方鉆桿保護接頭縱向開裂分析

黃永章,潘志勇,李文芳,孟金玲,上官豐收

(1.西安石油大學,西安710065;2.中國石油天然氣集團公司管材研究所,西安710065;3.長慶油田公司機械制造總廠,西安710201)

方鉆桿保護接頭縱向開裂分析

黃永章1,2,潘志勇2,李文芳1,孟金玲3,上官豐收2

(1.西安石油大學,西安710065;2.中國石油天然氣集團公司管材研究所,西安710065;3.長慶油田公司機械制造總廠,西安710201)

對某油田鉆井隊一只開裂的方鉆桿保護接頭進行宏觀分析、無損探傷、斷口微觀檢測和材質理化檢驗(包括化學成分、金相組織和力學性能),結果表明,該接頭的化學成分和材料性能符合SY/T5200—2002標準要求,開裂是由于接頭外表面受到強烈的熱摩擦引起熱裂紋并疲勞擴展造成的。

方鉆桿保護接頭;熱摩擦;熱裂紋;疲勞擴展

Abstract:The failure analysis was carried through for a Kelly-saver sub.The fracture was checked through macro analysis,microstructure analysis and non-destructive testing.Moreover,the material’s physical and chemical properties(including chemical ingredientµstructure&mechanical properties)were tested.The test results showed that the chemical composition and property of materials conformed to the standard requirement of SY/T5200-2002.According to field operation circumstances,it can be deduced that the sub was broken mainly because of cracks and fatigue propagation caused by serious thermal friction.

Key words:kelly-saver sub;thermal friction;thermal cracks;fatigue propagation

縱向開裂通常是由于材料的橫向沖擊功偏小造成的[1]。文獻[2]表明,摩擦生熱會引起“熱裂紋”(摩擦受熱的鉆桿在井下表面變硬)并造成嚴重后果,對于頂部驅動鉆井作業有重要影響。本文以某油田鉆井隊失效的方鉆桿保護接頭為例,結合微觀和宏觀分析,得出的結論是該接頭因熱摩擦現象而發生破壞。

1 現場概況

某油田鉆井隊在鉆至井深6 086.12 m時,立壓由18.2 MPa下降至17.2 MPa,上提鉆具發現方鉆桿保護接頭刺壞,接頭累計使用380.15 h。現場調查發現,該井井架偏離井口中心,此前已校正井架中心2次,且已到極限尺寸,但仍存在偏心現象。由于磨損,井隊已更換2次井口防磨套。

2 檢測分析

2.1 宏觀分析

損壞的方鉆桿保護接頭宏觀形貌如圖1。由圖1可見,接頭螺紋端有貫穿壁厚的縱向裂紋,裂紋無刺漏痕跡;接頭密封面裂紋處有擠壓形成的凹坑和凸起損傷,外表面光滑明亮,明顯受到了強烈的摩擦。

圖1 接頭宏觀形貌

2.2 無損探傷

用熒光磁粉對該接頭進行無損檢測,檢測結果如圖2。由圖2發現接頭螺紋一側沿圓周外表面分布著許多縱向微裂紋,其中在3條主裂紋附近的微裂紋比較密集。

圖2 接頭沿圓周外表面分布的裂紋形貌

2.3 斷口微觀分析

將裂紋處打開,用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌,如圖3。由于腐蝕和損傷,看不到斷口真實形貌,但在接頭外表面靠近密封端部位可見放射狀撕裂脊收斂于此,表明該接頭的裂紋主要是以疲勞的方式擴展的。

圖3 斷口靠近接頭外表面顯微形貌

2.4 材質分析

2.4.1 化學成分

在接頭縱向裂紋附近取樣,用直讀光譜儀和紅外碳硫分析儀檢測其化學成分,結果如表1,化學成分符合SY/T5200—2002標準[3]要求。

2.4.2 力學性能

沿接頭縱向取標距直徑為?12.5 mm,長度為65 mm的圓棒拉伸試樣,在室溫條件下進行拉伸試驗;取縱向、橫向尺寸均為10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣,在室溫條件下進行CVN沖擊試驗。結果如表2,力學性能符合SY/T5200—2002標準要求。

