關(guān)慶齡，朱曉輝，李 春，劉哲旭

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北三河 065200）

近年來(lái)，海上鉆井鉆具刺漏數(shù)量發(fā)生率較多，鉆具刺漏約占鉆具失效總數(shù)的90.5%。鉆具服役環(huán)境比較惡劣，受力狀態(tài)十分復(fù)雜，主要包括扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉壓載荷，同時(shí)還受到環(huán)境介質(zhì)的影響，如鉆井液、H2S、CO2、溫度、壓力等。長(zhǎng)期以來(lái)，鉆具失效統(tǒng)計(jì)及分析結(jié)果表明，油田鉆具損壞的主要形式包括：斷裂失效、刺漏失效、腐蝕失效、磨損、變形過量。鉆具刺漏常發(fā)生在鉆桿刺漏發(fā)生在母接頭側(cè)管體，距母扣端約0.5～0.7m，位于鉆桿加厚過渡帶區(qū)域；加重鉆桿主要為螺紋刺漏。近十年來(lái)，海上鉆井鉆具失效主要以鉆桿加厚過渡帶區(qū)域刺漏為主要失效形式。根據(jù)鉆桿的刺漏部位，可將刺漏失效分為鉆桿管體加厚過渡帶區(qū)域刺漏、鉆桿焊縫刺漏、鉆桿接頭刺漏。

1 海上鉆井平臺(tái)鉆具刺漏情況簡(jiǎn)介

根據(jù)海上鉆井平臺(tái)刺漏失效統(tǒng)計(jì)，在公接頭端加厚過渡帶處刺漏約占26.3%，在母接頭端加厚過渡帶處刺漏約占47.4%，本體刺漏約占13.2%，接頭刺漏約占13.2%。鉆具刺漏主要以加厚過渡帶消失區(qū)域及卡瓦咬傷區(qū)域?yàn)橹?，約占刺漏失效總數(shù)的73.7%。

分析鉆具失效最多的井位，發(fā)現(xiàn)鉆桿發(fā)生刺漏主要位于事故井的造斜點(diǎn)附近，且造斜點(diǎn)附近狗腿度較大。有些甚至達(dá)到3°/30m。此外有些在轉(zhuǎn)盤附近發(fā)生刺漏失效，這可能與鉆井平臺(tái)的搖擺或顛簸有關(guān)。鉆井平臺(tái)在搖擺或顛簸運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，鉆柱的上端不是垂直的，而轉(zhuǎn)盤下面一些距離處的鉆桿仍然是垂直，因而鉆柱是彎曲的。因?yàn)殂@桿比方鉆桿剛度要小得多，大多數(shù)彎曲發(fā)生在方鉆桿下面的第一根鉆桿上。轉(zhuǎn)盤附近鉆桿容易由于彎曲疲勞發(fā)生刺漏。

2 刺漏類型

2.1 鉆桿加厚過渡帶區(qū)域刺漏

2.1.1 鉆桿刺穿機(jī)理及過程

鉆桿內(nèi)加厚過渡帶位置刺漏是最常見的形式，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，約占鉆具失效的70%。刺穿機(jī)理及過程為：鉆桿內(nèi)壁涂層破壞后發(fā)生腐蝕，形成腐蝕坑，由于應(yīng)力集中，腐蝕疲勞裂紋萌生，裂紋擴(kuò)展并穿透壁厚，泥漿從內(nèi)向外刺穿沖蝕，形成刺孔。大多數(shù)鉆桿內(nèi)加厚過帶位置刺漏的疲勞裂紋起源于內(nèi)表面，少數(shù)鉆桿內(nèi)加厚位置刺穿其疲勞裂紋起源于外表面缺陷處（如卡瓦咬痕、腐蝕、磨損等）。

2.1.2 表現(xiàn)形式

鉆桿加厚過渡帶刺漏區(qū)域一般為距母接頭密封面約0.5～0.7m 處，刺孔沿周向呈圓形或橢圓形分布，見圖1。將斷口打開，刺孔附近出現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展的扇形平臺(tái)時(shí)（裂紋尺寸不超過半個(gè)圓周），根據(jù)原始裂紋平面扇形圓弧可判斷裂紋起源。扇形圓弧朝向外壁，裂紋平面呈內(nèi)寬外窄形貌，可認(rèn)為裂紋起源于內(nèi)壁；但扇形圓弧指向內(nèi)壁時(shí)（內(nèi)窄外寬），認(rèn)為裂紋起源于外壁。如果原始疲勞裂紋平面未完全破壞，可在裂紋擴(kuò)展扇形前沿觀察到疲勞輝紋。

