整體加重鉆桿接頭斷裂失效分析

郭 濤，艾裕豐，馮 娜，李振英，張 娟，醋雯月

中國石油集團工程材料研究院有限公司，陜西西安 710077

某油氣勘探公司鉆井隊對某井進(jìn)行施鉆，當(dāng)鉆井至井深1 710.80 m時，儀器監(jiān)測到泵沖數(shù)首先由192 spm上升到224 spm，然后下降到159 spm；立管壓力由14.6 MPa下降到4.4 MPa，懸重亦隨之由1 140.2 kN下降到923.1 kN。8 h后起鉆完畢，檢查發(fā)現(xiàn)自上向下數(shù)第7根整體加重鉆桿的內(nèi)螺紋在距臺肩面0.08 m處發(fā)生斷裂，落魚長度143.96 m。該井的鉆井參數(shù)為：鉆壓40～120 kN、轉(zhuǎn)速40 r/min、排量70 L/s、泵壓14.6 MPa；鉆井液性能為：密度1.12 g/cm3、黏度35 s、塑性黏度6 Pa、動切力3 Pa、靜切力2/6 Pa、失水17 L、pH值為8。

1 宏觀結(jié)構(gòu)分析

1.1 失效加重鉆桿接頭形貌分析

收到的失效5-1/2 in（1 in=25.4 mm） 加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭樣品為落井部分，形貌如圖1所示。斷口位于加重鉆桿的內(nèi)螺紋接頭部位，距加重鉆桿內(nèi)螺紋端面約70 mm（母扣最小長度130.18 mm）。斷口另一側(cè)接頭形貌如圖2所示，未送樣。經(jīng)汽油浸泡清洗后的斷口宏觀形貌如圖3和圖4所示。從宏觀形貌可以看出，斷口上存在多處與螺紋齒底平齊的相互獨立的裂紋擴展區(qū)域，裂紋為從螺紋齒底開始，由內(nèi)向外擴展及周向擴展。在斷面和內(nèi)側(cè)螺紋面上可見明顯的高壓鉆井液沖蝕痕跡，說明該斷裂的加重鉆桿接頭在斷裂前已有裂紋擴展穿透整個壁厚，形成了高壓泥漿的泄漏通道。在相對清晰的裂紋擴展面上，裂紋擴展面平齊，貝紋圓弧形輪廓明顯，具有裂紋疲勞擴展的典型特征[1]。同時，觀察內(nèi)側(cè)螺紋面可以看出，內(nèi)螺紋表面存在明顯損傷。

圖1 收到的失效加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭形貌

圖2 現(xiàn)場失效加重鉆桿接頭形貌

圖3 斷口形貌1

圖4 斷口形貌2

1.2 無損檢測

對失效加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭樣品進(jìn)行磁粉探傷，在圖3中裂紋擴展面2處發(fā)現(xiàn)有延伸裂紋，如圖5、圖6所示。

圖5 斷口處螺紋齒底的延伸裂紋形貌

圖6 斷面上的延伸裂紋形貌

2 測試結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

在失效加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭樣品上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明，失效加重鉆桿接頭的化學(xué)成分符合SY/T5146—2014[2]標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

2.2 力學(xué)性能試驗

在失效加重鉆桿內(nèi)螺紋接頭樣品上取?12.5 mm縱向圓棒拉伸試樣、10 mm×10 mm×55 mm縱向夏比V型缺口沖擊試樣、表面和截面布氏硬度試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗，力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2。試驗數(shù)據(jù)表明，加重鉆桿的材料力學(xué)性能符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5146—2014的要求。

表2 力學(xué)性能試驗結(jié)果

2.3 金相分析

在圖5所示的延伸裂紋處取樣（見圖7）進(jìn)行金相分析，分析結(jié)果表明，在斷口表面存在撕裂形裂紋以及螺紋齒側(cè)面摩擦磨損導(dǎo)致的白亮層，如圖8、圖9所示。在螺紋齒底位置發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋尖端分叉，存在多條二次裂紋，如圖10、圖11所示。加重鉆桿的組織為回火索氏體+少量鐵素體，晶粒度9.5級，見表3和圖12。

