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失效分析現(xiàn)場直擊——油田鉆鋌斷裂失效原因分析

2019-09-20 09:39:59 作者：余世杰來源：《理化檢驗—物理分冊》分享至：

空氣鉆井是一種特殊的欠平衡鉆井技術(shù)，壓縮空氣既作為循環(huán)介質(zhì)攜帶巖屑，又作為破碎巖石的能量。空氣鉆井技術(shù)在保護儲層和提高鉆速方面的優(yōu)勢較大，隨著空氣鉆井技術(shù)的不斷完善和提高，該技術(shù)在國內(nèi)也得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。

空氣鉆井存在的最大問題是鉆具使用壽命短，容易發(fā)生鉆具斷裂事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失。國內(nèi)許多專家學(xué)者對空氣鉆井的鉆具斷裂失效進行了大量分析，并提出了切實可行的建議，但對鉆鋌斷裂進行詳細失效分析的報道并不多。

事故背景

某直井采用空氣鉆井技術(shù)，在鉆至井深約4313m時發(fā)現(xiàn)泵壓從20MPa逐漸下降至18.3MPa，地面管線檢查無異常。起鉆檢查發(fā)現(xiàn)井下鉆柱的倒數(shù)第2根鉆鋌發(fā)生斷裂，斷裂位置距內(nèi)螺紋小端約100mm。

該井鉆具組合為：？152mm鉆頭+轉(zhuǎn)換接頭+?120.7mm鉆鋌12根+?88.9mm鉆桿。井下落魚組合為：？152mm鉆頭+轉(zhuǎn)換接頭+?120.7mm鉆鋌2根。鉆井參數(shù)為：鉆壓60kN，轉(zhuǎn)速50r·min-1，泵壓20MPa，排量25L·s-1。失效鉆鋌外徑為120.7mm，內(nèi)孔直徑為50.8mm，內(nèi)螺紋扣型為NC38。

該鉆鋌于2010年10月開始投產(chǎn)使用，截至斷裂已經(jīng)服役了4口井，累計服役時間約為2660h。另外，據(jù)井隊作業(yè)人員反映，該鉆鋌在前期服役過程中發(fā)生過多次卡鉆、解卡等情況。

理化檢驗

1宏觀觀察失效鉆鋌斷裂位置為內(nèi)螺紋小端第1，2扣完整牙處，為鉆鋌內(nèi)螺紋應(yīng)力集中區(qū)，鉆鋌斷口形貌如圖1所示。

圖1 失效鉆鋌斷口宏觀形貌

可見斷裂鉆鋌內(nèi)螺紋無應(yīng)力分散槽，斷口平坦，無明顯塑性變形，但存在3個明顯的裂紋擴展斷層臺階；整個斷面磨損嚴重，原始斷面均已破壞，存在大量機械擠壓殘留的痕跡。斷口內(nèi)側(cè)存在多條起源于內(nèi)螺紋牙底的裂紋，同時沿螺旋線向兩側(cè)及外壁擴展，最后發(fā)生斷裂，并形成裂紋擴展斷層臺階，斷面外側(cè)剪切唇與軸線呈一定角度，如圖2所示。根據(jù)斷口形貌可以初步推斷，此次鉆鋌斷裂為疲勞斷裂。

圖2 失效鉆鋌斷口局部形貌

鉆鋌斷口附近外徑測量結(jié)果見表1，依據(jù)SY/T 5144-2013«鉆鋌»要求，該規(guī)格新鉆鋌外徑為120.7mm，而失效鉆鋌最嚴重處直徑已減少至117.2mm。

表1 失效鉆鋌尺寸測量結(jié)果mm

2化學(xué)成分分析

在斷口附近取樣，采用直讀光譜儀對失效鉆鋌試樣的化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表2，可見其化學(xué)成分符合SY/T 5144-2007技術(shù)要求。

表2 失效鉆鋌化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）％

3力學(xué)性能試驗

在失效鉆鋌斷口附近沿軸向分別取規(guī)格為？12.50mm的圓棒拉伸試樣和規(guī)格為10mm×10mm×55mm的夏比V型缺口沖擊試樣，按照ASTM A370-11?鋼產(chǎn)品機械測試的方法和定義？拉伸和沖擊進行試驗，結(jié)果見表3，可見失效鉆鋌的力學(xué)性能符合SY/T 5144-2007技術(shù)要求。

表3 失效鉆鋌力學(xué)性能試驗結(jié)果

4硬度測試

在鉆鋌本體上取硬度環(huán)，采用電子布氏硬度計，按照ASTM E10-2018«金屬材料布氏硬度的標準試驗方法»進行布氏硬度測試，結(jié)果見表4，可見其硬度符合SY/T 5144-2007技術(shù)要求。

表4 失效鉆鋌硬度測試結(jié)果

5金相檢驗

在斷口螺紋部位沿縱向取金相試樣，發(fā)現(xiàn)螺紋根部存在多處裂紋，裂紋徑向深度范圍約為0.2~2.0mm，其中較為典型的裂紋如圖3所示，可見裂紋起源于內(nèi)螺紋牙底，沿徑向向外擴展，裂紋整體形貌細長。斷口附近顯微組織為回火索氏體，如圖4所示。

圖3 裂紋微觀形貌

圖4 失效鉆鋌斷口附近顯微組織形貌

6微觀觀察

鉆鋌斷口經(jīng)醋酸纖維紙清洗后，置于掃描電鏡（SEM）下觀察，裂紋源區(qū)及擴展區(qū)形貌為經(jīng)機械磨損及泥漿沖蝕后的形貌，斷口原始形貌已經(jīng)破壞。將螺紋牙底的疲勞裂紋打開，其形貌如圖5所示，可見疲勞裂紋面較為平坦，存在裂紋擴展相遇而形成的臺階。

