開(kāi)窗側(cè)鉆加重鉆桿外螺紋斷裂原因分析

孫等軍，李培梅，張 軍，李 勇

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司 陜西 西安 710018)

0 引 言

為降低鉆井成本，恢復(fù)老井產(chǎn)能，近幾年陜北區(qū)塊部署了5 1/2"套管內(nèi)開(kāi)窗側(cè)鉆井。該井型所用的鉆具尺寸小，不僅要求能夠具有一定的抗拉性能、抗疲勞性能和足夠的抗過(guò)扭性能，還要達(dá)到降低水馬力損失的效果。因此我們根據(jù)鉆井需求設(shè)計(jì)了非API標(biāo)準(zhǔn)的88.9 mm×CQST31雙臺(tái)肩鉆具，但是在使用過(guò)程中接連發(fā)生兩起88.9 mm×CQST31加重鉆桿外螺紋斷裂落井事故。本文對(duì)該鉆具進(jìn)行系統(tǒng)的失效分析。

1 井況簡(jiǎn)介

某井為139.7 mm 套管開(kāi)窗側(cè)鉆水平井，設(shè)計(jì)井深4 445 m，設(shè)計(jì)水平段800 m。銑錐開(kāi)窗井段2 938.5～2 942 m，牙輪鉆頭試鉆井段2 942～2 950 m，開(kāi)鉆時(shí)間為2019年5月20日8:00，斜井段完鉆井深3 619 m。水平段入窗時(shí)間2019年6月2日9:00，入窗井深3 619 m，入窗井斜 87°，垂深3 394.19 m，靶前距430.8 m。裸眼井段2 950～4 389 m，井段總長(zhǎng)1 439 m，其中水平段長(zhǎng)770 m，巖性全部為砂巖。

1.1 加重鉆桿斷裂事故概況

1.1.1 加重鉆桿第一次斷裂事故

2019年6月14日22:45，鉆進(jìn)至井深4 389 m，水平段長(zhǎng)770 m，滑動(dòng)擺工具面時(shí)，發(fā)生粘吸卡鉆，泥漿性能為1.26/53/失水 2.4/pH10。

由于井斜較大(465號(hào)單根打完上提 1 m時(shí)，測(cè)出井斜 93.89°)，需要滑動(dòng)降井斜。停轉(zhuǎn)盤(pán)，上下活動(dòng)鉆具 2次(466 號(hào)鉆桿外螺紋接頭提出轉(zhuǎn)盤(pán)面，活動(dòng)距離 14 m)，上下活動(dòng)正常。將滾子方補(bǔ)心放入轉(zhuǎn)盤(pán)，測(cè)出工具面(靜止時(shí)間5 min)，正轉(zhuǎn) 90°后，上下活動(dòng)鉆具發(fā)生粘卡(上提至 90 t，下放至 20 t)，開(kāi)轉(zhuǎn)盤(pán)(最大扭矩 14 000 N·m)，均無(wú)效果。23:20 下放鉆具至懸重 20 t，鉆具發(fā)生擺動(dòng)，上提發(fā)現(xiàn)懸重減少 7 t(原懸重63 t)，泵壓下降6 MPa(原泵壓21 MPa)。試對(duì)扣，無(wú)扭矩，決定起鉆。10:20-16:30 起出鉆具103柱+1 根，發(fā)現(xiàn)在37號(hào)加重鉆桿外螺紋接頭斷裂，斷裂外螺紋留在內(nèi)螺紋接頭中。魚(yú)頭位置 2 998.21 m，落魚(yú)長(zhǎng)度 1 390.79 m，落魚(yú)結(jié)構(gòu)為 ：Φ118 mm鉆頭+7LZ95螺桿+Φ115 mm扶正器+Φ115 mm回壓閥 +Φ104 mm無(wú)磁鉆鋌(長(zhǎng)9.3 m)+Φ88.9 mm加重鉆桿(長(zhǎng)145 m)+Φ88.9 mm鉆桿(長(zhǎng)1013 m)+Φ88.9 mm加重鉆桿(長(zhǎng)202 m) =1 390.79 m。

1.1.2 加重鉆桿第二次斷裂事故

6月17日 20:00～6月18日 11:00柴油浸泡后上下活動(dòng)，懸重60～90噸，轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩憋至8 000 N·m，無(wú)效果。11:20 憋扭矩15 000 N·m時(shí)，突然無(wú)扭矩，決定起鉆。19:00起出鉆具，在加重鉆桿公扣處斷裂，魚(yú)頭位置2 854 m，魚(yú)長(zhǎng)1 535 m。

