鉆井頂驅(qū)保護(hù)接頭斷裂原因分析

王 強(qiáng)

(中國石油集團(tuán)川慶鉆探長慶鉆井總公司 陜西 西安 710018)

0 引 言

頂驅(qū)保護(hù)接頭主要用于鉆柱的頂驅(qū)系統(tǒng),它是連接在頂驅(qū)下考克和鉆桿之間的接頭,它既有轉(zhuǎn)換接頭的作用,又有保護(hù)下考克的作用。頂驅(qū)保護(hù)接頭在頂驅(qū)鉆井中承受了復(fù)雜的拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變應(yīng)力,因而頂驅(qū)保護(hù)接頭在鉆井生產(chǎn)中會發(fā)生斷裂等失效事故。本文對發(fā)生了斷裂失效的頂驅(qū)保護(hù)接頭進(jìn)行試驗分析,確定了該頂驅(qū)保護(hù)接頭螺紋斷裂原因,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,預(yù)防此類失效事故再次發(fā)生[1]。

1 頂驅(qū)保護(hù)接頭斷裂失效情況

2022年5月8日某鉆井隊在井深3 746 m時進(jìn)行接單根作業(yè),坐于對開門吊卡上的頂驅(qū)保護(hù)接頭突然發(fā)生斷裂。檢查后發(fā)現(xiàn),頂驅(qū)保護(hù)接頭外螺紋大端第1扣處發(fā)生了斷裂失效。事故發(fā)生時鉆遇地層石盒子層,鉆壓為8 kN,轉(zhuǎn)速為60 r/min,扭矩為11～13 kN,泵壓為21.6 MPa,循環(huán)泵壓為18.2 MPa。

斷裂的頂驅(qū)保護(hù)接頭的螺紋規(guī)格為6 5/8REG×HLST39P,材料為4145H。該接頭于2022 年4月19日投入使用,使用時間共計178 h,上卸扣95次。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 宏觀分析

斷裂后的頂驅(qū)保護(hù)接頭長度為410 mm,斷裂位置為外螺紋大端第1扣螺紋根部,斷口距臺肩面12 mm,該斷裂的頂驅(qū)保護(hù)接頭宏觀形貌如圖1所示。對該斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭的尺寸進(jìn)行測量,結(jié)果見表1。

表1 斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭尺寸測量結(jié)果 mm

圖1 斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭宏觀形貌

斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖2 斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭斷口宏觀形貌

從圖2可見,該斷口表面主要由垂直于軸向的平整平面和與軸向的夾角約為45°斜面組成。斷裂起源于外螺紋大端第1扣螺紋根部。斷口上平面區(qū)域存在貝紋線,這些貝紋線為頂驅(qū)保護(hù)接頭在交變載荷作用下裂紋疲勞擴(kuò)展形貌。斷口上的斜面區(qū)域為最終斷裂區(qū)[2]。斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭的臺肩面上存在擠壓痕跡,由此說明該頂驅(qū)保護(hù)接頭上扣扭矩較大。在斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭斷口附近的螺紋部位取樣,其宏觀形貌見圖3所示。從圖3可見,該螺紋根部存在擠壓棱邊。將圖3中的螺紋樣品進(jìn)行鑲嵌、磨制和拋光處理,金相顯微鏡下觀察其截面形貌,結(jié)果如圖4所示。從圖4可見,螺紋被擠壓并發(fā)生了嚴(yán)重變形,螺紋面存在擠壓棱邊。螺紋根部倒角處過渡部位為尖銳形狀,過渡圓弧部位存在2條裂紋,并呈現(xiàn)疲勞開裂特征[3],其中最長的裂紋擴(kuò)展深度為374 μm。

圖3 螺紋根部宏觀形貌

圖4 端紋側(cè)截面形貌

對圖4中的過渡圓弧曲率半徑進(jìn)行測量,結(jié)果如圖5所示。從圖5可見,該頂驅(qū)保護(hù)接頭螺紋根部過渡圓弧半徑分別為120.37 μm(0.12 mm)和79.64 μm(0.08 mm)。

