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失效分析現場直擊——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，壓縮空氣既作為循環介質攜帶巖屑，又作為破碎巖石的能量。空氣鉆井技術在保護儲層和提高鉆速方面的優勢較大，隨著空氣鉆井技術的不斷完善和提高，該技術在國內也得到了廣泛應用，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，容易發生鉆具斷裂事故，造成嚴重的經濟損失。國內許多專家學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，在鉆至井深約4313m時發現泵壓從20MPa逐漸下降至18.3MPa，地面管線檢查無異常。起鉆檢查發現井下鉆柱的倒數第2根鉆鋌發生斷裂，斷裂位置距內螺紋小端約100mm。

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

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

理化檢驗

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

圖1 失效鉆鋌斷口宏觀形貌

可見斷裂鉆鋌內螺紋無應力分散槽，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。斷口內側存在多條起源于內螺紋牙底的裂紋，同時沿螺旋線向兩側及外壁擴展，最后發生斷裂，并形成裂紋擴展斷層臺階，斷面外側剪切唇與軸線呈一定角度，如圖2所示。根據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果見表1，依據SY/T 5144-2013«鉆鋌»要求，該規格新鉆鋌外徑為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果mm

2化學成分分析

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

表2 失效鉆鋌化學成分（質量分數）％

3力學性能試驗

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

表3 失效鉆鋌力學性能試驗結果

4硬度測試

在鉆鋌本體上取硬度環，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，結果見表4，可見其硬度符合SY/T 5144-2007技術要求。

表4 失效鉆鋌硬度測試結果

5金相檢驗

在斷口螺紋部位沿縱向取金相試樣，發現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

鉆鋌斷口經醋酸纖維紙清洗后，置于掃描電鏡（SEM）下觀察，裂紋源區及擴展區形貌為經機械磨損及泥漿沖蝕后的形貌，斷口原始形貌已經破壞。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

斷裂鉆鋌的化學成分、力學性能均符合SY/T 5144-2007技術要求。該鉆鋌已累計使用約2660h，以平均轉速50r·min-1計算，鉆鋌已服役了約8×106周次。結合斷口形貌及裂紋起源情況可以判斷，失效鉆鋌斷裂性質為疲勞斷裂失效。在循環載荷作用下，鉆鋌螺紋應力集中區域首先產生微區塑性變形，隨著循環加載的繼續，裂紋在這個關鍵區域的薄弱點上萌生，開始出現微裂紋，微裂紋緩慢擴展，并逐步形成可見的宏觀裂紋，裂紋繼續擴展直至最后斷裂。失效鉆鋌材料符合標準要求，其內螺紋部位在使用過程中發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構等有關。

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）既作為循環介質又作為破碎巖石能量的一種欠平衡鉆井技術，井下鉆柱振動頻率遠高于常規泥漿鉆井的。在常規泥漿鉆井中，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鉆井過程中承受的，因而井下鉆具易發生疲勞失效。

另外，據井隊作業人員反映，該鉆鋌在前期服役過程中發生過多次卡鉆、解卡等情況，解卡時發生的大噸位、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）是指鉆鋌內螺紋危險斷面抗彎截面模數與外螺紋危險斷面抗彎截面模數之比，表征了其內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，根據鉆鋌的抗彎曲強度比理論可知，鉆鋌內外螺紋的彎曲強度比應控制在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，容易引起內螺紋脹大或脹裂、脫扣、螺紋根部斷裂等現象。API RP7G-1998（R2015）«鉆桿設計和操作極限的推薦實施雙程»規定彎曲強度比計算公式為

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

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

表5 彎曲強度比計算結果

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

3鉆鋌螺紋結構的影響

螺紋接頭是鉆鋌的薄弱環節，鉆鋌斷裂位置是鉆鋌內螺紋應力集中區。斷裂鉆鋌內螺紋無應力分散槽，在空氣鉆井振動載荷較大的情況下，更容易在鉆鋌內螺紋應力集中區發生斷裂。

結論及建議

鉆鋌螺紋接頭與鉆鋌尺寸不匹配，內螺紋接頭處為薄弱環節，在空氣鉆井過程中發生了疲勞斷裂。

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力分散槽，或者使用雙臺肩接頭鉆鋌。

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