方鉆桿保護(hù)接頭縱向開(kāi)裂分析

黃永章,潘志勇,李文芳,孟金玲,上官豐收

(1.西安石油大學(xué),西安710065;2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所,西安710065;3.長(zhǎng)慶油田公司機(jī)械制造總廠,西安710201)

方鉆桿保護(hù)接頭縱向開(kāi)裂分析

黃永章1,2,潘志勇2,李文芳1,孟金玲3,上官豐收2

(1.西安石油大學(xué),西安710065;2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所,西安710065;3.長(zhǎng)慶油田公司機(jī)械制造總廠,西安710201)

對(duì)某油田鉆井隊(duì)一只開(kāi)裂的方鉆桿保護(hù)接頭進(jìn)行宏觀分析、無(wú)損探傷、斷口微觀檢測(cè)和材質(zhì)理化檢驗(yàn)(包括化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能),結(jié)果表明,該接頭的化學(xué)成分和材料性能符合SY/T5200—2002標(biāo)準(zhǔn)要求,開(kāi)裂是由于接頭外表面受到強(qiáng)烈的熱摩擦引起熱裂紋并疲勞擴(kuò)展造成的。

方鉆桿保護(hù)接頭;熱摩擦;熱裂紋;疲勞擴(kuò)展

Abstract:The failure analysis was carried through for a Kelly-saver sub.The fracture was checked through macro analysis,microstructure analysis and non-destructive testing.Moreover,the material’s physical and chemical properties(including chemical ingredientµstructure&mechanical properties)were tested.The test results showed that the chemical composition and property of materials conformed to the standard requirement of SY/T5200-2002.According to field operation circumstances,it can be deduced that the sub was broken mainly because of cracks and fatigue propagation caused by serious thermal friction.

Key words:kelly-saver sub;thermal friction;thermal cracks;fatigue propagation

縱向開(kāi)裂通常是由于材料的橫向沖擊功偏小造成的[1]。文獻(xiàn)[2]表明,摩擦生熱會(huì)引起“熱裂紋”(摩擦受熱的鉆桿在井下表面變硬)并造成嚴(yán)重后果,對(duì)于頂部驅(qū)動(dòng)鉆井作業(yè)有重要影響。本文以某油田鉆井隊(duì)失效的方鉆桿保護(hù)接頭為例,結(jié)合微觀和宏觀分析,得出的結(jié)論是該接頭因熱摩擦現(xiàn)象而發(fā)生破壞。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

某油田鉆井隊(duì)在鉆至井深6 086.12 m時(shí),立壓由18.2 MPa下降至17.2 MPa,上提鉆具發(fā)現(xiàn)方鉆桿保護(hù)接頭刺壞,接頭累計(jì)使用380.15 h?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該井井架偏離井口中心,此前已校正井架中心2次,且已到極限尺寸,但仍存在偏心現(xiàn)象。由于磨損,井隊(duì)已更換2次井口防磨套。

2 檢測(cè)分析

2.1 宏觀分析

損壞的方鉆桿保護(hù)接頭宏觀形貌如圖1。由圖1可見(jiàn),接頭螺紋端有貫穿壁厚的縱向裂紋,裂紋無(wú)刺漏痕跡;接頭密封面裂紋處有擠壓形成的凹坑和凸起損傷,外表面光滑明亮,明顯受到了強(qiáng)烈的摩擦。

圖1 接頭宏觀形貌

2.2 無(wú)損探傷

用熒光磁粉對(duì)該接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖2。由圖2發(fā)現(xiàn)接頭螺紋一側(cè)沿圓周外表面分布著許多縱向微裂紋,其中在3條主裂紋附近的微裂紋比較密集。

圖2 接頭沿圓周外表面分布的裂紋形貌

2.3 斷口微觀分析

將裂紋處打開(kāi),用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌,如圖3。由于腐蝕和損傷,看不到斷口真實(shí)形貌,但在接頭外表面靠近密封端部位可見(jiàn)放射狀撕裂脊收斂于此,表明該接頭的裂紋主要是以疲勞的方式擴(kuò)展的。

圖3 斷口靠近接頭外表面顯微形貌

2.4 材質(zhì)分析

2.4.1 化學(xué)成分

在接頭縱向裂紋附近取樣,用直讀光譜儀和紅外碳硫分析儀檢測(cè)其化學(xué)成分,結(jié)果如表1,化學(xué)成分符合SY/T5200—2002標(biāo)準(zhǔn)[3]要求。

2.4.2 力學(xué)性能

沿接頭縱向取標(biāo)距直徑為?12.5 mm,長(zhǎng)度為65 mm的圓棒拉伸試樣,在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn);取縱向、橫向尺寸均為10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣,在室溫條件下進(jìn)行CVN沖擊試驗(yàn)。結(jié)果如表2,力學(xué)性能符合SY/T5200—2002標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 接頭化學(xué)成分wB%

