隨鉆測(cè)量定向接頭失效形式及原因分析

孫 征

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安，710065；2.山西北方風(fēng)雷工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西侯馬，043013）

隨鉆測(cè)量定向接頭失效形式及原因分析

孫 征1，2

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安，710065；2.山西北方風(fēng)雷工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西侯馬，043013）

隨鉆測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于鉆井、測(cè)井、地質(zhì)分析等工程中，無磁隨鉆測(cè)量定向接頭是井下隨鉆測(cè)量?jī)x器的重要部件，通過研究無磁隨鉆測(cè)量定向接頭的失效形式并加以分析，使我們從中得到了無磁隨鉆測(cè)量定向接頭的腐蝕失效原因，并知道腐蝕失效的存在會(huì)增加接頭斷裂的風(fēng)險(xiǎn)率。為此我們會(huì)在日常維護(hù)中利用外觀檢測(cè)和超聲波檢測(cè)儀對(duì)設(shè)備加以檢測(cè)，以排除隱患來降低事故的發(fā)生率。

無磁接頭；隨鉆測(cè)量；腐蝕失效

1 隨鉆測(cè)量接頭簡(jiǎn)介

隨著鉆井深度的不斷增加和定向井、水平井的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)各大鉆探公司都在鉆井過程中配備了隨鉆測(cè)量?jī)x器,提高作業(yè)精度，節(jié)約時(shí)間成本。無磁隨鉆測(cè)量定向接頭作為系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性關(guān)系到整串井下儀器運(yùn)行的成敗，如果發(fā)生斷裂事故，將對(duì)施工造成極大影響和損失。

在鉆井過程中，無磁隨鉆測(cè)量定向接頭承受著拉壓、彎曲、沖擊、扭轉(zhuǎn)以及振動(dòng)等復(fù)合載荷。同時(shí)，鉆井液體的持續(xù)沖刷及內(nèi)孔安裝的循環(huán)套特殊結(jié)構(gòu)使得鉆井液腐蝕情況更加明顯。無磁定向接頭的材料，既要求有高強(qiáng)度和良好的延伸率等力學(xué)性能，同時(shí)還要具備耐腐蝕性和無磁性。

2 無磁隨鉆測(cè)量定向接頭失效案例分析

通過對(duì)陜甘寧各油氣區(qū)塊所使用的無磁材質(zhì)隨鉆測(cè)量定向接頭共94個(gè)樣本進(jìn)行追蹤，統(tǒng)計(jì)其失效實(shí)例。在這些樣本中，螺紋失效樣本2個(gè)，占問題樣本的10.5%,磨損導(dǎo)致無法繼續(xù)使用的共13個(gè)，占問題樣本的68.5%，腐蝕失效出現(xiàn)裂紋的樣本共4個(gè),占問題樣本的21% 。失效原因分析：

（1）螺紋失效分析。從樣本數(shù)量來看，發(fā)生螺紋失效的數(shù)量占比最低，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)情況表明該失效均發(fā)生在螺紋根部，且都是磨損造成螺紋變形。相比于4145H材質(zhì)接頭螺紋失效比例來說，無磁材質(zhì)隨鉆測(cè)量定向接頭螺紋失效發(fā)生比例較低，對(duì)比接頭標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5200-2012標(biāo)準(zhǔn)中要求的械性能可以看出無磁材質(zhì)的沖擊功和延伸率值高出很多，因此很少發(fā)生螺紋斷裂事故。

（2） 磨損失效分析。磨損失效的接頭樣本占比68.5%，占比比例最大。該部分接頭樣本均為長(zhǎng)時(shí)間使用后外表面出現(xiàn)嚴(yán)重偏磨或磨損后外徑過小而報(bào)廢的。這種磨損是由于采用奧氏體無磁鋼原材料造成的，這種奧氏體無磁鋼原材料的韌性和塑性非常高但其強(qiáng)度和硬度并不突出，而且不能通過熱處理來提高硬度和強(qiáng)度。在井下復(fù)雜環(huán)境的工作過程中，疲勞破壞使得無磁材質(zhì)接頭磨損更加明顯。通常在完井提鉆后檢查外徑尺寸判斷其可否繼續(xù)使用，此類磨損并不會(huì)直接導(dǎo)致接頭斷裂事故。

