隨鉆測量定向接頭失效形式及原因分析

孫 征

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西西安，710065；2.山西北方風雷工業集團有限公司，山西侯馬，043013）

隨鉆測量定向接頭失效形式及原因分析

孫 征1，2

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西西安，710065；2.山西北方風雷工業集團有限公司，山西侯馬，043013）

隨鉆測量技術廣泛應用于鉆井、測井、地質分析等工程中，無磁隨鉆測量定向接頭是井下隨鉆測量儀器的重要部件，通過研究無磁隨鉆測量定向接頭的失效形式并加以分析，使我們從中得到了無磁隨鉆測量定向接頭的腐蝕失效原因，并知道腐蝕失效的存在會增加接頭斷裂的風險率。為此我們會在日常維護中利用外觀檢測和超聲波檢測儀對設備加以檢測，以排除隱患來降低事故的發生率。

無磁接頭；隨鉆測量；腐蝕失效

1 隨鉆測量接頭簡介

隨著鉆井深度的不斷增加和定向井、水平井的廣泛應用，國內各大鉆探公司都在鉆井過程中配備了隨鉆測量儀器,提高作業精度，節約時間成本。無磁隨鉆測量定向接頭作為系統的重要組成部分，其可靠性關系到整串井下儀器運行的成敗，如果發生斷裂事故，將對施工造成極大影響和損失。

在鉆井過程中，無磁隨鉆測量定向接頭承受著拉壓、彎曲、沖擊、扭轉以及振動等復合載荷。同時，鉆井液體的持續沖刷及內孔安裝的循環套特殊結構使得鉆井液腐蝕情況更加明顯。無磁定向接頭的材料，既要求有高強度和良好的延伸率等力學性能，同時還要具備耐腐蝕性和無磁性。

2 無磁隨鉆測量定向接頭失效案例分析

通過對陜甘寧各油氣區塊所使用的無磁材質隨鉆測量定向接頭共94個樣本進行追蹤，統計其失效實例。在這些樣本中，螺紋失效樣本2個，占問題樣本的10.5%,磨損導致無法繼續使用的共13個，占問題樣本的68.5%，腐蝕失效出現裂紋的樣本共4個,占問題樣本的21% 。失效原因分析：

（1）螺紋失效分析。從樣本數量來看，發生螺紋失效的數量占比最低，現場實際檢測情況表明該失效均發生在螺紋根部，且都是磨損造成螺紋變形。相比于4145H材質接頭螺紋失效比例來說，無磁材質隨鉆測量定向接頭螺紋失效發生比例較低，對比接頭標準SY/T 5200-2012標準中要求的械性能可以看出無磁材質的沖擊功和延伸率值高出很多，因此很少發生螺紋斷裂事故。

（2） 磨損失效分析。磨損失效的接頭樣本占比68.5%，占比比例最大。該部分接頭樣本均為長時間使用后外表面出現嚴重偏磨或磨損后外徑過小而報廢的。這種磨損是由于采用奧氏體無磁鋼原材料造成的，這種奧氏體無磁鋼原材料的韌性和塑性非常高但其強度和硬度并不突出，而且不能通過熱處理來提高硬度和強度。在井下復雜環境的工作過程中，疲勞破壞使得無磁材質接頭磨損更加明顯。通常在完井提鉆后檢查外徑尺寸判斷其可否繼續使用，此類磨損并不會直接導致接頭斷裂事故。

（3） 腐蝕失效分析。腐蝕失效的接頭樣本占比21%，其占比比例并不大，但是腐蝕會造成無磁隨鉆測量定向接頭本體出現裂紋，裂紋貫穿后造成刺穿，刺穿后繼續擴大最終會導致斷裂事故。因此這種失效類型是最危險的，需特別注意。

3 常見無磁隨鉆測量定向接頭腐蝕失效實例

3.1 刺穿處外觀

此批無磁隨鉆測量定向接頭批樣本中最為典型的腐蝕失效實例是腐蝕造成裂紋并刺穿，該樣本接頭外徑165mm，長度595mm，材質為W1813N。外表面裂紋長85mm，刺孔位于接頭中部，距母扣端面193mm處。將該樣本接頭切開后發現內壁處刺孔略大于外表面，內壁裂紋長93mm。

3.2 理化檢驗及金相分析

依據SY/T 5200-2012標準，取樣進行拉伸、沖擊和硬度試驗?？v向棒狀拉伸試樣標距內直徑為φ12.5mm，標距內長度為65mm，試驗結果見表1。2#、3#屈服強度均不符合SY/T 5200-2012標準要求。在樣本接頭裂紋處橫向切取式樣進行金相分析，在金相顯微鏡下觀察裂紋擴展情況，裂紋起于內壁向外壁擴展，并最終刺穿。

表1 刺穿部位取樣械性能檢測結果

3.3 綜合分析

根據試驗結果，該無磁隨鉆測量定向接頭裂紋內壁長于外壁，裂紋起始于內壁向外壁呈沿晶擴展，屬于應力腐蝕裂紋。根據腐蝕裂紋情況推斷該無磁隨鉆測量定向接頭徑向裂紋是由于鉆井液含鹽量濃度高腐蝕所致。同時，該腐蝕裂紋使得周圍機械性能急劇降低，該區域存在很高斷裂風險。

4 結論及建議

（1）無磁隨鉆測量定向接頭在使用過程中常見的失效形式為磨損失效、螺紋失效和腐蝕失效。

（2）鉆井液含鹽量濃度高易導致無磁材質隨鉆測量定向接頭發生腐蝕失效。

（3）磨損失效和螺紋失效在常規維護過程中相對易于排除隱患。腐蝕失效危險性高，需要在鉆具維護過程中仔細檢查外觀并使用超聲波探傷儀檢測內部有無缺陷，盡早消除安全隱患。

[1]孟慶瑜.無磁鉆具磨損機理及防護措施研究[D].中國石油大學.2011.

[2]朱榮東,陳平,夏宏泉,石曉兵.鉆鋌螺紋的有限元分析及應力分散槽優化設計[J].西南石油大學學報(自然科學版).2008(02).

[3]王永江.鉆具失效的無損檢測[J].無損檢測.2010(10).

MWD orientation joint failure mode and causal analysis

Sun Zheng1，2
（1. Xi’an shiyou University,Xi’an Shaanxi,710065；2.Shanxi North Fenglei Industry Group Co.，Ltd.,Houma Shanxi,043013）

Measurement while drilling technique is widely used in drilling、Well Logging and geological analysis engineering,nonmagnetic MWD orientation joint is an important part of the MWD system,We study the failure mode of MWD orientation joint and get the causes of corrosion failure，corrosion failure increases the risk of breakage。We will strengthen the test in our daily work to reduce accident rate。

Nonmagnetic MWD joint;MWD;Corrosion failure