某井NC50鉆桿接頭螺紋刺漏原因分析

陳 猛,余世杰,2,歐陽志英,徐昌學(xué)

(1.上海海隆石油管材研究所,上海200949;2.西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,成都610500)

鉆桿是鉆油氣井的重要工具,其主要由管體和接頭通過摩擦焊接連接組成。在鉆井作業(yè)的過程中,鉆桿通過接頭螺紋部位進行連接,鉆桿接頭承擔(dān)著連接鉆柱、傳遞扭矩和拉伸載荷等重要作用。鉆桿接頭的尺寸比鉆桿管體要大,且接頭螺紋處結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯,是鉆柱最薄弱的部位。鉆桿接頭的服役條件較惡劣,接頭在使用過程中會受到多種載荷的復(fù)合作用,并受到鉆井液、地下水和油氣中腐蝕介質(zhì)的腐蝕,因而在鉆井過程接頭經(jīng)常發(fā)生失效造成井下事故[1-3]。此外,鉆桿在服役過程中在扭矩的作用下會發(fā)生自轉(zhuǎn),但是在卡轉(zhuǎn)、憋鉆時也會由于慣性作用發(fā)生反轉(zhuǎn),使上扣扭矩不足的鉆桿接頭出現(xiàn)螺紋松扣,同時,鉆桿在定向井、水平井的鉆進過程中會與井壁發(fā)生摩擦,在部分地層鉆桿受到很大的摩擦阻力,從而造成其接頭螺紋出現(xiàn)松扣,這會使鉆桿接頭螺紋在鉆進過程中產(chǎn)生動態(tài)載荷,最終發(fā)生早期的螺紋失效[4]。

2018年某鉆井公司在對一批起鉆后的鉆桿進行無損探傷時發(fā)現(xiàn)有多個接頭螺紋出現(xiàn)裂紋且發(fā)生刺漏,該批鉆桿接頭型號為NC50,接頭外徑為184.2 mm,內(nèi) 徑 為88.9 mm,接頭材料為37Cr Mn Mo鋼。為查明該接頭螺紋出現(xiàn)裂紋及刺漏的原因,筆者對其進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

取2個失效接頭(均為公接頭)編號為1,2號,分別進行宏觀觀察。由圖1可見,肉眼無法觀察到1號接頭螺紋上的裂紋,螺紋表面磨損較輕微且存在黃褐色腐蝕產(chǎn)物;接頭大端面有輕微磨損,靠近大端面的螺紋第1,2牙牙面鍍磷層較完整;接頭小端面涂層完好,說明小端面不存在磨損,小端面與接頭副臺肩面無接觸。由圖2可見,2號接頭靠近大端面的螺紋第3牙牙底存在一條裂紋,裂紋開口較大且沿著牙底呈周向擴展,由此推斷裂紋已貫穿整個螺紋壁厚;在大端面及靠近大端面的螺紋處存在較嚴(yán)重的沖刷腐蝕形貌,這說明主臺肩的密封面未起到密封作用[5]。由1,2號接頭的宏觀形貌可知,接頭螺紋未上扣到位造成主臺肩密封作用較差,同時接頭螺紋第3牙處受到動態(tài)應(yīng)力作用,在牙底產(chǎn)生裂紋,當(dāng)裂紋貫穿后,鉆桿內(nèi)部高壓鉆井液沿著螺紋牙底從密封端面噴出,由于流速較快,在較短的時間內(nèi)就形成沖刷腐蝕形貌。

圖1 1號鉆桿接頭不同部位的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of different parts of No.1 drill pipe joint：a）whole；b）threads and large end face；c）small end face

圖2 2號鉆桿接頭不同部位的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of different parts of No.2 drill pipe joint：a）whole；b）large end face

