吉 楠，徐明軍，周懷光，謝居良

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.中國(guó)石油塔里木油田公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

隨著油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入，導(dǎo)致深井、超深井、水平井等復(fù)雜工況環(huán)境勘探開發(fā)井的規(guī)模日益擴(kuò)大，數(shù)量急劇增多，且井深呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，這就給勘探開發(fā)中大量使用的鉆具等鉆探設(shè)備提出了更高的要求[1-2]。由于深井及超深井地質(zhì)條件惡劣，鉆井條件復(fù)雜，鉆井難度大，開發(fā)周期長(zhǎng)，隨之而來(lái)的鉆具失效的概率也就會(huì)大大增加。鉆具一旦失效，不僅會(huì)延長(zhǎng)鉆井周期，增大投資成本，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生井毀人亡的慘劇[3-5]。因此，開展對(duì)深井及超深井鉆具的失效分析工作，保障鉆井工作安全有序的進(jìn)行具有十分重要的意義。

本文以西部某油田超深井鉆井中加重鉆桿斷裂失效事故為例，展開失效分析工作，為今后超深井鉆井中加重鉆桿失效事故的預(yù)防提供借鑒。

1 井況信息

1.1 事故概況

該井為定向井，設(shè)計(jì)井深7 600 m，造斜點(diǎn)6 700 m，當(dāng)鉆井至6 570 m時(shí)，懸重由2 467 kN下降到2 381 kN，泵壓由16.1 MPa下降到15.5 MPa，次日上提鉆柱至131.95 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)編號(hào)為第11號(hào)的5 in(1 in=25.4 mm)加重鉆桿在距內(nèi)螺紋接頭臺(tái)肩面約110 mm處發(fā)生斷裂。

1.2 鉆井參數(shù)

鉆井參數(shù)為：鉆壓(20～40) kN，轉(zhuǎn)速螺桿+(20～33) rpm，泵壓(18～19) MPa，排量251 L/s，泥漿密度1.26 g/cm3。

1.3 失效樣品信息

該斷裂的加重鉆桿出廠日期為2014年6月，材質(zhì)為4145H。在此次鉆井過(guò)程中于2019年1月5日入井，入井深度6 560 m，使用純鉆時(shí)間7 h，劃眼20.5 h，進(jìn)尺10 m。

2 宏觀分析

2.1 斷口形貌

圖1所示為加重鉆桿內(nèi)螺紋失效樣品圖。由圖1(a)可知，送檢試樣長(zhǎng)約110 cm，橫向斷裂，外壁有明顯的大鉗牙印。由圖1(b)可知，接頭從距內(nèi)螺紋大端的第14～第15扣之間斷開，大端面基本完好，無(wú)擠壓和磨損情況。內(nèi)螺紋接頭有多牙螺紋發(fā)生損傷變形；螺紋表面鍍層磨損，呈光亮金屬色；螺紋牙頂存在擠壓痕跡，牙頂兩側(cè)出現(xiàn)擠壓棱邊；分析認(rèn)為，螺紋接頭宏觀特征與鉆桿接頭發(fā)生斷裂時(shí)，內(nèi)外螺紋的相互擠壓作用密切相關(guān)。

圖1 失效樣品宏觀照片

失效樣品的斷口宏觀形貌如圖2所示。斷口宏觀特征整體平齊，無(wú)明顯的塑性變形，脆性斷裂的趨勢(shì)顯著。整個(gè)斷面較為平整，無(wú)明顯的塑性變形區(qū)。斷口可以分為2部分，第一部位于第14牙～第15牙螺紋之間，第二部分位于第16牙螺紋的位置。斷面較為光滑且有多處縱向貫穿的刺漏痕跡，局部可見明顯的貝紋線，呈典型的疲勞斷裂特征，如圖3(a)所示。平坦區(qū)處于內(nèi)螺紋根部附近，為疲勞裂紋的源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)，是最早斷裂的區(qū)域；其余斷面高低不平，并伴有扭轉(zhuǎn)痕跡，為最后斷裂區(qū)，如圖3(b)所示。分析認(rèn)為，該斷口起裂于平坦區(qū)的內(nèi)螺紋根部，斷裂后受鉆井泥漿沖刷作用，裂紋源已遭破壞。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 斷口局部放大圖