表1 接頭化學成分wB%

表2 接頭力學性能

2.4.3 金相分析

在接頭螺紋端裂紋附近取樣,對橫向進行金相觀察和分析。結果顯示,基體顯微組織為 S回與少量B上組織,如圖4。夾雜物為 A1.0、B0.5、B1.0e、DTiN0.5;晶粒度為7級。

圖4 基體組織

金相分析發現,靠近接頭外表面處有裂紋,裂紋兩側組織相同;外壁表面有磨損“白亮層”組織,厚度約0.04 mm,即裂紋附近的組織發生變化,如圖5。

圖5 外表面磨損“白亮層”和裂紋

3 縱向開裂原因分析

a) 該井井架偏離井口中心,雖經2次校正仍存在偏心現象,而且方鉆桿保護接頭的外徑比相鄰鉆具外徑大,所以井口防磨套對方鉆桿保護接頭的摩阻很大。在鉆井過程中,旋轉的方鉆桿保護接頭承受高的側向接觸力,因此受到強烈的摩擦作用。

b) 當方鉆桿保護接頭與井口防磨套進行周期性接觸摩擦時,摩擦能轉變為熱能,接頭外表面材料經受周期性的加熱和冷卻,材料微觀組織和結構發生了變化[4]。在周期性的摩擦力、熱脹冷縮應力和環向應力作用下,已經弱化的表面材料萌生了微裂紋。內螺紋方鉆桿保護接頭承受很大的扭矩,存在較大的環向應力,表面微裂紋在環向應力作用下不斷擴展直至穿透壁厚,裂紋一般以應力腐蝕或疲勞方式擴展[5-6]。

c) 劇熱產生裂紋的過程使工具接頭及其他部件在井下旋轉過程中因摩擦產生表面硬斑,硬斑在加熱和冷卻循環(泥漿循環)過程中易產生微裂紋。SPE文獻說明了側向載荷是引起摩擦生熱的主要原因。計算表明,側向載荷較大容易引起顯著地熱變化,而冷卻(循環泥漿)后會引起管子硬化,材料的韌性受到破環[2]。

d) 方鉆桿保護接頭密封面的凹坑和凸起損傷是在上扣過程中混入雜物后擠壓形成的,在上扣結束后,靠近雜物中心的接頭縱截面受到很大的拉應力,當外表面的摩擦熱裂紋擴展到此處時,由于應力疊加,裂紋就會加速擴展直至穿透整個壁厚。

4 結論

1) 該接頭化學成分和力學性能符合 SY/T5200—2002標準要求。

2) 該接頭裂紋是摩擦熱裂紋。

3) 井口防磨套對方鉆桿保護接頭產生的側向接觸力是引起強烈摩擦的主要原因。

4) 熱摩擦對井下工具的影響應受到關注,應盡量減小由此造成的損失。

[1] 李鶴林,李平全.石油鉆柱失效分析及預防[M].北京:石油工業出版社,1999.

[2] Vernon R J,Wade E H R.劇熱產生的裂紋:摩擦熱造成擴邊井鉆桿的破壞[J].杜 愨,譯.吐哈油氣,2006(4):397-340.

[3] SY/T5200—2002,鉆柱轉換接頭[S].

[4] 石德珂.材料科學基礎[M].北京:機械工業出版社,1999.

[5] 吳 敏,丁小軍,孫小華,等.SH150型雙臂吊環裂紋成因分析[J].石油礦場機械,2009,38(3):65-67.

[6] 謝 娟,王德玉,李才良,等.方鉆桿旋塞閥的失效與受力分析[J].石油礦場機械,2007,36(12):49-51.

Analysis on Longitudinal Crack of a Kelly-saver Sub

HUANG Yong-zhang1,2,PAN Zhi-yong2,LI Wen-fang1,MENG Jin-ling3,SHANG GUAN Feng-shou2
(1.Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,China;2.CN PC Tubular Goods Research Center,Xi’an710065,China;3.Machine Manuf acture Plant,Changqing Oilfield Company,Xi’an710201,China)

TE921.2

A

1001-3482(2010)01-0078-03

2009-07-22

黃永章(1985-),男,江西撫州人,碩士研究生,研究方向為油氣井管柱力學,E-mail:huangyongzhang@163.com。