127mm G105鉆桿管體刺穿失效分析

崔順賢黃 偉葉頂鵬袁中華

1.中國石化西南油氣分公司 管具中心 （四川 德陽 618000）

2.中國石油西部鉆探 國際鉆井公司 （新疆 烏魯木齊 830000）

127mm G105鉆桿管體刺穿失效分析

崔順賢1黃 偉2葉頂鵬1袁中華1

1.中國石化西南油氣分公司 管具中心 （四川 德陽 618000）

2.中國石油西部鉆探 國際鉆井公司 （新疆 烏魯木齊 830000）

通過力學(xué)性能測試、金相顯微組織和斷口分析，并結(jié)合鉆桿的受力狀態(tài)，對某127mm G105鉆桿管體刺穿失效原因進行分析。結(jié)果表明，鉆桿刺穿失效的原因是由于操作不當(dāng)，大鉗夾持管體時產(chǎn)生許多深的牙痕，鉆井過程中，牙痕底部由于應(yīng)力集中形成裂紋，在交變應(yīng)力作用下，裂紋疲勞擴展，最終導(dǎo)致鉆桿形成刺孔。

鉆桿 鉗痕 失效分析 疲勞

事故概況

2009年3月11日14 :30某鉆井施工中下鉆至5 682.60m，循環(huán)完泥漿后開始鉆進。3月12日7:30鉆進至5 702.39m時發(fā)現(xiàn)泵壓下降1MPa，懸重?zé)o變化。經(jīng)倒泵觀察，檢查高壓管線等地面設(shè)備，運轉(zhuǎn)正常，泥漿液面無變化，起鉆檢查鉆具。2009年3月12日23:00起鉆至1 291.46m時發(fā)現(xiàn)第147柱中單根Φ127mm鉆桿在距母扣端面1.09m處刺穿，刺穿裂紋周向長度20mm，軸向?qū)挾?0mm。刺穿鉆桿所在位置為井深4 216.18m。

鉆具組合:Φ241.3mmEM1316GU×0.35m+Φ185 mm 1°單彎動力鉆具×8.01m+Φ238mm扶正器×0.70 m+Φ178mm翻板閥×0.50m+Φ177.8mm無磁鉆鋌× 9.17m+Φ165mm無磁短鉆鋌×4.42m+Φ127mm無磁承壓鉆桿×9.23m+Φ178mm旁通閥×0.5m+Φ127mm HWDP×4柱+Φ178mm撓性短節(jié)+Φ178mm隨鉆震擊器+Φ127mm HWDP×5柱+Φ127mmDP×1773.80 m+411×520+Φ139.7mmDP。

鉆井參數(shù)：鉆壓40kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50r/min，排量31L/s，泵壓17MPa，泥漿密度1.51g/cm3，pH10.5。

理化檢驗

1 宏觀分析

失效鉆桿管體樣品如圖1所示，樣品長度為900mm，樣品中間位置有一長約25mm，寬15mm的“8”字形刺孔，刺孔周圍有規(guī)則排布的夾持鉗痕和白亮的摩擦痕跡，如圖2所示。對失效鉆桿管體尺寸進行測量，測量結(jié)果為：外徑127.20mm，內(nèi)徑108.62 mm，測量數(shù)據(jù)表明，失效鉆桿管體外徑和內(nèi)徑符合API Spec 5D[1]標(biāo)準(zhǔn)。對失效樣品外表面進行磁粉和超聲波探傷，未發(fā)現(xiàn)其他超標(biāo)缺陷。將失效樣品剖開，內(nèi)表面涂層完好，無明顯腐蝕或剝落痕跡，內(nèi)壁刺孔周圍無裂紋延伸痕跡，如圖3所示。

2 化學(xué)成分分析

從失效鉆桿樣品上取樣，采用直讀光譜儀進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明，失效鉆桿化學(xué)成分符合API Spec 5D標(biāo)準(zhǔn)。

3 金相分析

在管體刺孔的周向兩側(cè)取樣進行金相分析，在刺孔兩側(cè)的鉗痕底部可觀察到沿徑向已有一定程度擴展的裂紋。依據(jù)GB/T 10561-2005，GB/T 6394-2002評定試樣材料中的非金屬夾雜物等級為A0.5，B1.0，D0.5，鉆桿管體組織為回火索氏體，晶粒度為9.0級。試樣外表面有多條起源于鉗痕底部的微裂紋，裂紋沿徑向筆直擴展，裂紋縫隙內(nèi)分布著灰色物質(zhì)，如圖4所示，裂紋兩端組織與基體組織相同，均為回火索氏體，如圖5所示。