2.2 幾何尺寸測(cè)量

在失效樣品上沿軸向等間距選取3個(gè)截面進(jìn)行接頭外徑測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1。由表1可知，該失效內(nèi)螺紋接頭外徑測(cè)量結(jié)果小于SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

表1 送檢試樣的外徑測(cè)量結(jié)果 mm

2.3 無(wú)損檢測(cè)

將內(nèi)螺紋接頭試樣縱向剖開后，依據(jù)ASTM E709《磁粉探傷方法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)送檢試樣的外表面及螺紋進(jìn)行磁粉檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，在距內(nèi)螺紋大端12牙的螺紋牙底發(fā)現(xiàn)一條長(zhǎng)約5 mm的周向裂紋，如圖4中紅色圓圈所示，其余位置均無(wú)超標(biāo)缺陷。

圖4 送檢試樣外表面的磁粉檢測(cè)缺陷

3 理化性能分析

3.1 化學(xué)成分分析

在加重鉆桿斷口附近取樣，用直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。由表2可知，送檢試樣的化學(xué)成分符合SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

沿加重鉆桿縱向截取直徑為5 mm、標(biāo)距為25 mm的圓棒拉伸試樣、沿縱向和橫向分別截取10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣、沿橫向截取全壁厚硬度試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，加重鉆桿的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且橫向沖擊功與縱向相近。

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

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 金相分析

在加重鉆桿斷口附近取樣進(jìn)行金相分析，如圖5所示。結(jié)果表明樣品斷口附近金相組織為回火索氏體，晶粒度9.0級(jí)，非金屬夾雜物為A0.5、B0.5、D0.5，未見異常組織。

圖5 加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭金相組織 700x

在螺紋牙底的裂紋處取樣進(jìn)行金相分析，取樣位置如圖4中紅圈所標(biāo)注。裂紋微觀形貌如圖6所示。由圖6可知，起源于螺紋根部，并向外壁擴(kuò)展，裂紋平直無(wú)分叉，根部較粗尖端較細(xì)，裂紋兩側(cè)組織與其他區(qū)域相同，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象，裂紋面內(nèi)也未見有異常物質(zhì)填充。

圖6 螺紋牙底裂紋形貌

3.4 斷口微觀分析

將圖6所示的裂紋采用機(jī)械的方式壓開后在掃描電鏡下進(jìn)行形貌觀察，形貌如圖7所示。由圖7可知，裂紋源區(qū)由于受到泥漿及鉆井液的沖刷，形貌特征已完全被破壞，但在裂紋尖端的位置可以觀察到一些較為細(xì)密的疲勞輝紋。在裂紋表面選取不同的位置進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見表4，分析圖譜如圖8和圖9所示。由分析結(jié)果可知，裂紋表面主要含有C、Fe、Si、O等元素，表面潔凈，并無(wú)腐蝕產(chǎn)物。

圖7 裂紋面微觀形貌圖

表4 裂紋面EDS分析試驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖8 斷口區(qū)域1能譜分析圖譜

圖9 斷口區(qū)域2能譜分析圖譜

4 分析與討論

4.1 理化性能分析

由加重鉆桿的材料理化性能試驗(yàn)結(jié)果可知，其化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果均滿足SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。其金相組織為回火索氏體，晶粒度等級(jí)為9.0級(jí)，A、B、D非金屬夾雜物微觀分析級(jí)別單項(xiàng)不超過(guò)1.0級(jí)，三類總和不超過(guò)2.0級(jí)，未發(fā)現(xiàn)有異常組織和晶粒粗大現(xiàn)象。