將1,2號接頭沿縱向?qū)Π肫书_觀察接頭內(nèi)壁的宏觀形貌。由圖3可見,1號接頭內(nèi)壁涂層完好,螺紋第3牙和第2牙牙底的裂紋不明顯。由圖4 可見,2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋已經(jīng)貫穿到內(nèi)壁,內(nèi)壁裂紋周長約為130 mm,裂紋兩側(cè)的涂層完好;螺紋裂紋從第3牙擴展到第2牙,第3牙和第2牙牙底裂紋深度分別為20,16 mm,裂紋開口均位于螺紋牙底承載面一側(cè)。由1,2號接頭內(nèi)壁的宏觀形貌可知,裂紋起源于螺紋牙底,而且螺紋第3牙牙底裂紋為主裂紋,推斷此處在服役過程中受到的應(yīng)力最大;牙底裂紋在周向擴展的同時向內(nèi)壁徑向擴展,最后貫穿整個壁厚。

圖3 1號接頭內(nèi)壁的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of inner wall of No.1 joint

1.2 磁粉探傷分析

采用CDG-6000A/9000A 型熒光磁粉探傷機對1,2號接頭進行磁粉檢傷。由圖5可見,1號接頭靠近大端的螺紋第3牙和第2牙牙底均有裂紋,第3牙裂紋長度約占螺紋橫截面周長的一半,第2牙裂紋長度約為80 mm。由圖6可見,2號接頭螺紋第3牙貫穿的裂紋沿著螺紋牙底擴展到第2牙,裂紋周長大于螺紋所在橫截面的周長。

圖4 2號接頭內(nèi)壁的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of inner wall of No.2 joint

圖5 1號接頭螺紋磁粉檢傷結(jié)果Fig.5 Magnetic particle inspection results of No.1 joint thread：a）the third tooth crack；b）the second tooth crack

1.3 化學(xué)成分分析

在1 號接頭上取樣,按照ASTM E415-08Standard Test Method for Atomic Emission Vacuum Spectrometric Analysis of Carbon and Low-Alloy Steel,用ARL 4460 OES型直讀光譜儀進行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示?？梢娊宇^的化學(xué)成分符合API SPEC 5DP－2009 (R2015)Specification forDrill Pipe對37Cr Mn Mo鋼的要求。

圖6 2號接頭螺紋磁粉檢傷結(jié)果Fig.6 Magnetic particle inspection results of No.2 joint thread

表1 1號接頭的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of No.1 joint（mass fraction） %

1.4 力學(xué)性能測試

按照API SPEC 5DP－2009(R2015),在1號接頭上截取規(guī)格為φ12.5 mm 的圓棒拉伸試樣、尺寸為10 mm×10 mm×55 mm 的CVN 沖擊試樣以及厚度為10 mm 的條狀試樣。按照ASTM A370－2010Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products采用WAW-600型電液伺服萬能試驗機進行拉伸性能測試,按照ASTM E23-07aStandard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials采用JBN-300型擺錘沖擊試驗機進行室溫沖擊性能測試,按照ASTM E10-18Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials采用DHB-3000型布氏硬度計進行布氏硬度測試。由表2和表3可見,1號接頭的拉伸性能、沖擊吸收能量和硬度均符合API SPEC 5DP－2009(R2015)對37Cr Mn Mo鋼的要求。