圖7 分析試樣

表3 金相分析結(jié)果

圖8 試樣斷面撕裂形裂紋形貌

圖9 試樣螺紋齒側(cè)面摩擦磨損白亮層形貌

圖10 試樣螺紋齒底裂紋形貌

圖11 試樣螺紋齒底裂紋尖端形貌

圖12 試樣基體組織（回火索氏體+少量鐵素體）

在圖3所示的裂紋擴展面1處取樣，在螺紋齒底位置又發(fā)現(xiàn)一處延伸裂紋，在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)此處裂紋長度約為11 mm，如圖13所示。

圖13 螺紋齒底延伸裂紋形貌

2.4 微觀形貌及能譜分析

將圖13所示的未貫穿裂紋面打開，觀察裂紋擴展面的微觀形貌。在低倍顯微鏡下觀察裂紋面，可見明顯貝紋圓弧擴展，如圖14～圖16所示，具有疲勞裂紋的特征[3]。

圖14 裂紋擴展面形貌

圖15 裂紋擴展面局部形貌1

圖16 裂紋擴展面局部形貌2

對圖13所示的未貫穿裂紋的內(nèi)部產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果表明裂紋面所含主要元素為Fe、O、C，能譜分析結(jié)果及元素含量見圖17、圖18和表4。

圖17 EDS能譜分析區(qū)域

圖18 EDS分析圖譜

表4 EDS分析結(jié)果

3 綜合分析

失效加重鉆桿的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合SY/T5146—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。從斷口宏觀形貌來看，存在多個不同擴展程度且相互獨立擴展的裂紋擴展面，這些裂紋面分別位于不同的螺紋齒底面，且裂紋擴展面平齊，具有疲勞裂紋擴展的貝紋圓弧擴展典型特征[4]。將未貫穿裂紋面打開，在低倍顯微鏡下觀察裂紋面也可見明顯貝紋圓弧擴展，這些都是疲勞裂紋的典型特征。無損檢測過程中，發(fā)現(xiàn)多條擴展面的延伸裂紋，微觀分析結(jié)果表明，這些延伸裂紋與宏觀斷面一致，沿螺紋齒底輪廓線擴展。在裂紋面上存在明顯的高壓泥漿沖蝕溝槽痕跡，說明加重鉆桿在斷裂前，已有裂紋擴展穿透整個壁厚，從而形成了高壓泥漿從加重鉆桿內(nèi)孔到外環(huán)空的泥漿泄漏通道，造成了對裂紋擴展面的沖蝕[5]。近斷口處的螺紋齒側(cè)面白亮層的出現(xiàn)，說明鉆桿在斷裂前，由于裂紋在壁厚方向的不斷擴展和高壓泥漿的沖蝕，使螺紋連接發(fā)生松動，該螺紋面與嚙合的螺紋面之間發(fā)生了滑移，在高接觸壓力下因摩擦磨損產(chǎn)生的摩擦熱導(dǎo)致螺紋齒面發(fā)生淬火相變。

該失效加重鉆桿在使用井段的鉆頭直徑為444.5 mm，由于位于該井段的砂、泥巖相互交錯地層較多，巖質(zhì)不均勻，鉆進(jìn)中憋、跳鉆頻繁，施鉆時又快慢重復(fù)交替，因而鉆具承受的載荷值也就隨之不斷地起伏變化。螺紋連接部位是整體加重鉆桿的結(jié)構(gòu)薄弱點，載荷的變化使得螺紋連接處的應(yīng)力值發(fā)生相應(yīng)的變化和波動，從而使螺紋連接處承受復(fù)雜的交變應(yīng)力作用。

綜上所述，在交變的復(fù)雜應(yīng)力作用下，鉆桿接頭內(nèi)螺紋齒底萌生裂紋，并快速擴展，由此導(dǎo)致鉆桿斷裂失效。

4 結(jié)束語

上述實驗研究表明，失效加重鉆桿材料的各項性能均符合SY/T 5146—2014標(biāo)準(zhǔn)要求；加重鉆桿的斷裂失效模式為多源疲勞失效；在惡劣服役工況下，螺紋連接處承受施鉆時的復(fù)雜交變載荷，并在螺紋齒底產(chǎn)生應(yīng)力集中，由此導(dǎo)致鉆桿接頭內(nèi)螺紋齒底萌生疲勞裂紋，并快速擴展，這是鉆桿斷裂失效的主要原因。