某井隨鉆擴眼器接頭外螺紋斷裂原因分析

鄺獻任，邢 星，閆 湃

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077；2. 中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；3. 西安石油大學 陜西 西安 710065)

0 引 言

隨鉆擴眼技術(shù)是采用隨鉆擴眼器和常規(guī)鉆頭，在全面鉆進的同時擴大裸眼段尺寸，使其大于上部套管柱內(nèi)徑的一種鉆井技術(shù)[1-3]。隨鉆擴眼技術(shù)的發(fā)展就是隨鉆擴眼工具的不斷升級改造與研發(fā)應(yīng)用[4-7]。在保證較高擴眼率的情況下隨鉆擴眼器所承受的負荷較大，從而在擴眼作業(yè)時隨鉆擴眼器可能發(fā)生失效事故[8-11]。根據(jù)近些年對隨鉆擴眼器失效分析調(diào)研，因其質(zhì)量因素(沖擊性能低、螺紋牙根部加工以及材料不均等)導(dǎo)致的失效事故呈明顯下降趨勢，因服役工況惡劣(增大擴眼幅度、地層軟硬不均等)導(dǎo)致失效呈現(xiàn)上升趨勢。

本文對一起隨鉆擴眼器接頭螺紋斷裂事故進行了失效分析，提出了改進建議。

1 失效概況

2021年3月，西部油田某井隨鉆擴眼器在5 296 m井深處進行擴眼作業(yè)25 h至井深5 331.03 m時，泵壓突然下降，于是起鉆發(fā)現(xiàn)UR1200隨鉆擴眼器接頭外螺紋部位斷裂。該斷裂失效隨鉆擴眼器斷裂失效前使用情況見表1。隨鉆擴眼器工作原理如圖1所示[4]。

表1 斷裂失效隨鉆隨鉆擴眼器使用情況

圖1 擴眼器工作原理示意圖

2 失效樣品宏觀形貌分析

擴眼器接頭外螺紋斷裂宏觀形貌如圖2所示。圖2所示的失效樣品總長度約為250 mm，外徑為304 mm，外表面有明顯的鉗牙咬痕。斷口位于擴眼器接頭外螺紋大端第2～3扣螺紋牙根部，斷口附近未見明顯塑性變形和頸縮形貌。斷口表面可分成兩個區(qū)域，即平坦光滑區(qū)(約占斷口表面總面積的60%)和粗糙剪切唇區(qū)(占斷面約40%)，如圖3所示。從圖3可見，斷口平坦區(qū)具有金屬光澤，存在液體沖刷痕跡。剪切唇對面斷口外緣，擠壓痕跡明顯，呈月牙形，具有典型初始起裂區(qū)特征，緊臨初始起裂區(qū)。局部可見明顯疲勞臺階，剪切唇區(qū)高低不平，表面粗糙，無金屬光澤，為斷口瞬斷區(qū)。

圖2 擴眼器接頭外螺紋斷裂宏觀形貌

圖3 斷口表面宏觀形貌

由以上宏觀形貌分析表明，擴眼器接頭外螺紋斷裂屬于典型疲勞失效，裂紋起源于外螺紋倒數(shù)第2～3扣螺紋牙根部，斷口起裂區(qū)和疲勞擴展區(qū)均受到鉆井泥漿的沖刷而破壞。

3 失效樣品無損檢測

對擴眼器接頭外螺紋斷口附近的螺紋表面進行熒光磁粉探傷，熒光磁粉探傷結(jié)果如圖4所示。從圖4可見，失效擴眼器外螺紋大端第1扣螺紋牙根部存在裂紋。

圖4 擴眼器接頭外螺紋斷口附近磁粉檢測結(jié)果

4 理化性能試驗分析

分別從擴眼器本體和斷口附近取樣進行化學成分分析，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，擴眼器本體和斷口處的化學成分符合《塔里木油田鉆工具管理與使用辦法》的要求。

表2 化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) %

在擴眼器本體上取縱向棒狀拉伸試樣(Φ12.7 mm×50 mm)和縱向及橫向沖擊樣(7.5 mm×10 mm×55 mm)，拉伸和夏比沖擊試驗結(jié)果見表3和表4。從擴眼器本體和外螺紋區(qū)域取橫向硬度試樣，硬度測試結(jié)果見表5。