表2 1號接頭的拉伸性能測試結(jié)果Tab.2 Tensile properties test results of No.1 joint

表3 1號接頭的沖擊性能測試結(jié)果Tab.3 Impact properties test results of No.1 joint J

表4 1號接頭的硬度測試結(jié)果Tab.4 Hardness test results of No.1 joint HB

1.5 金相分析

在1號接頭的大鉗部位、螺紋第3牙牙底裂紋周長的中間部位、螺紋第2牙牙底裂紋周長的中間垂直于裂紋處取樣,試樣經(jīng)過打磨、拋光,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕,根據(jù)GB/T 13298－2015《金屬顯微組織檢驗方法》采用GX51型倒置金相顯微鏡分別觀察1號接頭大鉗部位浸蝕后的顯微組織,以及螺紋第3牙牙底裂紋周長中間部位和第2牙牙底裂紋周長中間垂直于裂紋處浸蝕前后的顯微組織。由圖7可見,1號接頭大鉗部位的顯微組織為回火索氏體,晶粒度為8.5級。由圖8可見,第3牙牙底和第2牙牙底的裂紋開口均位于牙底圓弧靠近承載面一側(cè),裂紋整體走向較平直,第3牙牙底裂紋深度約為4 mm,第2 牙牙底裂紋深度約為2.5 mm。由圖9可見,第3牙牙底和第2牙牙底的裂紋開口兩側(cè)組織無明顯變化,仍為回火索氏體,裂紋尖端均較圓頓。

圖7 1號接頭大鉗部位浸蝕后的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of No.1 joint tong after etching

圖8 1號接頭螺紋第2,3牙牙底裂紋處浸蝕前的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of cracks on the bottom of the a）third and b）second teeth of No.1 joint thread before etching

圖9 1號接頭螺紋第2,3牙牙底裂紋開口和尖端浸蝕后的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of（a，b）opening and（c，d）tip of cracks on the bottom of the （b，d）second and（a，c）third teeth of the No.1 joint thread after etching

根據(jù)GB/T 13298－2015《金屬顯微組織檢驗方法》,在2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋處取樣,試樣經(jīng)過打磨、拋光,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后,采用GX51型倒置金相顯微鏡觀察顯微組織。由圖10可見,2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋的顯微組織整體形貌與1號接頭螺紋第2,3牙牙底裂紋的相似,裂紋開口也位于牙底承載面一側(cè),裂紋沿內(nèi)壁徑向擴展,深度約為17 mm;裂紋開口、中部、近尖端和尖端兩側(cè)的顯微組織為回火索氏體,裂紋內(nèi)部填充有黑色的腐蝕產(chǎn)物且裂紋尖端較細(xì)。

圖10 2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋不同區(qū)域的顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of different areas of crack of bottom of the third tooth of No.2 joint thread：a）whole，polished state；b）opening，etched state；c）middle，etched state；d）near tip，etched state；e）tip，etched state

1.6 斷口分析

分別將1號接頭螺紋第3牙牙底裂紋和1號接頭螺紋第3牙牙底裂紋人為打開觀察斷口的宏觀形貌,并采用TESCAN VEGA II XMH 型掃描電鏡觀察斷口裂紋尖端的微觀形貌。由圖11可見,靠近牙底黃褐色部位為裂紋處,銀灰色部位為人為打開處,裂紋尖端(圖11a)箭頭處)存在堆垛狀腐蝕產(chǎn)物,裂紋尖端斷口呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理＋韌窩形貌。由圖12可見,牙底至銀灰色交界的黃褐色部位為裂紋處,銀灰色部位為人為打開處,裂紋尖端(圖12a)箭頭處)存在堆垛狀腐蝕產(chǎn)物,裂紋尖端斷口呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理＋韌窩形貌。

2 分析與討論

由宏觀觀察結(jié)果可知,1號接頭靠近大端面的螺紋第1,2牙表面的鍍磷層完好,這表明公、母接頭螺紋上扣時,螺紋1,2牙沒有接觸,通過對鉆桿接頭應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn),螺紋第3牙受到較大的應(yīng)力集中作用,由于兩個失效接頭主裂紋都在第三牙牙底,推測螺紋第3牙為裂紋起源處。由金相檢驗結(jié)果可知,1,2號接頭裂紋開口均靠近螺紋牙底承載面一側(cè),由此推測裂紋在產(chǎn)生和擴展時受到較大的拉應(yīng)力。1號接頭螺紋牙底裂紋較淺。2號接頭螺紋第3牙牙底的裂紋已經(jīng)貫穿到內(nèi)壁,且鉆桿內(nèi)部的高壓泥漿對靠近大端面一側(cè)的第1,2,3 牙沖刷腐蝕較嚴(yán)重,同時大端面也受到一定程度腐蝕,這表明失效接頭上扣不到位,導(dǎo)致公、母接頭螺紋咬合較松,在服役的過程中,螺紋牙底受到動態(tài)載荷的作用。

