李沛軒

(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司 陜西 西安 710018)

0 引 言

鉆柱的遇阻遇卡是石油、天然氣勘探開(kāi)發(fā)鉆井作業(yè)過(guò)程中時(shí)常遇到的一種井下復(fù)雜事故。造成鉆柱阻卡的原因往往包括鉆柱與井壁的磨阻、井眼的不規(guī)則、泥膏巖層遇水膨脹、井壁坍塌、泥餅掉塊、泥漿攜砂能力不足導(dǎo)致的沉砂累積等。加大鉆井液的排量、調(diào)整泥漿的性能、增加短程起下鉆的頻次，以及劃眼等是解決鉆柱阻卡的有效手段。然而，嚴(yán)重的阻卡，會(huì)導(dǎo)致鉆柱卡死，不僅表現(xiàn)為上提、下放鉆柱困難，且鉆井液循環(huán)通道遇阻，出現(xiàn)蹩泵、蹩壓，解卡操作中鉆柱斷裂失效事故時(shí)有發(fā)生[1-4]。

某井在鉆至井深540 m時(shí)發(fā)生卡鉆事故，解卡過(guò)程中，小轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)活動(dòng)鉆具，多次上提、下放鉆柱，未解卡。隨后泥漿循環(huán)受阻，蹩壓，井口無(wú)泥漿返出。在大鉤上提噸位80 t時(shí)，懸重降為7 t，判斷鉆具斷裂。起鉆后發(fā)現(xiàn)第8柱上單鉆桿斷裂，鉆桿長(zhǎng)度9.4 m，斷裂位置在井下200 m處。斷裂鉆桿為Φ127 mm×9.19 mm G105鉆桿，該鉆桿為首次下井使用，鉆桿實(shí)物的理論抗拉載荷抗拉強(qiáng)度為250 t。

1 檢測(cè)分析

1.1 樣品宏觀(guān)分析

送檢的斷裂失效鉆桿樣品形貌如圖1所示。斷口部位有明顯的頸縮形變，斷口側(cè)的管體外表面光亮，有明顯的摩擦磨損痕跡。從軸向上取全截面條形試樣，可見(jiàn)斷口處呈梭形形變，斷口處的有效截面厚度約1.8 mm。由于斷口位置在焊縫區(qū)域附近，為了弄清楚斷口的確切位置，采用金相腐蝕方法確定焊縫的位置。經(jīng)焊縫腐蝕檢測(cè)，斷裂發(fā)生在接頭本體上，如圖2所示。

圖1 鉆桿接頭失效宏觀(guān)形貌

圖2 斷口剖面宏觀(guān)形貌

經(jīng)測(cè)量，斷口頸縮形變前摩擦光亮段處的外徑約128 mm，厚度約9.2 mm。

1.2 化學(xué)成分分析

從樣品斷口部位附近取樣，用直讀光譜儀和碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。檢測(cè)結(jié)果表明，鉆桿接頭的化學(xué)成分符合API Spec 5DP鉆桿標(biāo)準(zhǔn)，符合常用的鉆桿接頭用材料37CrMnMoA的成分范圍。

表1 鉆桿接頭化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.3 金相組織分析

從斷口側(cè)的鉆桿接頭本體區(qū)域取樣，進(jìn)行金相組織分析，金相試樣的取樣位置如圖3所示。取樣位置包括靠近焊縫(圖3所示1#金相試樣部位)和靠近斷口(圖3所示2#金相試樣部位)。檢測(cè)結(jié)果表明，斷口接頭側(cè)的組織為板條狀馬氏體(M)組織+貝氏體(B)組織，見(jiàn)表2。

圖3 金相分析取樣位置

表2 樣品金相分析結(jié)果

圖4 1#試樣組織

圖5 2#試樣組織

1.4 硬度檢測(cè)分析

對(duì)焊縫兩側(cè)的材料進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度測(cè)試點(diǎn)位置如圖6所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。檢測(cè)結(jié)果表明，斷口處所在的鉆桿接頭材料的硬度值遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)中回火索氏體組織狀態(tài)下的HB285～341范圍，實(shí)測(cè)結(jié)果與材料組織檢測(cè)中含有大量的馬氏體組織相吻合。

圖6 硬度檢測(cè)位置示意圖

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果

2 綜合原因分析

鉆桿接頭通常采用ASTM 4137 H(37CrMnMo)材料，通過(guò)調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)，獲得回火索氏體組織，使其獲得足夠的強(qiáng)度和良好的韌性，其硬度值控制在HB285～341之間[5-6]。

鉆桿的制造過(guò)程是通過(guò)將鉆桿接頭與鉆桿管體的管端鐓粗加厚位置通過(guò)摩擦焊接方式連接成一個(gè)整體，從而形成一端帶內(nèi)螺紋接頭，一端帶外螺紋接頭的鉆桿[7]，圖7為鉆桿管體與鉆桿外螺紋接頭部位的結(jié)構(gòu)圖。鉆桿接頭尺寸遠(yuǎn)大于鉆桿管體尺寸，例如，該失效鉆桿的管體名義外徑為127 mm，而外螺紋接頭處的名義外徑為168 mm。由于鉆桿外螺紋接頭的外徑更大，壁厚更厚，橫截面的面積遠(yuǎn)大于管體，其實(shí)物抗拉強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于鉆桿管體，即在同等拉伸載荷下，鉆桿的塑性屈服將發(fā)生在管體而不會(huì)發(fā)生在接頭本體。