圖5 過渡圓弧曲率半徑測量

對圖4中的樣品進(jìn)行浸蝕,在顯微鏡下觀察其微觀形貌,結(jié)果如圖6所示。從圖6可見,螺紋的導(dǎo)向面、承載面以及螺紋牙根部均存在一層馬氏體白亮層,且該部位存在組織變形流線,螺紋根部過渡圓弧處發(fā)生了開裂[4]。

圖6 浸蝕后螺紋根部形貌

對同批次未使用的接頭螺紋根部形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖7所示。從圖7可見,該螺紋牙底過渡圓弧倒角平滑。將圖7與圖6的螺紋牙底形貌進(jìn)行對比,進(jìn)一步說明斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭的螺紋根部在上扣和使用時發(fā)生了擠壓變形。

圖7 同批次接頭螺紋根部形貌

2.2 理化性能分析

2.2.1 化學(xué)成分

在斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭的本體上取樣,用ARL-3460 直讀光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表 2。從表2可見,斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭材料的化學(xué)成分符合技術(shù)規(guī)格書的要求。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.2.2 力學(xué)性能

在斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭的斷口附近取力學(xué)性能試樣。拉伸試驗采用縱向棒狀拉伸試樣,標(biāo)距內(nèi)直徑為12.5 mm,試驗溫度為室溫,拉伸性能試驗結(jié)果見表3。從表3可見,該頂驅(qū)保護(hù)接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率均符合技術(shù)規(guī)格書的要求。

表3 拉伸性能試驗結(jié)果

沖擊試驗采用縱向夏比沖擊試樣,其尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。沿壁厚方向開V型缺口,試驗溫度為21 ℃,沖擊試驗結(jié)果見表4。從表4可見,該頂驅(qū)保護(hù)接頭的縱向沖擊功單個值滿足技術(shù)規(guī)格書的要求,但其平均值低于技術(shù)規(guī)格書的要求。

表4 沖擊性能試驗結(jié)果

在斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭的斷口附近取硬度試樣,分別對其外壁、中部和內(nèi)壁的布氏硬度進(jìn)行試驗,結(jié)果見表5。從表5可見,該頂驅(qū)保護(hù)接頭的外壁布氏硬度值低于技術(shù)規(guī)格書的要求,其中部布氏硬度值符合技術(shù)規(guī)格書的要求。

表5 布氏硬度試驗結(jié)果

2.2.3 金相組織

在斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭的斷口附近取金相試樣,在金相顯微鏡下試驗分析其材料的金相組織,結(jié)果如圖8所示。從圖8可見,斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭材料的金相組織為回火索氏體。用金相顯微鏡對其材料的非金屬夾雜物和組織晶粒度進(jìn)行試驗分析,結(jié)果見表6。從表6可見,斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭材料的非金屬夾雜評級和晶粒度符合技術(shù)規(guī)格書的要求。

表6 頂驅(qū)保護(hù)接頭非金屬夾雜物和晶粒度試驗結(jié)果

圖8 斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭材料的金相組織

2.3 斷口形貌微觀分析

在斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭的斷口的裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)取樣,用掃描電子顯微鏡試驗分析其微觀形貌,結(jié)果如圖9 所示。從圖9(a)可見,裂紋源區(qū)形貌已被磨損破壞。從圖9(b)可見,裂紋擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋,這是疲勞開裂的典型特征[5];從圖9(c)可見,瞬斷區(qū)微觀形貌為韌窩。

2.4 斷裂失效原因綜合分析

斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭材料的理化性能試驗結(jié)果表明,其材料的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、縱向沖擊功單個值及壁厚中心布氏硬度值均符合技術(shù)規(guī)格書的要求,縱向沖擊功平均值及外壁布氏硬度值不符合技術(shù)規(guī)格書的要求,其材料的金相組織為回火索氏體。