圖11 1號接頭斷口的宏觀形貌和斷口裂紋尖端的SEM 形貌Fig.11 a）Macro morphology of fracture and b）SEM morphology of crack tip of No.1 joint

圖12 2號接頭斷口的宏觀形貌和斷口裂紋尖端的SEM 形貌Fig.12 a）Macro morphology of fracture and b）SEM morphology of crack tip of No.2 joint

2號接頭螺紋第3牙牙底裂紋為泥漿沖刷腐蝕所致。這是因為該接頭臺肩面失去密封能力后,內(nèi)部高壓泥漿在向外環(huán)空低壓處流動的過程中,由于高壓泥漿的沖擊載荷和腐蝕作用,接頭螺紋上的金屬發(fā)生流失和變形。2號接頭為雙臺肩鉆桿接頭,雙臺肩接頭設(shè)有主臺肩和副臺肩,其密封性與普通API (API SPEC 5DP － 2009 (R2015)Specification for Drill Pipe)標(biāo)準(zhǔn)接頭一樣,主要取決于主臺肩的接觸面壓力,副臺肩雖然能承擔(dān)部分扭矩,但密封作用較小。當(dāng)接頭螺紋緊密連接后,由于螺紋本身無密封性,內(nèi)外螺紋牙頂與牙底間存在間隙通道可流通液體,只要確保接頭主臺肩面密封良好,則不會發(fā)生泥漿沖刷腐蝕。由2號接頭的沖刷腐蝕形貌和斷口形貌分析結(jié)果可知,從螺紋外表面貫穿到內(nèi)壁的裂紋起源于螺紋牙底的疲勞裂紋,內(nèi)外螺紋主臺肩的密封性失效是導(dǎo)致接頭發(fā)生泥漿沖刷腐蝕的根本原因,這主要與接頭材料及公、母接頭螺紋參數(shù)配合情況、接頭上扣扭矩等因素有關(guān)[6-7]。

2.1 接頭材料分析

由理化檢驗結(jié)果可知,1號接頭的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合API SPEC 5DP－2009(R2015)要求。由金相檢驗結(jié)果可知,1號接頭的顯微組織為回火索氏體。由斷口分析結(jié)果可知,裂紋已經(jīng)大部分穿透螺蚊但未立即斷裂,這表明該接頭滿足鉆桿“先刺后斷”的設(shè)計要求,由此排除由接頭材料缺陷造成泥漿沖刷腐蝕導(dǎo)致接頭出現(xiàn)刺漏的可能。

2.2 公母接頭螺紋參數(shù)匹配性分析

鉆桿接頭只有內(nèi)外螺紋參數(shù)相互匹配才能達到理想的連接預(yù)緊效果,內(nèi)外螺紋如果存在錐度、螺距等參數(shù)誤差,也會造成螺紋連接配合不佳和密封臺肩面配合不到位,從而導(dǎo)致螺紋出現(xiàn)錯扣和粘扣,最終使密封臺肩面失效造成接頭發(fā)生刺漏。但從公、母接頭的宏觀形貌來看,螺紋面并未出現(xiàn)錯扣和粘扣,由此推斷接頭內(nèi)外螺紋匹配良好,由此排除由公、母接頭螺紋參數(shù)不匹配導(dǎo)致接頭出現(xiàn)刺漏的可能。