（3） 腐蝕失效分析。腐蝕失效的接頭樣本占比21%，其占比比例并不大，但是腐蝕會(huì)造成無磁隨鉆測(cè)量定向接頭本體出現(xiàn)裂紋，裂紋貫穿后造成刺穿，刺穿后繼續(xù)擴(kuò)大最終會(huì)導(dǎo)致斷裂事故。因此這種失效類型是最危險(xiǎn)的，需特別注意。

3 常見無磁隨鉆測(cè)量定向接頭腐蝕失效實(shí)例

3.1 刺穿處外觀

此批無磁隨鉆測(cè)量定向接頭批樣本中最為典型的腐蝕失效實(shí)例是腐蝕造成裂紋并刺穿，該樣本接頭外徑165mm，長(zhǎng)度595mm，材質(zhì)為W1813N。外表面裂紋長(zhǎng)85mm，刺孔位于接頭中部，距母扣端面193mm處。將該樣本接頭切開后發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁處刺孔略大于外表面，內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)93mm。

3.2 理化檢驗(yàn)及金相分析

依據(jù)SY/T 5200-2012標(biāo)準(zhǔn)，取樣進(jìn)行拉伸、沖擊和硬度試驗(yàn)?？v向棒狀拉伸試樣標(biāo)距內(nèi)直徑為φ12.5mm，標(biāo)距內(nèi)長(zhǎng)度為65mm，試驗(yàn)結(jié)果見表1。2#、3#屈服強(qiáng)度均不符合SY/T 5200-2012標(biāo)準(zhǔn)要求。在樣本接頭裂紋處橫向切取式樣進(jìn)行金相分析，在金相顯微鏡下觀察裂紋擴(kuò)展情況，裂紋起于內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，并最終刺穿。

表1 刺穿部位取樣械性能檢測(cè)結(jié)果

3.3 綜合分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該無磁隨鉆測(cè)量定向接頭裂紋內(nèi)壁長(zhǎng)于外壁，裂紋起始于內(nèi)壁向外壁呈沿晶擴(kuò)展，屬于應(yīng)力腐蝕裂紋。根據(jù)腐蝕裂紋情況推斷該無磁隨鉆測(cè)量定向接頭徑向裂紋是由于鉆井液含鹽量濃度高腐蝕所致。同時(shí)，該腐蝕裂紋使得周圍機(jī)械性能急劇降低，該區(qū)域存在很高斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論及建議

（1）無磁隨鉆測(cè)量定向接頭在使用過程中常見的失效形式為磨損失效、螺紋失效和腐蝕失效。

（2）鉆井液含鹽量濃度高易導(dǎo)致無磁材質(zhì)隨鉆測(cè)量定向接頭發(fā)生腐蝕失效。

（3）磨損失效和螺紋失效在常規(guī)維護(hù)過程中相對(duì)易于排除隱患。腐蝕失效危險(xiǎn)性高，需要在鉆具維護(hù)過程中仔細(xì)檢查外觀并使用超聲波探傷儀檢測(cè)內(nèi)部有無缺陷，盡早消除安全隱患。

[1]孟慶瑜.無磁鉆具磨損機(jī)理及防護(hù)措施研究[D].中國(guó)石油大學(xué).2011.

[2]朱榮東,陳平,夏宏泉,石曉兵.鉆鋌螺紋的有限元分析及應(yīng)力分散槽優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2008(02).

[3]王永江.鉆具失效的無損檢測(cè)[J].無損檢測(cè).2010(10).

MWD orientation joint failure mode and causal analysis

Sun Zheng1，2
（1. Xi’an shiyou University,Xi’an Shaanxi,710065；2.Shanxi North Fenglei Industry Group Co.，Ltd.,Houma Shanxi,043013）

Measurement while drilling technique is widely used in drilling、Well Logging and geological analysis engineering,nonmagnetic MWD orientation joint is an important part of the MWD system,We study the failure mode of MWD orientation joint and get the causes of corrosion failure，corrosion failure increases the risk of breakage。We will strengthen the test in our daily work to reduce accident rate。

Nonmagnetic MWD joint;MWD;Corrosion failure