宏觀分析結(jié)果表明,該斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭臺肩面存在擠壓痕述,由此說明該接頭上扣扭矩較大,其螺紋被擠壓并發(fā)生了變形,螺紋表面存在擠壓棱邊。該頂驅(qū)保護(hù)接頭螺紋根部倒角處過渡部位為尖銳形狀。測量該過渡圓弧曲率半徑,分別為120.37 μm(即0.12 mm)及 79.64 μm(0.08 mm)。依據(jù)API Spec 7-2—2017標(biāo)準(zhǔn)的要求,與該頂驅(qū)保護(hù)接頭螺紋型號相同的鉆鋌的外螺紋根部過渡圓弧半徑應(yīng)為1.6±0.4 mm,由此可知,該頂驅(qū)保護(hù)接頭螺紋根部過渡圓弧半徑較小,從而使該螺紋根部的應(yīng)力集中顯著增加。另外,該頂驅(qū)保護(hù)接頭的螺紋導(dǎo)向面、承載面以及螺紋牙根部均存在一層馬氏體白亮層。因此,由于該頂驅(qū)保護(hù)接頭螺紋根部存在較大的應(yīng)力集中及馬氏體組織,所以在使用過程中其螺紋根部產(chǎn)生了裂紋[6]。

該頂驅(qū)保護(hù)接頭連接于對開門吊卡上并位于井口處,在鉆進(jìn)過程中,鉆柱會受到拉伸、扭轉(zhuǎn)、振動和彎曲等復(fù)雜載荷,因而頂驅(qū)保護(hù)接頭也受到拉-壓循環(huán)交變載荷,從而使其螺紋根部的裂紋在鉆井過程中逐漸疲勞擴(kuò)展[7-9],最終發(fā)生了失穩(wěn)斷裂。圖2(b)中的斷口宏觀形貌存在貝紋線及圖9(b)中的斷口微觀形貌存在疲勞輝紋也說明頂驅(qū)保護(hù)接頭斷口上的平坦區(qū)域是裂紋疲勞擴(kuò)展區(qū)。

對同批次未使用的頂驅(qū)保護(hù)接頭螺紋參數(shù)進(jìn)行了檢測,結(jié)果表明這些未使用的頂驅(qū)保護(hù)接頭的螺紋參數(shù)合格,因而說明斷裂失效的頂驅(qū)保護(hù)接頭螺紋根部存在較大的應(yīng)力集中及馬氏體組織的原因是上扣時扭矩過大。

綜上所述,斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭為疲勞斷裂,其疲勞裂紋源位于螺紋根部圓弧處,此螺紋根部圓弧部位在較大的上扣扭矩載荷作用下發(fā)生了摩擦磨損并形成了馬氏體層和脆性開裂微裂紋,這些裂紋在鉆井過程中逐漸疲勞擴(kuò)展,最終該頂驅(qū)保護(hù)接頭發(fā)生了失穩(wěn)斷裂[10]。

3 結(jié)論與建議

1)斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭材料的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、縱向沖擊功單個值及壁厚中心布氏硬度值均符合技術(shù)規(guī)格書的要求,縱向沖擊功平均值及外壁布氏硬度值不符合技術(shù)規(guī)格書的要求,其材料的金相組織為回火索氏體。

2)斷裂頂驅(qū)保護(hù)接頭為疲勞斷裂,其疲勞裂紋源位于螺紋根部圓弧處,此螺紋根部圓弧部位在較大的上扣扭矩載荷作用下發(fā)生了摩擦磨損并形成了馬氏體層和脆性開裂微裂紋,這些裂紋在鉆井過程中逐漸疲勞擴(kuò)展,最終該頂驅(qū)保護(hù)接頭發(fā)生了失穩(wěn)斷裂。

3)建議鉆井現(xiàn)場對頂驅(qū)保護(hù)接頭螺紋上扣連接時按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上扣扭矩進(jìn)行上扣作業(yè)。