2.3 接頭上扣扭矩的影響分析

接頭上扣扭矩一般為API推薦的扭矩(非API接頭上扣扭矩為鉆具廠家推薦的扭矩)。雙臺肩接頭正常上扣時,首先公、母接頭的主臺肩發(fā)生接觸,此時公、母接頭和副臺肩存在約為0.25 mm 的間隙,當(dāng)接頭上扣實際扭矩達到API推薦的扭矩時,主臺肩會發(fā)生彈性壓縮變形直到副臺肩也發(fā)生接觸。如果接頭上扣實際扭矩低于API推薦的扭矩,將會導(dǎo)致兩種結(jié)果:(1)導(dǎo)致內(nèi)外螺紋接頭主臺肩面沒有足夠的接觸面壓,鉆井過程中接頭受到拉伸和彎曲載荷作用時,內(nèi)外螺紋接頭的主臺肩面易發(fā)生分離,從而破壞接頭的密封性;(2)導(dǎo)致內(nèi)外螺紋間配合松散,螺紋疲勞強度下降,從而引起疲勞裂紋[8]。

由2號接頭的沖刷腐蝕形貌可推測出,該接頭在發(fā)生刺漏時,鉆桿中高壓泥漿有兩條流動的循環(huán)回路,如圖13所示(實線箭頭代表由接頭副臺肩面開始的循環(huán)回路,虛線箭頭代表由接頭螺紋牙底貫穿裂紋開始的循環(huán)回路)。

圖13 2號接頭高壓泥漿流動循環(huán)回路示意圖Fig.13 Schematic diagram of high pressure mud flow circulation circuit of No.2 joint

由圖13可見,由于公、母接頭主臺肩面接觸壓力不足,副臺肩也接觸不良,在拉伸載荷作用下公母接頭副臺肩脫離接觸,泥漿從副臺肩進入螺紋通道。在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷的作用下,主臺肩面局部短暫分離,高壓泥漿瞬間從內(nèi)部刺出,副臺肩面也發(fā)生局部沖刷腐蝕。這個時期持續(xù)時間較短,形成的沖刷腐蝕較輕微,這與2號接頭副臺肩面的腐蝕沖刷形貌(見圖2b))一致。

在上扣扭矩不足和拉伸載荷的共同作用下,2號接頭內(nèi)外螺紋間配合松動,螺紋牙底應(yīng)力分布發(fā)生變化,局部應(yīng)力集中加劇,造成螺紋處疲勞強度下降,在該接頭螺紋第2,3牙牙底形成多條疲勞裂紋,這些裂紋由外向內(nèi)擴展,當(dāng)疲勞裂紋局部穿透后,在拉伸載荷作用下裂紋張開擴大,形成的通道比副臺肩面的間隙要大,此時高壓泥漿液主要從穿透的裂紋進入螺紋通道,極少從副臺肩滲透,最終從失去密封性的主臺肩面沖出。該階段高壓泥漿沖刷腐蝕持續(xù)時間長且破壞性較大,造成接頭裂紋至密封臺肩面之間的螺紋被大面積沖刷腐蝕,且沖刷腐蝕坑較深,最終形成接頭沖刷腐蝕的形貌[9-10]。

3 結(jié)論與建議

由于鉆桿接頭上扣扭矩不足,造成主臺肩面接觸壓力較小,內(nèi)外螺紋配合松散產(chǎn)生動態(tài)載荷,螺紋牙底應(yīng)力分布發(fā)生變化,局部應(yīng)力集中加劇,造成螺紋處疲勞強度下降在螺紋牙底形成疲勞裂紋源,疲勞裂紋擴展穿透后,在拉伸載荷的作用下張開擴大,導(dǎo)致內(nèi)部高壓泥漿液從副臺肩和貫穿裂紋流入螺紋通道,并由失去密封性的主臺肩面沖出并形成沖刷腐蝕,最終造成接頭出現(xiàn)刺漏失效。

建議鉆桿接頭按照API推薦的扭矩進行上扣,以避免類似的情況再次發(fā)生。