陳 猛, 歐陽志英, 余世杰, 舒志強(qiáng)

(上海海隆石油管材研究所, 上海 200949)

2018年11月某井鉆桿鉆進(jìn)至2 094.92 m時(shí)，進(jìn)行循環(huán)泥漿處理，泥漿轉(zhuǎn)換為PLUS/KCl(氯化鉀聚合物泥漿)體系，循環(huán)參數(shù)為2 200 L/min，11.0 MPa～12.4 MPa。8 h后開始起鉆，當(dāng)起鉆至1 574 m時(shí),井下鉆桿發(fā)生了斷裂。井隊(duì)起鉆檢查鉆具，起到第12根106 mm(外徑)鉆桿時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉆桿斷落。斷裂鉆桿的宏觀形貌如圖1所示，斷口距離該根鉆桿公接頭臺(tái)肩面約1.1 m，斷口附近的鉆桿管體發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形，而且斷口也受擠壓變形為橢圓形，斷口表面呈現(xiàn)銀灰色金屬光澤，為新鮮斷口形貌。

圖1 斷裂鉆桿宏觀形貌

1 井況及鉆桿信息

事故井為244.5 mm(外徑)的套管開窗側(cè)鉆井，其局部如圖2所示。窗口頂部距離井口約為386.35 m，窗口底部距離井口約為391.55 m，鉆桿斷裂位置所在井深為391.43 m，正好在窗口底部位置。

圖2 事故井側(cè)鉆井局部示意

斷裂鉆桿基本參數(shù)如表1所示，該鉆桿累計(jì)服役時(shí)間為272 h，上提最大載荷為2 100 kN，下壓最大載荷為200 kN，最大轉(zhuǎn)速為140 r/min，最大泵壓為26.2 MPa。

表1 斷裂鉆桿基本參數(shù)

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀觀察

斷裂鉆桿試樣的整體宏觀形貌如圖3a)所示，總長(zhǎng)度約為2.6 m，鉆桿表面有黃色的銹蝕產(chǎn)物，但未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的井況信息可知，該段鉆桿為打撈斷裂鉆桿的魚頂部分，斷口在鉆桿管體上，距離該鉆桿公接頭臺(tái)肩面約為1.1 m。斷口附近區(qū)域(距離斷口約500 mm)的鉆桿發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形，越靠近斷口，鉆桿變形越嚴(yán)重，鉆桿靠近斷口的區(qū)域呈扁平狀，整個(gè)斷口呈橢圓形[見圖3b)，3c)]。斷口不平整，局部區(qū)域存在較大的剪切唇和變形，整個(gè)斷口呈塑形斷裂形貌，具有一定的頸縮“杯椎”狀過載失效的形貌特征[見圖3d)，3e)]。

圖3 斷裂鉆桿試樣的整體及局部宏觀形貌

對(duì)圖3a)所示的鉆桿試樣進(jìn)行尺寸測(cè)量，在不同位置測(cè)量管體的外徑與壁厚，具體測(cè)量結(jié)果如表2所示。測(cè)量點(diǎn)已在圖3a)中標(biāo)出，在試樣的兩端和中間分3個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，宏觀顯示位置A和B無明顯的變形，位置C鄰近斷口，管體呈扁平狀，并且存在頸縮變形，壁厚變化較大，最小壁厚約為2 mm，越臨近斷口，斷裂鉆桿的彎曲程度越大。測(cè)量結(jié)果表明：遠(yuǎn)離斷口區(qū)域的位置A和B的鉆桿外徑和壁厚無明顯差異，并且與標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5DP—2009 《鉆桿產(chǎn)品規(guī)范》規(guī)定的尺寸相差甚微。位置C為整體鉆桿彎曲部位的最大拐點(diǎn)，由于承受了較大的彎矩作用，鉆桿發(fā)生了彎曲擠壓變形，斷口呈橢圓形，橢圓度達(dá)到49 mm。

表2 鉆桿試樣尺寸測(cè)量結(jié)果 mm

2.2 化學(xué)成分分析

用ARL 4460 OES型直讀光譜儀對(duì)鉆桿試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表3，分析結(jié)果表明鉆桿試樣的化學(xué)成分符合API Spec 5DP-2009 的要求。

表3 鉆桿試樣化學(xué)成分 %

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5DP-2009，在鉆桿試樣上遠(yuǎn)離斷口的位置(未發(fā)生明顯塑性變形的區(qū)域)取寬為25 mm的板拉伸試樣，取規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為10 mm×7.5 mm×55 mm的夏比沖擊試樣(縱向)，按照ASTM A370StandardTestMethodsandDefinitionsforMechanicalTestingofSteelProducts和ASTM E23StandardTestMethodsforNotchedBarImpactTestingofMetallicMaterials進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示。測(cè)試結(jié)果表明，鉆桿試樣的拉伸性能不符合API Spec 5DP-2009標(biāo)準(zhǔn)的要求，抗拉強(qiáng)度接近標(biāo)準(zhǔn)下限，屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 鉆桿試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.4 金相檢驗(yàn)

