jìn)行檢測，以保證鉆桿接頭的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］ 王新虎，薛繼軍，謝巨良，等.鉆桿接頭抗扭強(qiáng)度及材料韌性指標(biāo)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2006，35（1）：1－4.

［2］ 崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：296－297.

［3］ 黃振東.鋼鐵金相圖譜［M］.北京：中國科技文化出版社，2005：296－297.

［4］ 孔學(xué)云，馬認(rèn)琦，于海永.40CrMnMo鋼軸心管淬火開裂原因分析與預(yù)防措施［J］.金屬熱處理，2010，35（2）：91－94.

Drill Pipe Sub Fracture Reason Analysis and Prevention

KONG Xue－yun，LIU Jin－san，MA Ren－qi，YU Xiao－wei，YU Xiao－long
（CNOOC Energy Technology ＆Services Supervision ＆Technology Co.，Tianjin300452，China）

Fracture reason of the drill pipe sub were analyzed by fracture morphology and chemical composition and microstructure and the mechanical properties and EDS，the results showed that unreasonable heat treatment resulted in incomplete tempered sorbitic microstructure and low mechanical strength.In the drilling progress，the drill pipe sub was cracked by powerful moment and drill pressure，finally bringing forward preventive measure of drill pipe sub cracking.

drill pipe sub；cracking；heat treatment

1001－3482（2012）08－0040－04

TE921.207

A

2012－02－08

中國海洋石油總公司科研項目（CNOOC－KJ 125ZDXM 12LTD 03JDJL 2011）

孔學(xué)云（1980－），女，內(nèi)蒙古烏盟人，工程師，碩士，2007年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料加工工程專業(yè)，主要從事石油工具結(jié)構(gòu)和材料研究，E－mail：kongxy＠cnooc.com.cn。