表2 接頭力學(xué)性能

2.4.3 金相分析

在接頭螺紋端裂紋附近取樣,對(duì)橫向進(jìn)行金相觀察和分析。結(jié)果顯示,基體顯微組織為 S回與少量B上組織,如圖4。夾雜物為 A1.0、B0.5、B1.0e、DTiN0.5;晶粒度為7級(jí)。

圖4 基體組織

金相分析發(fā)現(xiàn),靠近接頭外表面處有裂紋,裂紋兩側(cè)組織相同;外壁表面有磨損“白亮層”組織,厚度約0.04 mm,即裂紋附近的組織發(fā)生變化,如圖5。

圖5 外表面磨損“白亮層”和裂紋

3 縱向開(kāi)裂原因分析

a) 該井井架偏離井口中心,雖經(jīng)2次校正仍存在偏心現(xiàn)象,而且方鉆桿保護(hù)接頭的外徑比相鄰鉆具外徑大,所以井口防磨套對(duì)方鉆桿保護(hù)接頭的摩阻很大。在鉆井過(guò)程中,旋轉(zhuǎn)的方鉆桿保護(hù)接頭承受高的側(cè)向接觸力,因此受到強(qiáng)烈的摩擦作用。

b) 當(dāng)方鉆桿保護(hù)接頭與井口防磨套進(jìn)行周期性接觸摩擦?xí)r,摩擦能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?接頭外表面材料經(jīng)受周期性的加熱和冷卻,材料微觀組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化[4]。在周期性的摩擦力、熱脹冷縮應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力作用下,已經(jīng)弱化的表面材料萌生了微裂紋。內(nèi)螺紋方鉆桿保護(hù)接頭承受很大的扭矩,存在較大的環(huán)向應(yīng)力,表面微裂紋在環(huán)向應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展直至穿透壁厚,裂紋一般以應(yīng)力腐蝕或疲勞方式擴(kuò)展[5-6]。

c) 劇熱產(chǎn)生裂紋的過(guò)程使工具接頭及其他部件在井下旋轉(zhuǎn)過(guò)程中因摩擦產(chǎn)生表面硬斑,硬斑在加熱和冷卻循環(huán)(泥漿循環(huán))過(guò)程中易產(chǎn)生微裂紋。SPE文獻(xiàn)說(shuō)明了側(cè)向載荷是引起摩擦生熱的主要原因。計(jì)算表明,側(cè)向載荷較大容易引起顯著地?zé)嶙兓?而冷卻(循環(huán)泥漿)后會(huì)引起管子硬化,材料的韌性受到破環(huán)[2]。

d) 方鉆桿保護(hù)接頭密封面的凹坑和凸起損傷是在上扣過(guò)程中混入雜物后擠壓形成的,在上扣結(jié)束后,靠近雜物中心的接頭縱截面受到很大的拉應(yīng)力,當(dāng)外表面的摩擦熱裂紋擴(kuò)展到此處時(shí),由于應(yīng)力疊加,裂紋就會(huì)加速擴(kuò)展直至穿透整個(gè)壁厚。

4 結(jié)論

1) 該接頭化學(xué)成分和力學(xué)性能符合 SY/T5200—2002標(biāo)準(zhǔn)要求。

2) 該接頭裂紋是摩擦熱裂紋。

3) 井口防磨套對(duì)方鉆桿保護(hù)接頭產(chǎn)生的側(cè)向接觸力是引起強(qiáng)烈摩擦的主要原因。

4) 熱摩擦對(duì)井下工具的影響應(yīng)受到關(guān)注,應(yīng)盡量減小由此造成的損失。

[1] 李鶴林,李平全.石油鉆柱失效分析及預(yù)防[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999.

[2] Vernon R J,Wade E H R.劇熱產(chǎn)生的裂紋:摩擦熱造成擴(kuò)邊井鉆桿的破壞[J].杜 愨,譯.吐哈油氣,2006(4):397-340.

[3] SY/T5200—2002,鉆柱轉(zhuǎn)換接頭[S].

[4] 石德珂.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[5] 吳 敏,丁小軍,孫小華,等.SH150型雙臂吊環(huán)裂紋成因分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(3):65-67.

[6] 謝 娟,王德玉,李才良,等.方鉆桿旋塞閥的失效與受力分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(12):49-51.

Analysis on Longitudinal Crack of a Kelly-saver Sub

HUANG Yong-zhang1,2,PAN Zhi-yong2,LI Wen-fang1,MENG Jin-ling3,SHANG GUAN Feng-shou2
(1.Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,China;2.CN PC Tubular Goods Research Center,Xi’an710065,China;3.Machine Manuf acture Plant,Changqing Oilfield Company,Xi’an710201,China)

TE921.2

A

1001-3482(2010)01-0078-03

2009-07-22

黃永章(1985-),男,江西撫州人,碩士研究生,研究方向?yàn)橛蜌饩苤W(xué),E-mail:huangyongzhang@163.com。