依照GB/T 13298-2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)鉆桿試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，分別在圖3a)中的A，B，C 3個(gè)位置取樣，檢驗(yàn)結(jié)果及微觀形貌見表5和圖4。結(jié)果表明鉆桿為整體熱處理，3個(gè)位置的顯微組織都為均勻的回火索氏體。

表5 金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖4 鉆桿試樣不同區(qū)域的微觀形貌

2.5 斷口分析

試樣斷口的表面磨損較為嚴(yán)重，同時(shí)由于后期保存不當(dāng)，表面銹蝕較為嚴(yán)重。對(duì)局部區(qū)域的斷口進(jìn)行清洗。清理表面的銹蝕產(chǎn)物后，將試樣在掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷口呈現(xiàn)較多剪切型韌窩(見圖5)。由圖5可以判斷，該鉆桿受到較大的剪切及拉伸復(fù)合應(yīng)力，該剪切應(yīng)力來源于鉆桿彎曲應(yīng)力，拉伸應(yīng)力為解卡時(shí)的上拉作用力[1-2]。

圖5 斷口SEM形貌

3 力學(xué)性能模擬分析

3.1 彎矩及彎曲應(yīng)力分析

根據(jù)井況分析，在解卡過程中失效鉆桿可能承受的最大拉伸載荷為580 kN。失效鉆桿所處井段的最大井眼曲率為4.3°/30 m，根據(jù)DS-1 《鉆柱檢驗(yàn)》分別計(jì)算幾種不同狀態(tài)下鉆桿所承受彎曲應(yīng)力，應(yīng)力計(jì)算公式如下(采用DS-1標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算受拉狀態(tài)下鉆桿的彎矩)。

第一種情況：鉆桿與井壁不接觸，即k≤kc時(shí)有

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：rt為接頭外徑；ro為管體外徑；l為鉆桿長(zhǎng)度；E為彈性模量；I為鉆桿管體的管性矩；θ為越過鉆桿平均井斜角；Wbp為鉆桿單位浮重；Fe為軸向拉伸載荷；M0為靠近工具接頭處管體扭矩；K為浮力系數(shù)；k為井眼曲率；kc為臨界井眼曲率；σb為彎曲應(yīng)力。

第二種情況：鉆桿與井壁接觸，即k>kc時(shí)有

(5)

(6)

鉆桿計(jì)算參數(shù)如表6所示，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表6 鉆桿計(jì)算參數(shù)

表7 鉆桿管體彎矩計(jì)算及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力

將表7中的數(shù)據(jù)，先根據(jù)鉆井解卡的參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，代入最大的拉力及井眼曲率，計(jì)算得到失效鉆桿斷點(diǎn)承受的最大應(yīng)力為118 MPa，該應(yīng)力較小，在失效鉆桿的安全范圍內(nèi)。

考慮到鉆桿斷裂的位置較為特殊，在側(cè)鉆井的窗口底部，緊挨窗口附近的井段，由于硬度的變化和角度的關(guān)系，鉆進(jìn)過程中鉆頭極易出現(xiàn)擺動(dòng)，留下的井眼局部區(qū)域形狀不規(guī)則，使得部分區(qū)域的井段出現(xiàn)井眼曲率急劇增大。井況資料提供的井眼曲率采用的是每隔30 m測(cè)出的數(shù)值，然而在實(shí)際情況下，尤其是側(cè)鉆窗口(造斜點(diǎn))以下局部區(qū)域井眼會(huì)出現(xiàn)不平整或者軌跡幅度變大等情況，使得這30 m區(qū)域內(nèi)的鉆桿受到較大角度的彎曲應(yīng)力作用。分別代入井眼曲率7.0°/30 m，18.0°/30 m，計(jì)算得到最大的應(yīng)力分別為253 MPa和563 MPa。由上述分析可知，在同樣的拉力作用下，隨著井眼曲率的增加，失效鉆桿斷點(diǎn)的最大應(yīng)力急劇增大[3-5]。

上述有限元分析采用的載荷應(yīng)力均為靜載荷，但由于鉆桿在鉆井解卡中，受到的載荷應(yīng)力均為動(dòng)載荷，材料在動(dòng)載荷的作用下，瞬間應(yīng)力峰值遠(yuǎn)比對(duì)應(yīng)施加的靜載荷大。目前關(guān)于鉆井動(dòng)載荷的研究資料相對(duì)匱乏，一般從試樣的形貌上進(jìn)行反推，然后進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.2 失效鉆桿斷點(diǎn)位置受力有限元模擬分析