落魚(yú)結(jié)構(gòu)：Φ118 mm鉆頭+7LZ95螺桿+Φ115 mm扶正器+Φ115 mm回壓閥 +Φ104 mm無(wú)磁鉆鋌(長(zhǎng)9.4 m)+Φ88.9 mm加重鉆桿(長(zhǎng)145 m)+Φ88.9 mm鉆桿(長(zhǎng)1 013 m)+Φ88.9 mm加重鉆桿(長(zhǎng)202 m) +公錐+Φ88.9 mm鉆桿(長(zhǎng)29 m)+Φ88.9 mm加重鉆桿(長(zhǎng)116 m)=1 535 m。

1.2 失效樣品情況

兩起加重鉆桿斷口位置均位于外螺紋接頭大端數(shù)第2扣螺紋牙底部，斷裂加重鉆桿斷口位置距臺(tái)肩面 20～25 mm處，形貌如圖 1 所示。

圖1 斷裂加重鉆桿外螺紋

加重鉆桿外螺紋接頭斷口形貌如圖 2 所示。由圖可知，斷口呈錐狀，斷面與軸線所成角度約為 45°，斷口內(nèi)側(cè)磨損嚴(yán)重；斷口外側(cè)存在應(yīng)力臺(tái)階，為多源特征，該部位對(duì)應(yīng)于螺紋根部，形貌如圖 3 所示。

圖2 斷口的外觀形貌

圖3 斷口外側(cè)應(yīng)力臺(tái)階

對(duì)加重鉆桿接頭斷口附近進(jìn)行滲透探傷，發(fā)現(xiàn)斷口附近一扣螺紋底部存在裂紋，如圖4所示。

圖4 螺紋底部裂紋形貌

1.3 理化性能測(cè)試

1.3.1 化學(xué)成份

對(duì)失效樣品利用直讀光譜儀分析可知：該加重鉆桿接頭的化學(xué)成份符合 SY/T 5146—2014 的要求，見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成份分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.3.2 力學(xué)性能

對(duì)失效樣品按照標(biāo)準(zhǔn)(室溫)取樣分析可知：該加重鉆桿接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊功和硬度均符合 SY/T 5146—2014的要求，見(jiàn)表2～表4。

表2 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

1.3.3 金相組織

在該加重鉆桿接頭上取樣，金相顯微鏡下觀察其金相組織，組織正常，為回火索氏體，形貌如圖5所示。對(duì)其進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)和晶粒度評(píng)級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表5。分析結(jié)果表明：加重鉆桿接頭組織符合要求。

圖5 金相組織

表5 鋼中非金屬夾雜評(píng)級(jí)及晶粒度

2 承載能力分析

2.1 抗扭能力計(jì)算

2.1.1 接頭抗扭能力

根據(jù)雙臺(tái)肩接頭抗扭能力計(jì)算公式，見(jiàn)公式(1)～公式(8)，計(jì)算該加重鉆桿接頭的抗扭能力，具體過(guò)程如下。

(1)

(2)

(3)

A=min(Ap,Ab)

(4)

(5)

(6)

(7)

E=tpr×3/8×1/12

(8)

式中：Ty為接頭抗扭能力， ft·lb；Ym為接頭規(guī)定最小屈服強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)測(cè)值Ym=892 MPa=129 374 psi；p為螺距，根據(jù)圖紙，3.5牙/25.4 mm，p=7.257 mm=0.285 7 in；f為摩擦系數(shù)(假定為0.08)；θ為牙型半角，30°；Lpc為外螺紋長(zhǎng)度，根據(jù)圖紙，Lpc=88.9 mm=3.5 in；C為中徑，根據(jù)圖紙，C=82.55 mm=3.25 in；OD為接頭外徑，OD=104.8 mm=4.126 in；ID為接頭內(nèi)徑，ID=56 mm=2.205 in；Srs為牙底截高，由牙底半徑為1.07 mm和幾何知識(shí)推知Srs≈1.07 mm=0.042 in；H為螺紋三角形高度，由螺距、牙底截高、幾何知識(shí)可知H=6.285 mm=0.247 in；Rt為平均螺紋半徑，in；Rs為平均臺(tái)肩半徑，in；tpr為螺紋錐度，1/12 mm/mm，即1 in/ft；Qc為內(nèi)螺紋鏜孔直徑，5.312 5 in。

根據(jù)上述公式及已知數(shù)據(jù)(屈服強(qiáng)度按實(shí)測(cè)值892 MPa)，計(jì)算可得該加重鉆桿接頭的抗扭能力為26 016 N·m，大于20 000 N·m，滿足訂貨技術(shù)要求。

將Ym=897 MPa=130 000 psi帶入上述公式計(jì)算可得抗扭能力為26 142 N·m(19 282 ft·lb)，與生產(chǎn)廠家所給的接頭抗扭能力(26 845 MPa)相差2.6%。

