中蓬某井5 1/2″鉆桿斷裂失效調查

田 波

（西部鉆探庫爾勒管具技術服務分公司，新疆庫爾勒 841000）

塔里木油田鉆井地質條件復雜苛刻，井下鉆具受力情況復雜，易發生鉆具失效，且失效后處理周期長、難度大，風險高；損失也較國內其他油田大得多，通過失效分析，歸結成因給鉆具廠商提供支撐，進一步優化鉆具綜合機械性能，推動鉆具質量提升，找出使用操作方面的不足，有效減少或避免失效斷裂，保障油田勘探開發安全生產。本文通過對某鉆井隊承鉆的中蓬某井發生的鉆桿斷裂問題進行分析調查，通過分析失效鉆桿基本情況，提出了相應的防范措施。

由勘探公司某鉆井隊承鉆的中蓬某井，短起井深5 104m靜止觀察時，大鉤負荷突然由2 248↓768kN，起鉆檢查發現5 1/2”鉆桿外螺紋斷，下部鉆具落井。中蓬某井為總包井，所用鉆具由西部鉆探庫爾勒管具技術服務分公司提供保障服務，鉆具發井前按照塔里木油田相關技術要求對鉆桿實施第三方檢測，本文分析了失效原因，并制定了相應措施。

1 鉆井設計情況

地質構造：塔里木盆地塔中隆起塔中北斜坡塔中構造帶，位于新疆維吾爾自治區和田地區民豐縣境內，東距中古某井1.2km，西距塔中某井5.7km；設計井深：6 840m；井別：風險探井；井型：直井；承鉆井隊：勘探公司某隊。

2 事故經過

2.1 發生經過

2月4日3：30鉆至設計中完井深5 980m，打完，短起下、測后效、調整泥漿于2月5日15：30中完，后續進行了通井、第一次電測、通井、第二次電測，刮壁稱重、通井等低扭和低泵壓中完施工作業。

2月13日14：00下鉆到底，21：00循環（排量36L/s、泵壓12MPa），23：30短起井深5 104m 處靜止。

至14日07：44（靜止觀察時，共靜止8h），大鉤負荷突然由2 248↓768KN，12：20起鉆至第67柱+2單根，從中單根外螺紋根部第二至三扣處斷裂，下部鉆具落井。

2.2 失效時鉆具組合

9 1/2”牙輪鉆頭+雙母接頭630*410+7”鉆鋌1 根+Ф239mm 螺旋扶正器+7”鉆鋌1根+Ф239mm 螺旋扶正器+7”鉆鋌13根+轉換接頭411*520+5 1/2”加重14根+5 1/2”鉆桿。

2.3 落魚組合

9 1/2”牙輪鉆頭*0.25m+雙母接頭630×410*0.75m+7”鉆鋌1根*9.34m+Ф239mm 螺旋扶正器*1.49m+7”鉆鋌1根*8.63m+Ф239mm 螺旋扶正器*1.43m+7”鉆鋌13根*116.66m+轉換接頭411×520*0.49m+5 1/2”加重14 根*130.71m+5 1/2”鉆桿*3 749.06m，落魚長：4 018.81m，理論魚頂位置：1 951.19m。

2.4 完鉆前鉆井參數

鉆壓60～80kN，轉速40+螺桿，泵壓15～17MPa，排量36L/min，泥漿密度1.20g/cm3無異常情況。

2.5 失效調查

2月14日，西部鉆探庫爾勒管具技術服務分公司得知中蓬*井鉆具失效信息后，立即展開調查，從報表及電話溝通得知該井前期無可能引起斷裂失效的任何異常復雜情況。

了解信息如下：失效鉆桿1月11日入井使用，2月11日電測完下刮壁管柱時進行鉆具倒換，失效鉆桿由原據井口4 724m處倒換至距井口1 951m 處（失效后理論魚頂），且工程師反映失效鉆桿從未作為頂驅方替使用過。自入井至失效期間，無跳鉆、憋鉆等異常現象，主要巖性為淺灰色灰巖、云質灰巖、泥質灰巖，鉆井工況相對比較穩定，完鉆井深5 970m，層位奧陶系鷹山組鷹3段中部，三開鉆進施工中有油氣顯示，無其他復雜工況，與鉆井日志描述基本一致。

工程設計中提示：鄰井中古45（井距1.8km）、中古43等多口井在鷹二段氣測顯示活躍，并發生溢流、漏失等工程異常。塔中地區奧陶系-寒武系氣藏中普遍含有H2S，鄰區中古43井、中古45井在上奧陶統鷹二段及中深1井、中古58井寒武統均采取到H2S，要求控制好密度，盡量保持近平衡鉆井，控壓前加入不少于2%的除硫劑，加強H2S 檢測與防護，注意預防中毒！

本井鉆至鷹二段氣測活躍，且在井深5 489m 發生井漏；本井鉆進中實時監測鉆井液中除硫劑含量，及時補充保證了鉆井液中有足夠除硫劑，鉆井日志未顯示地面監測到過H2S。根據氣體的特性，不排除少量氣體通過巖屑氣，置換氣和擴散氣方式進入井筒。

3 失效鉆桿斷口描述

斷口距外螺紋根部17～24mm，觀察螺紋密封面完好，斷裂面平整斷面約2/5平滑，螺紋牙底存在局部棘輪花樣和月牙狀疲勞平臺，該處為裂紋起裂源，在旋轉彎曲應力作用下快速擴展發育。斷面約3/5的脆性斷裂花樣可能是最后剩余截面在應力腐蝕反應下，屈服強度顯著下降，遠小于拉應力下的脆斷（拉應力指下部鉆具重量）。

