譚雷川，李洪興，高德利，胡殊睿，周效民

(1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司 四川 成都 610051；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249)

0 引 言

穩(wěn)定器是井下鉆具組合的重要組成部分，起著扶正鉆具位置、增強(qiáng)BHA剛度和控制井眼軌跡的作用[1-3]。穩(wěn)定器在使用過(guò)程中承受彎、壓、扭和拉等復(fù)雜交變載荷的作用，這就要求穩(wěn)定器具有良好的綜合力學(xué)性能[4-5]。隨著超深井的不斷發(fā)展，井眼軌跡越來(lái)越復(fù)雜，狗腿度變化較大，高溫高壓地層逐漸增加，穩(wěn)定器作為應(yīng)力集中的主體受力區(qū)，刺漏開裂事故也越來(lái)越多，對(duì)超深井的鉆井安全提出了更高的挑戰(zhàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近五年來(lái)，某區(qū)塊共發(fā)生穩(wěn)定器刺漏開裂21次，累計(jì)損失時(shí)間102.8 d，報(bào)廢進(jìn)尺43.3 m，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，開展穩(wěn)定器刺漏開裂原因分析，預(yù)防和減少井下鉆具故障，對(duì)超深井提速提效有著十分積極的意義[6]。

1 刺漏失效情況

發(fā)生刺漏開裂的穩(wěn)定器規(guī)格是Φ450 mm-730×731，某超深井在鉆進(jìn)至某井深后，由于鉆進(jìn)速度慢，于是進(jìn)行起鉆作業(yè)。起鉆過(guò)程中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定器內(nèi)螺紋部位刺漏，內(nèi)螺紋接頭刺漏宏觀形貌如圖1所示。從圖1可見，刺穿裂紋距內(nèi)螺紋端面140 mm處，刺穿裂紋長(zhǎng)度為110 mm，其中刺孔尺寸為20 mm×10 mm，該刺孔位于穩(wěn)定器內(nèi)螺紋根部應(yīng)力集中區(qū)。圖1中刺漏失效的穩(wěn)定器曾在3口油氣井中進(jìn)行了服役，其井下使用時(shí)間總計(jì)為172.3 h。

圖1 內(nèi)螺紋接頭刺穿宏觀形貌

2 刺漏失效穩(wěn)定器宏觀分析

圖2是刺漏失效穩(wěn)定器的宏觀形貌。從圖2可見，穩(wěn)定器刺漏發(fā)生在距內(nèi)螺紋端面140 mm、內(nèi)螺紋扣根第6個(gè)齒根底部，刺漏形成20 mm×10 mm的穿孔，該穿孔部位有一條沿該齒根的直線裂紋，長(zhǎng)度為110 mm，對(duì)應(yīng)的第3～第6螺紋齒牙及齒根被完全沖蝕破壞。該失效穩(wěn)定器內(nèi)螺紋的外表面沒有明顯腐蝕痕跡，端部表面均勻分布著大量上扣齒痕，內(nèi)螺紋絲扣存在不同程度的損壞，內(nèi)部刺漏發(fā)生在內(nèi)螺紋末端第3～6扣，刺漏起始于第3扣損壞部位。第4～6扣在泥漿沖蝕作用下被損壞，約110 mm長(zhǎng)度的絲扣在沖蝕作用下消失，沿刺漏起始部位螺旋向上發(fā)生嚴(yán)重沖蝕，最終在第6扣處發(fā)生刺漏，并形成長(zhǎng)度為110 mm的直線裂紋。

圖2 刺漏失效穩(wěn)定器的宏觀形貌

3 刺漏裂紋形貌分析

為了分析刺孔和裂紋形成原因及其相互影響情況，使用線切割將圖2中的失效穩(wěn)定器沿刺漏裂紋處剖開，分析刺孔和裂紋形貌。

3.1 刺孔形貌分析

刺漏部位裂紋表面附著大量沉積物，這是高壓鉆井液流體在狹窄的裂紋縫隙中流過(guò)時(shí)堆積而成，裂紋表面沉積物形貌如圖3所示。

圖3 清洗前裂紋表面沉積物形貌

固相顆粒沉積以及鉆井液流體的長(zhǎng)期沖蝕作用加劇了裂紋寬度的增大，進(jìn)一步增加了鉆井液流體的泄漏量，導(dǎo)致長(zhǎng)度110 mm直線裂紋內(nèi)部沉積大量沉積物。