2.1.2 管體抗扭能力

依據(jù)公式(9)和(10)計(jì)算得到該加重鉆桿管體的抗扭能力為59 824 N·m(44 124 ft·lb )。

(9)

(10)

式中：Tpe為管體抗扭能力，ft·lb；Ype為管體規(guī)定最小屈服強(qiáng)度，該加重鉆桿為整體加重鉆桿，實(shí)測(cè)值Ype=892 MPa=129 374 psi；J為管體極慣性矩，in4；Dpe為管體外徑，Dpe=88.9 mm=3.5 in；dpe為管體內(nèi)徑，dpe=56 mm=2.2 in。

2.2 抗拉能力計(jì)算

2.2.1 接頭抗拉能力

根據(jù)實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度Ym=892 MPa =129 374 psi，計(jì)算可得加重鉆桿接頭的抗拉能力，具體計(jì)算過(guò)程如式(11)、(12)：

Fp=Ym×Ap

(11)

(12)

式中：Fp為外螺紋抗拉強(qiáng)度，lb；Ap為外螺紋危險(xiǎn)截面的面積，in2。

根據(jù)上述公式及已知數(shù)據(jù)(屈服強(qiáng)度按實(shí)測(cè)值892 MPa)，計(jì)算可得該加重鉆桿接頭的抗拉能力為2 108 kN，大于2 100 kN，滿足訂貨技術(shù)要求。

將Ym=897 MPa =130 000 psi帶入上述公式計(jì)算可得抗拉能力為2 119 kN，即，生產(chǎn)廠家所給的接頭抗拉能力。

2.2.2 管體抗拉能力

該加重鉆桿為整體加重鉆桿，實(shí)測(cè)值Ype=892 MPa =129 374 psi，計(jì)算可得加重鉆桿管體的抗拉能力為2 838 kN(638 024 lb)。

2.3 彎曲強(qiáng)度比計(jì)算

該加重鉆桿接頭外徑為104.8 mm，內(nèi)徑為56 mm，接頭螺紋型式為CQST31。對(duì)該接頭的彎曲強(qiáng)度比進(jìn)行計(jì)算可得該鉆鋌螺紋的彎曲強(qiáng)度比為2.13，在DS-1TM推薦范圍內(nèi)(1.8～2.5)。

3 加重鉆桿屈曲狀態(tài)分析

由落魚(yú)結(jié)構(gòu)可知，該鉆具配置存在倒裝鉆具[1-3]，上部加重鉆桿提供鉆壓，加重鉆桿下方配置105根鉆桿，因此，鉆進(jìn)過(guò)程中加重鉆桿及下方鉆桿均承受壓縮載荷。發(fā)生卡鉆后，曾上下活動(dòng)鉆具(上提至90 t，下放至20 t)，原鉆柱懸重為63 t。根據(jù)鉆具斷落后懸重減少7 t，可知下放至56 t時(shí)，斷裂加重鉆桿處于軸向應(yīng)力零點(diǎn)；下放至20 t，斷裂加重鉆桿承受壓縮載荷為36 t。

引起斷裂部位加重鉆桿發(fā)生屈曲的臨界載荷FC，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)公式(13)。

(13)

以鉆頭外徑(118 mm)作為井眼直徑，則加重鉆桿接頭與外壁之間的間隙r=0.26 in，依據(jù)公式(13)計(jì)算可得引起加重鉆桿屈曲的臨界壓縮載荷Fc=232 673 N=232.673 kN，約為23.742 t。

由公式(13)可知，臨界壓縮載荷Fc與間隙r的平方根成反比，即，隨著間隙r的增大，臨界壓縮載荷Fc減小?？紤]到鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭存在擺動(dòng)，實(shí)際井眼直徑通常大于鉆頭直徑，也就是間隙r大于0.26 in，進(jìn)而可知實(shí)際臨界壓縮載荷小于23.742 t。

作業(yè)過(guò)程中，斷裂加重鉆桿承受壓縮載荷為36 t﹥23.742 t，超過(guò)了引起屈曲的臨界載荷。據(jù)此推知，下放鉆具過(guò)程中，該加重鉆桿已發(fā)生屈曲。

現(xiàn)場(chǎng)提供資料顯示，2019年6月14日23:20下放鉆具至懸重20 t，鉆具發(fā)生擺動(dòng)。這正是由于鉆具在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生屈曲而引起的擺動(dòng)。