4.2 斷口特征分析

由斷口宏觀特征可知，斷口整體呈脆性斷裂特征，端面較為平坦，無(wú)明顯的塑性變形痕跡。裂紋起源于平坦區(qū)的螺紋根部，局部顏色暗淡，具有典型的疲勞斷口特征，且呈多源斷裂。斷口表面有多處縱貫的刺漏痕跡，由于鉆井液和泥漿的沖刷作用，裂紋源區(qū)已被破壞，但在局部仍可見較為明顯貝紋線，為疲勞擴(kuò)展區(qū)。螺紋牙底裂紋面的微觀特征顯示，在裂紋尖端可見較為細(xì)密的疲勞輝紋，呈典型的疲勞斷口微觀特征。由斷口的宏、微觀特征綜合分析認(rèn)為，該加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭的斷裂方式為疲勞斷裂。

4.3 鉆桿受力分析

首先，內(nèi)螺紋接頭斷裂于距內(nèi)螺紋大端的第14～第15扣的位置，該位置為內(nèi)螺紋與外螺紋第1～3扣的嚙合位置，斷裂位置剛好為內(nèi)螺紋的危險(xiǎn)截面[6]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的鉆井資料可知，鉆井參數(shù)為：鉆壓40 kN，轉(zhuǎn)速20～33 rpm，落魚長(zhǎng)度131.48 m，由此計(jì)算可知該加重鉆桿所處的位置在鉆柱中和點(diǎn)之上，在軸向主要受拉伸載荷[7]。此外，在鉆井過(guò)程中，中和點(diǎn)以上的鉆柱通常由于井斜及振動(dòng)等原因，還會(huì)承受旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞載荷[8]。隨著鉆進(jìn)過(guò)程的不斷深入，在交變軸向拉伸載荷和彎曲載荷的不斷作用下，相比于加重鉆桿的其他部位，內(nèi)螺紋的危險(xiǎn)截面處比其他位置更容易萌生裂紋。

其次，由該加重鉆桿的外徑測(cè)量結(jié)果可知，其外徑低于標(biāo)準(zhǔn)值約4 mm，由于失效加重鉆桿從產(chǎn)品使用到失效已近5 a的時(shí)間，其外徑的減小可能與鉆井過(guò)程中加重鉆桿與井壁或套管的磨損作用等密切有關(guān)，外徑的減小必然伴隨著接頭有效承載面積的減小，承載能力降低。由API RP 7G《鉆柱設(shè)計(jì)和操作極限推薦做法》中對(duì)鉆桿抗拉和抗扭強(qiáng)度的計(jì)算公式可知，鉆具的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為式(1)：

P=Ym×A

(1)

式中：P為最小拉伸載荷，kN；Ym為材料的最小屈服強(qiáng)度，MPa；A為管體的橫截面積，mm2。根據(jù)公式(1)計(jì)算可知，當(dāng)外徑減小4 mm后，其抗拉強(qiáng)度降低21.7%。

鉆具的抗扭強(qiáng)度計(jì)算公式為式(2)：

(2)

式中：QT為拉伸載荷下的最小抗扭強(qiáng)度，kN·m；D為鉆桿外徑，mm；P為最小拉伸載荷，kN；Ym為材料的最小屈服強(qiáng)度，MPa；A為管體的橫截面積，mm2。由公式(2)計(jì)算可知，當(dāng)外徑減小4 mm后，其抗拉強(qiáng)度降低15.8%。

由于內(nèi)螺紋接頭承載能力的下降，在交變彎曲和拉伸載荷的作用下，首先在內(nèi)螺紋接頭應(yīng)力最大的螺紋牙底處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋在交變載荷的作用下不斷擴(kuò)展，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，內(nèi)螺紋接頭的有效壁厚不斷減小，當(dāng)接頭有效壁厚不足以承載其所受到的外部載荷，便會(huì)最終導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。

5 結(jié) 論

1)加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭斷裂屬于疲勞斷裂。

2)加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭外徑不符合SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)要求是造成斷裂的主要原因。外徑減小會(huì)使加重鉆桿的抗拉強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度降低，內(nèi)螺紋接頭的承載能力變?nèi)?，在交變載荷的作用下，裂紋從內(nèi)螺紋接頭危險(xiǎn)截面處的螺紋牙底萌生并擴(kuò)展，直至發(fā)生斷裂。