圖4是將裂紋表面沉積物清洗后，裂紋表面在高壓鉆井液流體沖刷后的宏觀形貌。從圖4可見，刺漏穿孔處是在內(nèi)螺紋第3扣損壞部位，并沿壁厚方向刺穿，同時(shí)高壓鉆井流體大量進(jìn)入第3扣～第6扣之間，高壓沖蝕作用導(dǎo)致該部位斷面光滑平整，局部區(qū)域有高壓流體沖刷所形成的放射狀痕跡。

圖4 清洗后裂紋表面形貌

根據(jù)直線裂紋沿齒根底部擴(kuò)展的特征，進(jìn)一步觀察直線裂紋邊緣處螺紋形貌特征發(fā)現(xiàn)，多處齒根底部均出現(xiàn)不同長(zhǎng)度和不同寬度的裂紋，如圖5所示。

圖5 直線裂紋邊緣形貌

3.2 裂紋特征分析

圖6是近刺漏端刺漏位置附近所分布的裂紋形貌。從圖6可見，裂紋在刺漏穿孔直線裂紋近刺漏端部位，第1扣、第4扣和第6扣底部均觀察到裂紋，其中第6扣裂紋深度和寬度最大，第1扣裂紋深度和寬度最小。且距離刺漏端越遠(yuǎn)、裂紋尺寸越小，其中第1扣遠(yuǎn)離刺漏穿孔部位裂紋長(zhǎng)度為2.20 mm，第4扣遠(yuǎn)離刺漏穿孔部位裂紋長(zhǎng)度為28.96 mm。

圖6 刺漏位置附近所分布的裂紋(近刺漏端)

圖7是距離刺漏端較遠(yuǎn)的刺漏位置附近所分布的裂紋形貌。從圖7可見，在刺漏穿孔直線裂紋距離刺漏端較遠(yuǎn)的部位，第1扣、第4扣、第5扣和第6扣底部均存在裂紋，其中第6扣處的裂紋深度和寬度最大，第1扣處的裂紋深度和寬度最小。且距離刺漏端越遠(yuǎn)、裂紋尺寸越小，其中第1扣遠(yuǎn)離刺漏穿孔部位裂紋的長(zhǎng)度為4.98 mm，第5扣遠(yuǎn)離刺漏穿孔部位的裂紋長(zhǎng)度為12.30 mm，第6扣遠(yuǎn)離刺漏穿孔部位的裂紋長(zhǎng)度為21.35 mm。

圖7 刺漏位置附近裂紋分布裂紋(距離刺漏端較遠(yuǎn))

綜上所述，刺漏的形成是因?yàn)閮?nèi)螺紋齒牙發(fā)生了損壞，且內(nèi)螺紋應(yīng)力集中部位因過(guò)載導(dǎo)致多處齒根底部產(chǎn)生了裂紋，裂紋在扭矩和軸向應(yīng)力交變載荷的作用下持續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)高壓鉆井液流體經(jīng)齒牙損壞部位進(jìn)入裂紋處，裂紋在應(yīng)力集中和流體沖蝕綜合作用下快速擴(kuò)展形成大尺寸裂紋，直至該穩(wěn)定器內(nèi)螺紋部位刺漏穿孔失效。

4 理化性能試驗(yàn)分析

4.1 金相組織試驗(yàn)分析

從圖1中的失效穩(wěn)定器上取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，用數(shù)字材料顯微鏡分析所取金相試樣的非金屬夾雜物、晶粒度及金相組織。經(jīng)過(guò)金相試驗(yàn)，其非金屬夾雜物為硫化物類夾雜和環(huán)狀氧化物類夾雜，等級(jí)均為0.5，其晶粒度為8.0級(jí)，其金相組織為回火索氏體，金相組織如圖8所示。

圖8 金相組織形貌(500×)

4.2 硬度試驗(yàn)分析

根據(jù)ISO 11960—2011標(biāo)準(zhǔn)在圖1中的穩(wěn)定器上取環(huán)形試樣，共計(jì)8塊，用洛氏硬度計(jì)按照四個(gè)象限、內(nèi)中外的方法在環(huán)形試樣截面上進(jìn)行環(huán)向硬度試驗(yàn)，硬度試樣的宏觀形貌及測(cè)量位置如圖9所示，硬度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖9 硬度試樣及測(cè)量位置

表1 穩(wěn)定器洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

從表1的試驗(yàn)結(jié)果可見，失效穩(wěn)定器的洛氏硬度值為26.7HRC～32.4HRC，平均值為29.5HRC。其中靠近外壁處洛氏硬度值為29.1HRC～32.4HRC，平均值為30.7HRC。壁厚中間處洛氏硬度值為27.5HRC～30.3HRC，平均值為29.3HRC?？拷鼉?nèi)壁處洛氏硬度值為26.7HRC～30.1HRC，平均值為28.4HRC，該部位硬度低于穩(wěn)定器壁厚中間以及靠近外壁部位，其中一部分硬度試驗(yàn)結(jié)果不符合SY/T 5051—2016《隨鉆井眼修整工具》標(biāo)準(zhǔn)中的硬度值應(yīng)大于等于285HBW(29.8HRC)的要求。