失效鉆桿斷點(diǎn)處于側(cè)鉆窗口底部，解卡的過程中失效鉆桿在該區(qū)域上下活動(dòng)，并且部分井段的井眼不規(guī)則，使得鉆桿承受較大的反復(fù)彎曲作用，鉆桿在該區(qū)域內(nèi)主要受到拉力和彎矩作用，內(nèi)外壓差很小，可以忽略不計(jì)。

建立三維模型，對(duì)106 mm(外徑)鉆桿管體受到拉彎組合應(yīng)力的狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，在管體一段截面上加載拉伸及彎曲載荷，設(shè)置鉆桿加載的拉伸載荷為580 kN；彎矩分別為6 948 N·m，14 850 N·m和32 995 N·m，分析鉆桿在不同井眼中復(fù)合載荷作用下的應(yīng)力情況，結(jié)果見圖6。有限元分析結(jié)果表明，當(dāng)拉力相同時(shí)，鉆桿受到的最大應(yīng)力隨著彎曲幅度(彎矩)的變大而增加明顯。

圖6 不同拉力和彎矩組合下鉆桿有限元分析結(jié)果

4 分析與討論

斷裂鉆桿的化學(xué)成分滿足API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)要求;抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是該鉆桿正常區(qū)域的屈服強(qiáng)度為740 MPa,遠(yuǎn)低于API Spec 5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)要求的931 MPa～1 138 MPa，屈強(qiáng)比為73.5%。一般鉆桿在井下正常使用情況受到的應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)小于740 MPa，但是當(dāng)井況環(huán)境較為復(fù)雜時(shí)，例如遇到卡鉆事故或者通過較大的井眼軌跡時(shí)，鉆桿會(huì)受到較大的瞬時(shí)動(dòng)載荷，該應(yīng)力有可能超過了鉆桿的實(shí)際屈服強(qiáng)度。根據(jù)鉆桿斷口的宏觀形貌可知，失效鉆桿在井下作業(yè)時(shí)受到了較大的應(yīng)力作用，使得鉆桿發(fā)生了屈服變形，加上鉆桿在井眼軌跡變化較大的區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形，致使鉆桿管體外壁因頂住井壁而被壓扁，然后在多次上提、下放的過程中，鉆桿在此處發(fā)生了斷裂[6]。

在進(jìn)行側(cè)井作業(yè)時(shí)，靠近窗口附近的井眼軌跡不是很規(guī)則，可能在短距離內(nèi)存在較大程度的彎曲井眼或者井眼不平整，這些給失效鉆桿在井下受到較大的彎曲作用提供了條件。另外,在解卡作業(yè)時(shí)，失效鉆桿斷點(diǎn)距離井口約391 m，位于側(cè)鉆井窗口底部，鉆柱卡點(diǎn)位于斷點(diǎn)的下方附近。解卡過程中,鉆桿共經(jīng)歷上拉、下放5個(gè)循環(huán)，鉆桿在斷點(diǎn)區(qū)域受到反復(fù)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，該區(qū)域容易發(fā)生包申格效應(yīng)[7-9]，斷點(diǎn)區(qū)域又在側(cè)鉆井窗口底部，來回受到彎曲作用，甚至部分彎曲幅度較大，這樣會(huì)加大包申格效應(yīng)，使得鉆桿的屈服強(qiáng)度降低得更加明顯。屈服強(qiáng)度下降后，其抗擠毀能力也急劇下降，在窗口附近的井眼曲率較大，在此區(qū)域發(fā)生了彎曲壓扁變形，使得該區(qū)域整體承載面積下降，最終導(dǎo)致鉆桿斷裂。

5 結(jié)論

(1) 該斷裂鉆桿屈服強(qiáng)度偏低，不符合API Spec 5DP-2009標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 斷裂鉆桿位于窗口底部的不規(guī)則井眼段，該井段鉆桿本身存在較大的結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力，在解卡過程中受到反復(fù)拉壓沖擊載荷，使得彎曲“拐點(diǎn)”區(qū)域附近的鉆桿承受較大的復(fù)合應(yīng)力作用，引起鉆桿發(fā)生彎曲壓扁變形，導(dǎo)致壓扁區(qū)域內(nèi)鉆桿的有效承載面積大幅降低，最后發(fā)生了失穩(wěn)斷裂。

(3) 解卡過程中，斷點(diǎn)附近受到反復(fù)的拉壓載荷后產(chǎn)生了包申格效應(yīng)，導(dǎo)致鉆桿材料在斷點(diǎn)區(qū)域的屈服強(qiáng)度進(jìn)一步下降，加速了斷裂的進(jìn)程。