趙金鳳，余世杰，2，袁鵬斌，帥亞民

（1.上海海隆石油管材研究所，上海200949；2.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都610500；3.上海海隆石油鉆具有限公司，上海200949）①

加重鉆桿接頭刺漏原因分析

趙金鳳1，余世杰1，2，袁鵬斌1，帥亞民3

（1.上海海隆石油管材研究所，上海200949；2.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都610500；3.上海海隆石油鉆具有限公司，上海200949）①

某井在鉆井過程中發(fā)生1例加重鉆桿接頭刺漏事故。為了查明該鉆桿接頭刺漏原因，對該刺漏接頭進(jìn)行了試驗分析，包括刺漏處形貌宏觀和微觀分析，化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗。分析結(jié)果表明，鉆桿接頭內(nèi)壁上加工刀痕引起的淬火裂紋是導(dǎo)致接頭發(fā)生刺漏的主要原因。建議改善加重鉆桿接頭的機(jī)加工精度。

加重鉆桿接頭；刺漏；加工刀痕；淬火裂紋；失效分析

鉆桿接頭的螺紋是鉆柱的最薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)國內(nèi)外大量資料分析和油田現(xiàn)場調(diào)研分析，鉆桿接頭的失效位置以公螺紋和母螺紋刺漏、斷裂失效為主。一般來說，鉆桿接頭的刺穿及斷裂主要是由于裂紋從鉆桿接頭內(nèi)壁向外壁不斷擴(kuò)展，剩余厚度愈來愈薄，到一定程度時，管內(nèi)高壓鉆井液會把這些局部剩余材料沖開而刺穿，泵壓隨之下降。如果不能及時發(fā)現(xiàn)，刺孔加裂紋的總長度超過其臨界裂紋尺寸，即會發(fā)生斷裂失效，其失效模式通常是開裂、刺穿、斷裂。

由于接頭服役條件比較惡劣，在使用過程中要承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、振動、沖擊等多種載荷的復(fù)合作用，并受到鉆井液、地層水以及油氣中的腐蝕性氣體介質(zhì)的腐蝕，在鉆進(jìn)過程經(jīng)常發(fā)生失效，造成井下事故。因此，有必要對鉆桿接頭失效案例進(jìn)行研究，查明發(fā)生失效的原因，有針對性地采取預(yù)防措施，避免類似事故的再次發(fā)生。

2013-07，在加拿大某油田鉆井作業(yè)過程中發(fā)生一起?101 m m（4英寸）加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭刺漏事故。該加重鉆桿下井作業(yè)時間不久，刺漏點位于鉆桿接頭的大鉗空間部位。筆者對其發(fā)生刺漏的原因進(jìn)行了分析。

1 試驗樣品簡介

該油田選用?101.6 m m×18.25 m m的加重鉆桿，在使用過程中發(fā)生1例加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭刺漏事故。根據(jù)油田反映，發(fā)生接頭刺漏事故的加重鉆桿的下井作業(yè)時間不久。該接頭的外徑?133.4 m m，內(nèi)徑?65.1 m m，螺紋類型N C40，材質(zhì)4145 M O D，材料狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。

2 宏觀分析

2.1 刺漏處形貌

送檢的刺漏樣品宏觀形貌如圖1a所示，樣品長約450 m m，為加重鉆桿母接頭的大鉗部位，刺孔位于接頭的大鉗空間上；經(jīng)觀察測量，該刺漏接頭外壁無明顯腐蝕，刺孔沿管體周向分布，其周向長度為22 m m，寬度約為6 m m，接頭外壁刺孔處的局部宏觀形貌如圖1b；其次，對接頭內(nèi)壁進(jìn)行形貌觀察發(fā)現(xiàn)，接頭內(nèi)壁未涂防腐涂層，存在一層在熱處理時產(chǎn)生的灰黑色氧化皮，接頭內(nèi)壁上的刺孔周向長度較大，且在刺孔的同一周面上存在一圈劃痕凹槽，為接頭內(nèi)壁鏜孔形成的周向加工刀痕，刺孔正好位于內(nèi)壁環(huán)向加工刀痕處，在距刺孔約50 m m處存在另一圈環(huán)向刀痕，內(nèi)壁局部形貌如圖1c所示。

圖1 加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭刺漏的宏觀形貌

2.2 磁粉探傷

對樣品刺孔附近區(qū)域進(jìn)行磁粉探傷檢測，如圖2，結(jié)果表明接頭外壁除了刺孔外并無其他裂紋。用超聲壁厚測量儀對刺孔所在周向殘余壁厚進(jìn)行測量，測得在刺孔所在圓周上的平均殘余壁厚約為4～5 m m，最小處幾乎為0（穿孔處除外），說明接頭內(nèi)壁的刺孔裂紋整圈已經(jīng)快穿透接頭壁厚。