表3 室溫拉伸試驗結(jié)果

表4 沖擊試驗結(jié)果

表5 布氏硬度試驗結(jié)果

拉伸性能試驗結(jié)果表明，擴眼器本體材料拉伸性能符合《塔里木油田鉆工具管理與使用辦法》的要求。沖擊性能試驗結(jié)果表明，擴眼器本體材料縱向沖擊性能符合《塔里木油田鉆工具管理與使用辦法》的要求。硬度試驗結(jié)果表明，擴眼器本體和外螺紋部位材料硬度均符合《塔里木油田鉆工具管理與使用辦法》的要求。

在擴眼器本體和斷口處取橫向和縱向金相試樣，對試樣進行金相組織分析。對所取得金相試樣進行組織晶粒度及夾雜物分析，結(jié)果見表6。從圖5和表6的結(jié)果可見，金相分析結(jié)果符合《塔里木油田鉆工具管理與使用辦法》的要求。斷口附近螺紋牙根部有裂紋，如圖5所示，裂紋兩側(cè)的金相組織與本體的金相組織相同，即裂紋兩側(cè)沒有脫碳層，內(nèi)部可見明顯的灰色物質(zhì)，如圖6所示。

表6 金相分析結(jié)果

圖5 斷口附近螺紋牙根部開裂痕跡

圖6 擴眼器接頭外螺紋根部裂紋形貌

5 微觀分析

對擴眼器斷面進行微觀形貌觀察和X射線能譜分析，微觀形貌如圖7所示，擴眼器斷口表面均呈現(xiàn)明顯劃傷形貌，極少區(qū)域可見斷口疲勞形貌特征。能譜分析結(jié)果表明，斷口表面主要含有Fe、O、C及少量S、Si、K、Cr元素，如圖8所示。螺紋牙根部裂紋內(nèi)物質(zhì)主要含有Fe、O、C及少量S、Si元素，如圖9所示。

圖7 擴眼器接頭外螺紋斷面形貌

圖8 擴眼器接頭外螺紋斷口表面擴展區(qū)能譜分析結(jié)果

圖9 擴眼器接頭外螺紋牙根部裂紋內(nèi)灰色物質(zhì)能譜分析結(jié)果

6 斷裂原因綜合分析

由上述試驗分析結(jié)果可知，擴眼器化學成分、力學性能(拉伸、沖擊和硬度)以及金相組織分析中的非金屬夾雜物等級、晶粒度等級等理化性能參數(shù)均符合《塔里木油田鉆工具管理與使用辦法》的相關(guān)要求，材料組織為回火索氏體，無異常。無損檢測發(fā)現(xiàn)，失效擴眼器斷口附近存在兩處起源于外螺紋牙根部的裂紋。根據(jù)該擴眼器接頭外螺紋斷裂情況，現(xiàn)從斷口宏觀和微觀形貌特征、擴眼器現(xiàn)場服役工況及接頭彎曲強度比三個方面對擴眼器接頭外螺紋斷裂原因進行分析。

1)斷裂特征分析

擴眼器接頭外螺紋斷口平齊(起源于外螺紋末端2～3扣螺紋牙根部)且無塑性變形，斷面光滑且擠壓痕跡明顯，靠外壁側(cè)有疲勞臺階，高倍下可見疲勞條帶(如圖7所示)。在斷口附近外螺紋牙根部還發(fā)現(xiàn)兩處與主斷面相似的平直裂紋，表明擴眼器斷裂為疲勞斷裂，裂紋起源于內(nèi)螺紋末端2～3扣螺紋牙根部。圖10為該型螺紋接頭受力狀況的有限元分析結(jié)果，外螺紋接頭受力最大點正是位于內(nèi)螺紋末端1～3扣牙根部。

圖10 FH型螺紋接頭應(yīng)力分布圖

圖11 斷裂擴眼器牙型與正常V-050R牙型根部形貌比較圖

針對鉆具接頭因應(yīng)力集中導(dǎo)致易疲勞失效問題，API SPEC 7-2中指出可在接頭部位加工應(yīng)力分散槽，也可對螺紋根部進行冷滾壓加以減緩。通常，外徑≤114.3 mm的接頭，由于應(yīng)力分散槽會顯著降低其連接強度，故不建議加工應(yīng)力分散槽。該斷裂擴眼器接頭，外徑為168 mm，可加工應(yīng)力分散槽并在其表面進行冷滾壓加工以提高其疲勞壽命。同時，借鑒鉆鋌等鉆具修扣重復(fù)利用的經(jīng)驗，該擴眼器因長度受限，無法進行修扣處理，不利于鉆井過程的成本控制。