4 失效鉆桿基本情況

外螺紋斷裂5 1/2″鉆桿，西鉆庫爾勒管具公司組織；鋼號：GPAS172409DH，格蘭特生產，2017 年進貨。歷史上曾在TH12450、TH10383、KeS13-3 等井使用；KeS13-3 純鉆時間約1 000h、進尺約4 000m，回收后根據檢修標準未進行修扣，送井時一級，磁粉探傷檢測合格，1月9日發井前按要求安排第三方隨機取樣30%磁粉探傷檢測均合格。1月14日入井，2月13日提鉆至套管內靜止（組織停工等電測），2月14日靜止期間突然斷裂（靜止期間未開泵、上提下放或旋轉），本井累計純鉆247.5h，進尺825m。

5 失效原因分析

初步分析失效原因為主要為疲勞積累擴展+應力腐蝕延滯斷裂。

1）從失效斷口看，平坦區占斷面的2/5，螺紋牙底局部存在棘輪狀疲勞花樣、海灘狀腐蝕進展花樣，是典型的應力集中導致起裂源，在彎扭應力的交互作用下呈一定的快速擴展形態。失效的主因是鉆具疲勞，疲勞條帶明顯，說明承受應力高，裂紋擴展比較快，分析可能是前期在山前井使用后存在疲勞積累，導致疲勞起裂。

2）該規格鉆桿接頭內徑由88.9mm 增大至101.6mm，符合標準要求；同時為了增加抗拉強度，壁厚由9.17mm 增加到10.54mm，導致管體剛性增加，外螺紋水眼增大，導致抗彎截面模量減小，在鉆柱旋轉過程中外螺紋危險截面承受彎曲應力增加，加快了外螺紋的開裂和裂紋擴展，該情況在5 7/8″V150鉆桿外螺紋失效中也有體現。

3）從失效前的工況情況結合斷口特征上分析，可能存在一定拉應力下疲勞裂紋尖端區應力腐蝕而導致的延滯斷裂。應力腐蝕必然伴隨有氫的析出（鉆桿本體的工廠缺陷，也不排除是少量地層氣體），在應力腐蝕和氫蝕交互作用下裂紋將以越來越快的速度向縱深擴展，最終從疲勞裂紋發展到延滯斷裂，靜止無外力作用下脆斷（僅自身下部重力），具體分析如下：

造成金屬疲勞斷裂的周期應力遠比靜載荷下材料的抗拉強度低，金屬對循環和周期性的載荷較為敏感，單一方向的靜載不產生疲勞積累，超過屈服強度通常表現為韌性斷裂，失效鉆具在僅自身下部重力且無任何外力的情況下脆斷，脆斷斷口約占斷面的3/5，故失效鉆具應該不單純的是疲勞斷裂。

完鉆后經歷2次通井和電測，刮壁結束后又再次通井下鉆時（歷時約10d），將該鉆桿從距井口4 724m 倒換至1 951m，處理好井筒后起鉆靜止，鉆桿失效部位所處位置由距井口1 951m 起鉆至1 081m；（井深4 724m，井溫95～100℃，1 951m井溫50～60℃，1 081m 井溫約30℃），氫的應力腐蝕特點是在25℃左右金屬被破壞的速度最快，當溫度超過93℃時不會發生氫的應力腐蝕，從失效鉆桿所處井深的變化而導致的溫度變化來看，氫反應活性由極低水平突增到非常活躍的水平，失效鉆具鋼級S135，屬高強度鋼，在KI/KIC 比值較小時，氫有充分的機會起作用，在一定溫度范圍（30℃），恒載（下部鉆具重量1 480kN）經歷孕育、亞穩擴展、失穩擴展、最終導致剩余截面材料的屈服強度突降，不足承載下部鉆具重力而發生突然的脆性斷裂，故僅在恒定拉應力（無彎扭交變載荷應力）作用下瞬斷，且瞬斷區呈脆性花樣，與氫致延滯斷裂跡象吻合；

另一方面解釋了為什么鉆具在前期鉆進有較大扭矩（泵壓未見異常）和提鉆有掛卡現象時均未失效斷裂，反而在完鉆后中完作業的10d，經歷相對非常良好的工況（起下鉆、循環泵壓均未見異常），完全靜止8h 后，在無任何操作和其他變化的情況下突然發生脆性斷裂的現象。

6 預防措施

1）立即對該井鉆具全套更換，并進一步加強外協鉆具質量監管，加強對技術管理人員和承包商員工的培訓和評估，嚴格落實質量管控措施，確保送井質量可靠。

2）監督落實外協單位控制該類鉆桿的使用，并在今后的檢維修過程中強化該類鉆桿外螺紋的強制修扣管理，特別是在山前井使用過的，及時消除疲勞積累。

3）進一步梳理檢維修作業文件，細化完善工作流程和作業要求，明確作業步驟。

4）提示使用方按照推薦扭矩上扣，鉆井期間做好鉆具倒換和錯扣應力釋放，不定期的監督檢查使用方現場鉆具的管理和使用，及時溝通反饋。

5）在今后的鉆桿訂貨中優化外螺紋水眼和管體的匹配，避免追求某方面的性能產生其他方面的負面影響。