圖7 鉆桿管體與外螺紋鉆桿接頭的結(jié)構(gòu)圖

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作資料，鉆桿在斷裂前的井口提升拉力為80 t，斷裂位置至井口距離為200 m，該段鉆柱重量約為7 t，則可計(jì)算出斷裂失效時(shí)斷口部位承受的拉伸力：

F=(80-7)×9.8=715.4 kN

斷裂時(shí)斷面承受的拉伸應(yīng)力為：

σ1=F/S=715.4×103/(π(1282-109.62)/4)=208 MPa

即鉆桿接頭材料在承受208 MPa的拉伸應(yīng)力時(shí)發(fā)生了屈服，該應(yīng)力值遠(yuǎn)低于鉆桿接頭在正?；鼗鹚魇象w組織時(shí)827～965 MPa標(biāo)準(zhǔn)范圍。

對(duì)斷口部位組織的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，斷口部位材料組織主要為板條狀馬氏體組織+貝氏體組織，不是處于調(diào)質(zhì)態(tài)的回火索氏體組合。馬氏體組織為鋼加熱到奧氏體化后經(jīng)迅速冷卻(淬火)得到的一種淬火組織，貝氏體組織則為鋼中奧氏體中溫轉(zhuǎn)變的非片層狀組織。

根據(jù)圖7所示的鉆桿外螺紋接頭的結(jié)構(gòu)圖，失效鉆桿斷口附近管體表面的摩擦磨損形貌，以及失效鉆桿斷口附近的材料組織和硬度的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合鉆桿斷裂前處于卡鉆時(shí)的解卡操作工況，判斷其失效過(guò)程如下：

失效鉆桿所在的外螺紋接頭為鉆柱的卡點(diǎn)位置；

在上提+旋轉(zhuǎn)鉆柱的解卡操作中，鉆桿外螺紋接頭與井壁或沉砂發(fā)生摩擦，造成鉆桿接頭磨損，壁厚減少；

泥漿循環(huán)通道受阻導(dǎo)致摩擦部位缺少泥漿的有效冷卻，產(chǎn)生的摩擦熱量使鉆桿接頭的溫度升高，進(jìn)一步加劇鉆桿接頭的磨損；

隨著鉆桿接頭與井壁或沉砂間摩擦磨損的進(jìn)一步加劇，接頭的溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)溫度上升到鉆桿接頭材料的相變溫度點(diǎn)以上時(shí)，接頭材料由回火索氏體開(kāi)始奧氏體化，材料的強(qiáng)度降低，硬度降低，耐磨性降低，鉆桿接頭的磨損量進(jìn)一步增加；

隨著摩損的加劇和鉆桿接頭壁厚的不斷減薄，有效截面積進(jìn)一步減少，當(dāng)承受的拉伸載荷超過(guò)鉆桿接頭的實(shí)際承載能力時(shí)，鉆桿接頭發(fā)生過(guò)載塑性斷裂；

斷裂后的井口段鉆柱，在拉伸勢(shì)能的作用下快速提升，處于高溫的斷口部位進(jìn)入上部充滿(mǎn)鉆井液的井眼發(fā)生淬火，材料組織由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體和貝氏體。圖8和圖9為某Φ101.6 mm×8.38 mm鉆桿外螺紋接頭摩擦磨損斷裂失效的宏觀(guān)形貌與斷口組織[8]。

汪小平等在金屬熱處理雜志2019年第44卷9月增刊第523頁(yè)“Φ101.6 mm 鉆桿外螺紋接頭斷裂失效分析”[8]文章中刊出的失效鉆桿接頭宏觀(guān)形貌如圖8所示。該失效鉆桿的情況與本案例中的失效鉆桿高度相似：斷口處于鉆桿外螺紋接頭本體部位；斷口附近鉆桿表面有明顯的摩擦磨損痕跡；斷口處的組織含有馬氏體+貝氏體，如圖9所示；失效時(shí)的工況也是鉆柱遇卡時(shí)上提+旋轉(zhuǎn)的解卡操作過(guò)程中。

圖8 參考文獻(xiàn)中類(lèi)似的失效案例形貌

圖9 斷口處的組織

3 結(jié)論與建議

1)失效鉆桿接頭的材料性能符合API Spec 5DP 標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)鉆桿接頭斷裂失效的原因是摩擦磨損導(dǎo)致的塑性過(guò)載。

3)與沉砂/井壁摩擦磨損產(chǎn)生的高溫和壁厚減薄是導(dǎo)致鉆桿接頭抗拉載荷性能下降的直接原因。

4) 井眼環(huán)空泥漿循環(huán)受阻加劇了鉆桿接頭的摩擦磨損。

5)提高井壁穩(wěn)定性和泥漿攜巖能力是減少和預(yù)防此類(lèi)失效的有效手段。