圖5 疲勞裂紋打開后SEM形貌

分析與討論

斷裂鉆鋌的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合SY/T 5144-2007技術(shù)要求。該鉆鋌已累計使用約2660h，以平均轉(zhuǎn)速50r·min-1計算，鉆鋌已服役了約8×106周次。結(jié)合斷口形貌及裂紋起源情況可以判斷，失效鉆鋌斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂失效。在循環(huán)載荷作用下，鉆鋌螺紋應(yīng)力集中區(qū)域首先產(chǎn)生微區(qū)塑性變形，隨著循環(huán)加載的繼續(xù)，裂紋在這個關(guān)鍵區(qū)域的薄弱點上萌生，開始出現(xiàn)微裂紋，微裂紋緩慢擴展，并逐步形成可見的宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴展直至最后斷裂。失效鉆鋌材料符合標準要求，其內(nèi)螺紋部位在使用過程中發(fā)生疲勞斷裂主要與空氣鉆井中鉆鋌受力情況和鉆鋌幾何尺寸結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

1空氣鉆井中鉆鋌受力情況分析

空氣鉆井是以壓縮空氣（或氮氣）既作為循環(huán)介質(zhì)又作為破碎巖石能量的一種欠平衡鉆井技術(shù)，井下鉆柱振動頻率遠高于常規(guī)泥漿鉆井的。在常規(guī)泥漿鉆井中，鉆井液具有潤滑性而有助于減少摩擦扭矩，同時還具有水力動力阻尼作用，在一定程度上降低了鉆頭和鉆柱的橫向振動，有利于避免井下鉆柱過早疲勞失效；而在空氣鉆井中，井內(nèi)缺少鉆井液的阻尼減震作用，鉆具承受的振動載荷遠大于在常規(guī)鉆井過程中承受的，因而井下鉆具易發(fā)生疲勞失效。

另外，據(jù)井隊作業(yè)人員反映，該鉆鋌在前期服役過程中發(fā)生過多次卡鉆、解卡等情況，解卡時發(fā)生的大噸位、大扭矩活動載荷也增加了鉆鋌螺紋處的疲勞損傷。

2彎曲強度比的影響

鉆鋌接頭的彎曲強度比（BSR）是指鉆鋌內(nèi)螺紋危險斷面抗彎截面模數(shù)與外螺紋危險斷面抗彎截面模數(shù)之比，表征了其內(nèi)外螺紋接頭強度或壽命的相對值。鉆鋌的外徑大小對鉆鋌的彎曲強度比有明顯的影響，根據(jù)鉆鋌的抗彎曲強度比理論可知，鉆鋌內(nèi)外螺紋的彎曲強度比應(yīng)控制在1.90~3.20。當彎曲強度比增大到3.20以上時，外螺紋接頭容易斷裂；當彎曲強度比下降到1.90以下時，容易引起內(nèi)螺紋脹大或脹裂、脫扣、螺紋根部斷裂等現(xiàn)象。API RP7G-1998（R2015）«鉆桿設(shè)計和操作極限的推薦實施雙程»規(guī)定彎曲強度比計算公式為

式中：ZB為內(nèi)螺紋連接截面模數(shù)，mm3；ZP為外螺紋連接截面模數(shù)，mm3；D為外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接的外徑，mm；d為內(nèi)徑，mm；b為外螺紋連接端面處內(nèi)螺紋連接的螺紋內(nèi)徑，mm；R為離外螺紋連接臺肩19.05mm處外螺紋連接的螺紋內(nèi)徑，mm。

斷裂鉆鋌公稱外徑為120.65mm，所配接頭為NC38，依據(jù)實際鉆鋌尺寸計算結(jié)果，斷裂鉆鋌彎曲強度比見表5。

表5 彎曲強度比計算結(jié)果

依據(jù)SY/T 5144-2007要求，？120.7mm鉆鋌應(yīng)當配NC35接頭，其彎曲強度比為2.58。依據(jù)計算結(jié)果，失效鉆鋌外徑為？120.7mm，內(nèi)徑為50.8mm，內(nèi)螺紋扣型為NC38，彎曲強度比為1.80，明顯低于鉆鋌內(nèi)外螺紋彎曲強度比應(yīng)控制的范圍（1.90~3.20）。鉆鋌接頭螺紋規(guī)格與其尺寸不匹配，內(nèi)螺紋接頭為薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生內(nèi)螺紋斷裂。鉆鋌外徑因磨損已減少到117.2mm，其內(nèi)外螺紋彎曲強度比下降，內(nèi)螺紋斷裂的可能性加大。

3鉆鋌螺紋結(jié)構(gòu)的影響

螺紋接頭是鉆鋌的薄弱環(huán)節(jié)，鉆鋌斷裂位置是鉆鋌內(nèi)螺紋應(yīng)力集中區(qū)。斷裂鉆鋌內(nèi)螺紋無應(yīng)力分散槽，在空氣鉆井振動載荷較大的情況下，更容易在鉆鋌內(nèi)螺紋應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生斷裂。

結(jié)論及建議

鉆鋌螺紋接頭與鉆鋌尺寸不匹配，內(nèi)螺紋接頭處為薄弱環(huán)節(jié)，在空氣鉆井過程中發(fā)生了疲勞斷裂。

建議采用與鉆鋌尺寸匹配的螺紋接頭，并在鉆鋌接頭部位增加應(yīng)力分散槽，或者使用雙臺肩接頭鉆鋌。

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