2.2 鉆桿焊縫區(qū)域刺漏

2.2.1 鉆桿焊縫刺穿機(jī)理

鉆桿焊區(qū)厚度約為管體壁厚的2倍，焊縫出現(xiàn)刺漏主要為焊接灰斑導(dǎo)致。鉆桿摩擦對(duì)焊一般不會(huì)產(chǎn)生大面積的灰斑，但由于焊接前端面質(zhì)量控制不嚴(yán)、焊接縮短量不足、頂鍛速度較慢都可能引起焊接灰斑缺陷。

2.2.2 表現(xiàn)形式

鉆桿刺漏刺孔發(fā)生在摩擦對(duì)焊焊縫上，大小不規(guī)則，將刺孔壓開后，發(fā)現(xiàn)刺孔周圍斷面平整，平斑區(qū)顯微形貌呈淺、平韌窩形貌，見圖2。宏觀形貌觀察結(jié)果表明，兩段樣品刺孔均位于加厚過渡帶消失區(qū)域，且裂紋起源于內(nèi)壁；鉆桿內(nèi)涂層噴涂不均勻，存在起泡、脫落現(xiàn)象。

3 刺漏試驗(yàn)

3.1 案例背景

選取某刺漏鉆具做實(shí)驗(yàn)分析。目標(biāo)井位東海某井井型為定向井，設(shè)計(jì)井深為4788m，作業(yè)區(qū)水深為88.88m，鉆進(jìn)時(shí)鉆桿平均轉(zhuǎn)速約為77～81r/min。分析樣品為兩段刺漏的S135鉆桿樣品，刺漏位置均為內(nèi)螺紋接頭端加厚過渡帶消失區(qū)域。見圖3。鉆桿規(guī)格為?127mm×9.19mm，加厚形式為內(nèi)加厚。

3.2 理化性能檢驗(yàn)

3.2.1 化學(xué)成分分析

分別在樣品刺孔周圍取樣，采用直讀光譜儀按照ASTM E415-08 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明兩段失效樣品化學(xué)成分均符合API Spec 5DP-2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鉆桿管體的要求。

3.2.2 拉伸及沖擊性能

按照ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)分別在樣品刺孔附近取板狀拉伸試樣和7.5mm×10mm×55mm 沖擊試樣，在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，失效樣品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功均符合API Spec 5DP-2009 標(biāo)準(zhǔn)要求。見表1。

表1 失效樣品拉伸及沖擊性能結(jié)果

3.2.3 洛氏硬度

在刺孔附近取環(huán)狀試樣，按照ASTM A370 進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果表明，失效樣品刺孔附近的洛氏硬度較為均勻，且平均不大于37HRC。

3.2.4 金相組織分析

分別在樣品刺孔附近涂層起泡處取金相試樣，觀察發(fā)現(xiàn)涂層底部已形成腐蝕坑。沿橫向取金相試樣，進(jìn)行顯微組織觀察，樣品金相組織均為回火索氏體。沿縱向取金相試樣進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)，組織中夾雜物含量均在正常范圍之內(nèi)。見表2。

表2 鋼中非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果

3.2.5 微觀分析

刺孔斷口均為泥漿沖刷痕跡，原始裂紋面均已受到破壞。采用掃描電子顯微鏡觀察樣品刺孔附近原始裂紋面形貌，主要為泥漿腐蝕形貌，原始裂紋形成后，泥漿滲入裂紋中而形成。見圖4。

4 刺漏分析結(jié)論

（1）失效鉆桿樣品理化性能均符合API Spec 5DP-2009標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）即便鉆桿材質(zhì)有瑕疵，因刺漏發(fā)生后局部材質(zhì)缺失，也較難通過實(shí)驗(yàn)室手段檢測(cè)到材質(zhì)缺陷。

（3）鉆桿內(nèi)涂層噴涂質(zhì)量佳，厚度均勻，內(nèi)加厚過渡區(qū)平緩、整體面光滑平整度能更好地減少刺漏發(fā)生。

（4）井段“狗腿度”過大，導(dǎo)致鉆桿更容易刺漏失效。