4 力學(xué)性能分析

在失效鉆桿管體上分別取軸向拉伸試樣和縱向夏比V型缺口沖擊試樣。拉伸試樣為25.4mm寬，標(biāo)距為50mm的全壁厚條形試樣，沖擊試樣規(guī)格為7.5mm×10mm×55mm，實驗溫度21℃，實驗結(jié)果見表3。實驗結(jié)果表明，失效鉆桿的力學(xué)性能滿足API Spec 5D標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 失效鉆桿化學(xué)成分

表3 鉆桿的力學(xué)性能

5 微觀斷口分析

將起源于鉗痕底部的裂紋壓開，經(jīng)超聲波清洗后，采用電子顯微鏡高倍下觀察裂紋擴展面形貌，整個裂紋擴展面平整。高倍下裂紋面明顯可見疲勞輝紋形貌，如圖6所示。局部表面覆蓋一層黑色物質(zhì)，對黑色物質(zhì)的能譜分析，結(jié)果如圖7所示，可見，這種黑色物質(zhì)主要由于鐵的氧化腐蝕造成的。

綜合分析

失效鉆桿的管體尺寸、化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合API Spec 5D標(biāo)準(zhǔn)。

失效鉆桿刺孔周圍的管體外壁有許多規(guī)則排布的夾鉗牙痕，內(nèi)壁涂層完好，刺孔呈“8”字形，在刺孔周向兩側(cè)的鉗痕底部發(fā)現(xiàn)有一定程度擴展的裂紋。金相顯微分析表明，在多個鉗痕底部發(fā)現(xiàn)沿徑向平直擴展的微裂紋。常見鉆桿的刺孔形貌，如圖8所示，其特點在于刺孔為唇型，在刺孔兩側(cè)有與刺孔擴展方向一致的裂紋延伸。該失效鉆桿表面形成的刺孔呈“8”字形，結(jié)合內(nèi)外壁的刺孔宏觀形貌分析，推斷該“8”字形刺孔是由相鄰的兩條起源于鉗痕底部的裂紋擴展成刺穿裂紋后連接在一起而形成的。

對鉗痕底部萌生裂紋的金相顯微分析表明，裂紋周圍組織與基體組織相同，為回火索氏體，裂紋平直擴展，內(nèi)部填充灰色物質(zhì)。將裂紋面壓開，斷口平齊，裂紋擴展面平整，有許多規(guī)則分布的疲勞輝紋條帶，裂紋面局部覆蓋著黑色物質(zhì)，能譜分析表明，黑色物質(zhì)為鐵的氧化腐蝕產(chǎn)物。

鉆桿管體外表面有大量規(guī)則排布的鉗痕，在這些鉗痕底部將產(chǎn)生應(yīng)力集中。在鉆井過程中，鉆桿承受拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等復(fù)合載荷的作用，管體鉗痕底部的應(yīng)力遠大于管體截面的平均應(yīng)力，微裂紋從鉗痕底部萌生，隨后逐漸疲勞擴展，進而形成穿透性裂紋，高壓鉆井液乘隙而入，形成刺孔。

綜合以上分析，鉆桿發(fā)生刺穿失效的原因是操作不當(dāng)，大鉗夾持鉆桿管體外表面形成許多深的鉗痕，在復(fù)雜交變應(yīng)力作用下，導(dǎo)致了疲勞裂紋在鉗痕底部的萌生并擴展，最終穿透壁厚形成刺孔。

結(jié)論與建議

（1）失效鉆桿的各項力學(xué)性能指標(biāo)符合API Spec 5D標(biāo)準(zhǔn)。

（2）鉆桿刺穿失效的原因是操作不當(dāng)，大鉗夾持管體產(chǎn)生許多深的鉗痕，在交變應(yīng)力的作用下，鉗痕底部形成裂紋并疲勞擴展，最終導(dǎo)致鉆桿刺穿失效。

（3）建議規(guī)范操作，避免夾持鉆桿管體部位。

[1]API Spec 5D鉆桿管體[S].

The reason on the piercing failure of 127mm G105 drilling pipe was analyzed based on the test of mechanical properties, analysis of metallographic micrograph and fracture,and the force status of drilling pipe.Results show that the main reason for piercing failure of drilling pipe is the improper operation of drilling workers while holding the pipe by the clamp,which caused lots of deep clamp prints on the outside of drilling pipe.During the drilling process,cracks developed from the prints and extended quickly under the effect of alternating stresses.In the end,they leaded to the pierced hole on the drilling pipes.

drilling pipe;clamp prints;failure analysis;fatigue

張簫鈴

2010-05-21