2)服役工況分析

根據(jù)現(xiàn)場事故調(diào)查，擴眼器斷裂后，落魚總長為12.935 m，懸重下降約為12 kN，即該擴眼器在井內(nèi)承受的最大軸向拉伸載荷為12 kN。經(jīng)過力學計算，此拉伸應(yīng)力低于其屈服強度。另外斷裂擴眼器位于鉆柱底部井深為5 296 m的位置，正常鉆進時，底部鉆具承受軸向壓縮載荷，故軸向載荷不是導(dǎo)致本次擴眼器發(fā)生疲勞失效的主要因素。

該井在5 296 m遇阻，開始造臺階進行擴眼作業(yè)，且從12in(1 in=25.4 mm)擴至19 in，擴眼幅度超過50%。根據(jù)對現(xiàn)有鉆井擴眼作業(yè)的調(diào)查，對于直井，通常擴眼幅度不超過20%，以確保擴眼作業(yè)的正常進行，同時也可有效保護擴眼工具。擴眼器在本井服役前，已進行過3口井擴眼作業(yè)，純鉆時間超過100 h，尤其是在玉科401H井，擴眼幅度超過50%，純鉆時間31.5 h。當擴眼幅度較大時，擴眼工具的載荷由正向受壓變成大角度側(cè)向受壓，彎曲變大，尤其是擴眼器及相鄰區(qū)域，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生大的彎曲疲勞載荷，擴眼器在外螺紋牙根部快速產(chǎn)生疲勞裂紋?，F(xiàn)場鉆具卡鉆、憋跳嚴重，加劇了疲勞載荷波動和頻次，加速疲勞裂紋擴展，直至發(fā)生疲勞斷裂。

此外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，該擴眼器于1月23日對本體及螺紋區(qū)進行了磁粉探傷檢測，按磁粉探傷檢測原理，當工件表面出現(xiàn)磁場畸變時缺陷會顯示出來。但外螺紋牙根部為形狀突變點，本身就會產(chǎn)生磁場畸變，另外螺紋根部易殘留磁懸液，均會影響缺陷顯現(xiàn)。故在磁粉探傷時需要擁有豐富經(jīng)驗的技術(shù)人員或者采用其它方法進行驗證才能準確判別缺陷，否則，易出現(xiàn)缺陷漏檢情況。

3)彎曲強度比計算

根據(jù)API RP 7G標準中的規(guī)定，對該擴眼器斷裂接頭彎曲強度比進行計算，公式如下：

上式中，BSR為彎曲強度比，其中：

在彎曲強度比計算公式中，OD為擴眼器的外徑，in；ID為擴眼器的內(nèi)徑，in；tpr為擴眼器的外螺紋錐度；Lpc為擴眼器的外螺紋長度，in；C為擴眼器外螺紋測量基準點處的螺紋中徑，in；b為擴眼器外螺紋端部處的內(nèi)螺紋根部直徑，in；H為截頂前擴眼器外螺紋的參考高度，in；frn為擴眼器外螺紋的牙頂削平高度，in；denendum為擴眼器外螺紋齒高，mm。

OD=8 in，ID=4.91 in，H=0.216 in，fm=0.025 in，

Lpc=5.0 in，tpr=2.0 in

將以上數(shù)值代入上述公式中計算出擴眼器彎曲強度比為2.19∶1，符合API RP 7G的推薦要求(3.20∶1～1.90∶1之間)。

綜上所述，該失效擴眼器接頭外螺紋斷裂屬于典型的疲勞失效，疲勞裂紋起源于外螺紋末端2～3扣螺紋牙根部。經(jīng)使用后的擴眼器接頭外螺紋牙根圓弧底不光滑，加劇了該區(qū)域的應(yīng)力集中，當擴眼幅度較大時，疲勞裂紋會加速產(chǎn)生并快速擴展。

7 結(jié)論及建議

1)擴眼器的化學成分、力學性能(拉伸、沖擊及硬度)和金相分析中的非金屬夾雜物和晶粒度等級等理化性能參數(shù)均符合《塔里木油田鉆工具管理與使用辦法》的要求；擴眼器金相組織為正常的回火索氏體。

2)擴眼器接頭外螺紋斷裂屬于疲勞失效，疲勞裂紋起源于外螺紋末端2～3扣螺紋牙根部。

3)擴眼器接頭外螺紋牙根部圓弧底不光滑，加劇了該區(qū)域應(yīng)力集中，在較大擴眼幅度時，疲勞裂紋快速萌生，并迅速擴展直至斷裂。

4)建議在擴眼器接頭外螺紋處加工應(yīng)力分散槽或在外螺紋牙根部進行冷滾壓以提高其疲勞壽命；另外，增加擴眼器接頭長度，以便后續(xù)進行修扣再利用。