圖2 刺孔附近磁粉探傷外壁形貌

2.3 解剖分析

將失效樣品沿縱向剖開，剖開后的內(nèi)壁形貌如圖3a，可以明顯看到接頭內(nèi)壁上存在兩條平行的加工刀痕，刺孔正好位于其中一個較深的加工刀痕處，從內(nèi)壁測量刺孔長度約37 m m，寬度約4 m m，刺孔局部形貌如圖3b；其次，從接頭剖開的縱截面，可以清晰看到刺孔裂紋起源于刀痕處，裂紋幾乎穿透整個壁厚，其整體走向相對較直，如圖3c。

將刺孔沿接頭橫向壓開，壓開后刺孔形貌如圖3d，刺漏處裂紋原始形貌已經(jīng)被高壓鉆井液沖蝕破壞，表面覆蓋了一層黃褐色的腐蝕產(chǎn)物，整個刺孔面呈三角形形貌，外壁開口較小，內(nèi)壁開口較大，壓開后的刺孔形貌也表明，刺孔起源于內(nèi)壁的加工刀痕底部，裂紋由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。

圖3 刺孔周邊形貌（解剖后）

3 材質(zhì)分析

3.1 化學(xué)成分分析

在刺漏鉆桿接頭上取樣，采用直讀光譜儀對其化學(xué)成分進(jìn)行分析。分析結(jié)果如表1。結(jié)果表明該鉆桿接頭的化學(xué)成分符合A PI Spec 5D P［1］標(biāo)準(zhǔn)對于鉆桿接頭材質(zhì)的要求。

表1 失效接頭材料的化學(xué)成分分析結(jié)果wB%

3.2 力學(xué)性能試驗

按照A PI Spec 7—2006標(biāo)準(zhǔn)，在失效樣品上沿接頭軸向分別規(guī)格為?12.5 m m圓棒拉伸試樣和規(guī)格為10 m m×10 m m×55 m m的夏比V形缺口沖擊試樣，按照A S T M A370標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表2。結(jié)果表明失效鉆桿接頭的力學(xué)拉伸性能均符合A PI Spec 7-1標(biāo)準(zhǔn)［2］要求。

表2 失效接頭材料的力學(xué)性能試驗結(jié)果

3.3 硬度試驗

在失效加重鉆桿接頭上取環(huán)狀試樣，測試位置為整個壁厚的外壁、中部和內(nèi)壁，按A S T M E10-10試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布氏硬度試驗，試驗結(jié)果如表3，結(jié)果表明內(nèi)螺紋接頭硬度試驗結(jié)果符合A PI Spec 7-1標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 布氏硬度試驗結(jié)果H B

4 金相分析

4.1 接頭基體金相分析

在鉆桿接頭裂紋附近取金相試樣，觀察面為縱截面，試樣經(jīng)打磨拋光后，根據(jù)G B／T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》、G B／T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定方法》、G B／T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》對送檢接頭的正常部位進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果表明接頭的基體組織為回火索氏體（如圖4），夾雜物為C類細(xì)系0.5級，D類細(xì)系0.5級。晶粒度為8.0級。

圖4 基體組織形貌

4.2 刺孔區(qū)域金相分析

對刺孔附近裂紋擴(kuò)展形貌及其周邊組織進(jìn)行觀察分析，裂紋整體擴(kuò)展形貌如圖5，其擴(kuò)展形貌與宏觀觀察結(jié)果一致，裂紋開口較大，從內(nèi)壁至外壁，裂紋寬度逐漸減小，裂紋整體走向較直，與內(nèi)壁約呈60°夾角。經(jīng)高倍鏡觀察，刺孔裂紋前半部分兩側(cè)存在嚴(yán)重氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋兩側(cè)存在氧化脫碳現(xiàn)象的長度約占裂紋總長的2／5，其長度約13 m m，裂紋尖端呈沿晶分布，裂紋開口處、中間及裂紋尖端的組織如圖6所示。

根據(jù)金相組織分析結(jié)果，可以推測此次引發(fā)刺漏的裂紋起源于內(nèi)壁加工刀痕底部，在熱處理過程中發(fā)生進(jìn)一步的淬火開裂，形成淬火裂紋，淬火裂紋在后續(xù)的使用過程中延伸擴(kuò)展，最終形成接頭刺孔。

圖5裂紋擴(kuò)展形貌

圖6 裂紋局部組織形貌

5 微區(qū)形貌分析

為了進(jìn)一步觀察分析此次引發(fā)接頭刺漏的裂紋形貌及類型，在刺孔附近裂紋未穿透接頭壁厚的區(qū)域取樣，并沿著裂紋橫向壓開，用電子掃描顯微鏡對裂紋面形貌進(jìn)行觀察分析。