4.3 拉伸性能試驗(yàn)分析

沿穩(wěn)定器刺漏部位向管體方向加工標(biāo)準(zhǔn)棒狀拉伸試樣，在室溫(25 ℃)下進(jìn)行失效穩(wěn)定器材料的拉伸性能試驗(yàn)，拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可見，失效穩(wěn)定器材料的拉伸性能符合SY/T 5051—2016《隨鉆井眼修整工具》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 失效穩(wěn)定器材料的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

4.4 沖擊韌性試驗(yàn)分析

在失效穩(wěn)定器刺漏部位向管體方向加工10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，分別試驗(yàn)橫向和縱向試樣在室溫(25 ℃)下的沖擊韌性。經(jīng)過(guò)沖擊韌性試驗(yàn)，10 mm×10 mm×55 mm橫向沖擊試樣在室溫25 ℃時(shí)的沖擊韌性為68.50 J，10 mm×10 mm×55 mm縱向沖擊試樣在室溫25 ℃時(shí)沖擊韌性為62.75 J，失效穩(wěn)定器材料的橫向和縱向沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果均符合SY/T 5051—2016《隨鉆井眼修整工具》標(biāo)準(zhǔn)的要求(沖擊功≥54 J)。

5 刺漏失效原因綜合分析

由上述試驗(yàn)分析結(jié)果可知，失效穩(wěn)定器材料的硬度不符合SY/T 5051—2016《隨鉆井眼修整工具》的要求，除此之外，失效穩(wěn)定器材料的拉伸性能、橫向和縱向沖擊韌性和金相組織分析中的非金屬夾雜物、晶粒度等理化性能均符合SY/T 5051—2016《隨鉆井眼修整工具》的要求，材料金相組織為回火索氏體。

根據(jù)該刺漏失效穩(wěn)定器接頭的宏觀形貌，穩(wěn)定器刺漏穿孔尺寸為20 mm×10 mm，該刺孔位于內(nèi)螺紋末端第3～6絲扣處，同時(shí)在刺孔處存在1條長(zhǎng)度為110 mm的直線裂紋，該穿孔及裂紋距穩(wěn)定器端部的垂直距離為140 mm。失效穩(wěn)定器內(nèi)螺紋的第4～6絲扣在鉆井液流體沖蝕作用下被損壞。從圖6和圖7可見，失效穩(wěn)定器內(nèi)螺紋部位的裂紋均起源于其內(nèi)螺紋的絲扣底部，說(shuō)明其內(nèi)螺紋絲扣底部存在較大的應(yīng)力集中。圖4所示的裂紋表面形貌表明，裂紋擴(kuò)展區(qū)域?yàn)楣饣钠教蛊矫妫丛摿鸭y擴(kuò)展區(qū)具有疲勞擴(kuò)展特征。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的資料，刺漏失效的穩(wěn)定器在井下使用時(shí)間總計(jì)為172.3 h，因而該失效穩(wěn)定器屬于早期疲勞失效。

綜上所述，由于該失效穩(wěn)定器的內(nèi)螺紋絲扣底部存在較大的應(yīng)力集中，所以在使用中其絲扣底部萌生了裂紋，隨后在服役使用過(guò)程中，由于該穩(wěn)定器承受了較大的彎曲、拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)等交變應(yīng)力，因而該裂紋逐漸疲勞擴(kuò)展，其中第4～6絲扣處的疲勞裂紋穿透了穩(wěn)定器的管壁，在高壓鉆井液的沖蝕作用下形成刺孔，從而使該穩(wěn)定器在內(nèi)螺紋部位刺漏失效。

6 結(jié) 論

1)失效穩(wěn)定器材料的硬度不符合SY/T 5051—2016《隨鉆井眼修整工具》的要求，除此之外，失效穩(wěn)定器材料其它理化性能均符合SY/T 5051—2016《隨鉆井眼修整工具》的要求。

2)該失效穩(wěn)定器刺漏失效的主要原因是內(nèi)螺紋絲扣底部存在較大的應(yīng)力集中，因而在其內(nèi)螺紋的絲扣底部萌生了多條疲勞裂紋，隨后該穩(wěn)定器在服役使用過(guò)程中，在較大的交變應(yīng)力作用下裂紋逐漸疲勞擴(kuò)展，最后穿透管壁而使該穩(wěn)定器刺漏失效。