4 綜合分析

根據(jù)上述試驗(yàn)分析，可以推知該加重鉆桿外螺紋接頭斷裂的失效機(jī)理為疲勞斷裂[4]。主要分析如下：

1)斷口附近螺紋底部裂紋呈月牙兒狀，裂紋擴(kuò)展前沿存在疲勞輝紋，這些均為疲勞斷裂的典型特征，據(jù)此判斷該接頭的斷裂機(jī)理為疲勞斷裂；

2)斷裂加重鉆桿位于井深2 998.21 m，在裸眼井段(2 950～4 389 m)，距套管開(kāi)窗井段(2 938.5～2 942 m)約56 m。

3)依據(jù)2 959.74～4 385.32 m井段的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算該井段各測(cè)深的狗腿度，并繪制井深-狗腿度曲線，如圖6所示。

圖6 井深-狗腿度變化曲線

由圖6可知，2 950～3 350 m井段存在6處狗腿度大于8°/30m，其中井深2 969 m位置狗腿度為10°/30m，距離外螺紋接頭斷裂部位較近；另外，井深3 640 m位置狗腿度達(dá)到13.3°/30m。

鉆進(jìn)過(guò)程中，加重鉆桿通過(guò)狗腿度較大的井段時(shí)，相對(duì)于加重鉆桿而言，鉆桿壁薄、柔性好[5]；而加重鉆桿管壁厚、剛度大、不易彎曲， 整體的的剛度和耐磨性能較好，將承受較大的交變彎曲載荷，容易產(chǎn)生疲勞損傷。

此外，加重鉆桿外螺紋接頭大端數(shù)第1～2扣螺紋應(yīng)力最高，且螺紋牙底部存在應(yīng)力集中，為接頭的薄弱環(huán)節(jié)[6]，在交變彎曲載荷作用下，該部位萌生疲勞裂紋。裂紋尖端的應(yīng)力較大，應(yīng)力集中更加嚴(yán)重，導(dǎo)致該加重鉆桿接頭的承載能力急劇下降。

側(cè)鉆裸眼井段總長(zhǎng)1 439 m，其中水平井段770 m，巖性為砂巖；滑動(dòng)降井斜，隨后測(cè)井，鉆柱靜止，后續(xù)上提下放鉆具時(shí)發(fā)現(xiàn)粘附卡鉆。由落魚(yú)結(jié)構(gòu)可知，該鉆具配置存在倒裝鉆具，加重鉆桿下方配置105根鉆桿。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，下部加重鉆桿提供鉆壓，承受壓縮載荷；在上提鉆具過(guò)程中，上部加重鉆桿承受拉伸載荷；鉆具粘附井壁后，開(kāi)轉(zhuǎn)盤(pán)增加扭矩，側(cè)鉆起始井段的加重鉆桿承受較大的扭轉(zhuǎn)載荷。

加重鉆桿外螺紋存在疲勞裂紋，其承載能力已大幅度降低；開(kāi)轉(zhuǎn)盤(pán)上提鉆具過(guò)程中，加重鉆桿承受拉伸+扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷，在復(fù)合載荷作用下，加重鉆桿產(chǎn)生疲勞損傷。

4)作業(yè)過(guò)程中，該加重鉆桿發(fā)生屈曲而擺動(dòng)。屈曲鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力幅，也就是離心力，導(dǎo)致加重鉆桿快速疲勞損傷而斷裂。

5)正常情況下，新鉆具的內(nèi)、外螺紋接頭彎曲強(qiáng)度比都是內(nèi)螺紋接頭偏強(qiáng)[7]，但是為了滿足鉆井生產(chǎn)中減少水馬力損失的需要，增大了接頭水眼，這樣進(jìn)一步削弱了外螺紋接頭的抗扭強(qiáng)度，導(dǎo)致外螺紋接頭發(fā)生斷裂的幾率增加。

根據(jù)以上分析可推知，該加重鉆桿外螺紋接頭斷裂的主要原因?yàn)椋簜?cè)鉆起始井段狗腿度較大，鉆進(jìn)過(guò)程中，加重鉆桿通過(guò)該井段，承受較大的交變彎曲載荷，外螺紋接頭產(chǎn)生疲勞損傷；下放鉆具時(shí)，加重鉆桿發(fā)生屈曲，導(dǎo)致加重鉆桿快速疲勞損傷而斷裂。

5 結(jié) 論

1)該加重鉆桿接頭斷裂的失效為疲勞斷裂。

2)該加重鉆桿接頭斷裂的主要原因?yàn)椋簜?cè)鉆起始井段狗腿度較大，鉆進(jìn)過(guò)程中，加重鉆桿通過(guò)該井段，承受較大的交變彎曲載荷，外螺紋接頭產(chǎn)生疲勞損傷；下放鉆具時(shí)，加重鉆桿發(fā)生屈曲，導(dǎo)致加重鉆桿快速疲勞損傷而斷裂。