解剖后的裂紋面宏觀形貌如圖7，除壓開的新鮮斷口（裂紋未穿透區(qū)域）呈銀灰色金屬光澤外，其余區(qū)域覆蓋一層黃褐色的腐蝕產(chǎn)物，在裂紋擴(kuò)展尖端存在裂紋擴(kuò)展匯合形成的“棘輪花樣”。斷口經(jīng)清洗后，裂紋擴(kuò)展區(qū)域的局部微觀形貌如圖8，裂紋面氧化嚴(yán)重，為經(jīng)過高溫加熱后的形貌，在將裂紋面氧化產(chǎn)物清除后的一些區(qū)域能觀察到裂紋呈沿晶擴(kuò)展形貌。

圖7 裂紋斷口形貌（解剖開后）

圖8 斷口微區(qū)形貌（沿晶）

6 綜合分析

1） 送檢接頭的化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析結(jié)果符合A PI Spec 5DP和A PI Spec 7-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2） 宏觀觀察發(fā)現(xiàn)刺孔正好位于內(nèi)壁加工刀痕所在圓周上，經(jīng)磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)刺孔附近的裂紋已經(jīng)從內(nèi)壁穿透整個壁厚擴(kuò)展至外壁，用超聲壁厚測量儀對刺孔所在圓周的周向殘余壁厚進(jìn)行測量，測得在刺孔所在圓周上的平均殘余壁厚約為4～5 m m，最小處幾乎為零（穿孔處除外）。因加重鉆桿接頭壁厚較厚，且該刺漏接頭使用時間較短，初步推測該接頭在下井作業(yè)前已經(jīng)存在原始裂紋，在使用過程中裂紋進(jìn)一步延伸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接頭刺漏。

3） 經(jīng)金相觀察分析，刺孔周邊的裂紋整體走向較直，裂紋開口寬度較大，從內(nèi)壁至外壁裂紋的寬度逐漸減小，前半段裂紋兩側(cè)存在氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋尖端呈沿晶分布，根據(jù)裂紋的走向及周邊的組織形貌，可以判定該裂紋屬于淬火裂紋，而裂紋正好位于加工刀痕處，且為環(huán)向裂紋，推測在淬火冷卻過程中，加工刀痕底部應(yīng)力集中造成接頭淬火開裂［3-5］。此外，將裂紋壓開后，發(fā)現(xiàn)斷口表面的局部區(qū)可見沿晶分布形貌［6］，進(jìn)一步證實該裂紋屬于淬火裂紋。

綜上所述，內(nèi)壁加工刀痕引起的淬火裂紋是導(dǎo)致此次接頭刺漏的主要原因。

7 結(jié)論

1） 送檢接頭的化學(xué)成分、力學(xué)性能符合A PI Spec 5D P和A PI Spec 7-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2） 內(nèi)壁加工刀痕引起的淬火裂紋是導(dǎo)致此次接頭刺漏的主要原因。

3） 建議提高接頭內(nèi)壁機(jī)加工精度，加強(qiáng)接頭成品出廠前的檢查力度，避免類似事故的再次發(fā)生。

［1］ A PI Spec 5D P，Specification for Drill Pipe［S］.2009．

［2］ A PI Spec 7-1，Specification for Rotary Drill Stem Elements［S］.2006．

［3］ 陳興云.模具鋼淬火裂紋產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)防措施［J］.熱加工工藝，2006，35（4）：57-59.

［4］ 崔順賢，黃偉，葉頂鵬，等.鉆鋌內(nèi)螺紋接頭橫向開裂失效分析［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（11）：44-48.

［5］ 劉宗昌.淬火高碳馬氏體沿晶斷裂機(jī)制［J］.金屬學(xué)報，1989，25（4）：294-300.

［6］ 劉進(jìn)益.熱處理裂紋分析［J］.東方電機(jī)，2009（1）：44-51.

Cause Analysis of H W D P Tool Joint W ash Out

Z H A O Jin-feng1，Y U Shi-jie1，2，Y U A N Peng-bin1，S H U AI Ya-min3
（1．Shanghai Hilong Oil Tubular Goods Research Institute，Shanghai200949，China；2．School of M aterials Science and Engineering，South west Petroleu m University，Chengdu610500，China；3．Shanghai Hilong Drill Pipe Co．，Ltd．，Shanghai200949，China）

A heavy weight drill pipe（H W D P）tool joint wash out happened during the drilling process of a certain well.In order to find out the cause of the drill pipe tooljoint wash out，macro and micro m orphology analysis，material chemical co m position analysis，mechanical properties test to the wash out tooljoint were taken.A nalysis results show that the main reason of the tooljoint wash out is quenching crack caused by machining marks on the inner surface.Im proving machining accuracy of H W D P tooljoint is suggested.

H W D P tooljoint；wash out；machining marks；quenching crack；failure analysis

T E921.207

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.010

1001-3482（2014）08-0047-05

2014-02-20

趙金鳳（1985-），女，河南周口人，工程師，碩士，2011年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，主要從事石油鉆具研究及失效分析，E-mail：zhao_jf＠126.co m。