鉆具失效斷裂淺談

張建中

（西部鉆探庫爾勒管具技術(shù)服務(wù)分公司，新疆庫爾勒841000）

1 事故經(jīng)過

2020年2月13日14:00，地處沙漠腹地一風(fēng)險直探井，采用9-1/2”近鉆頭扶正器和鉆柱型扶正器通井到底，21:00循環(huán)，23:30短起井深5100.4m（套管內(nèi)），至14日7:44 靜止觀察，大鉤負(fù)荷突然由2248kN 降到768kN，其他參數(shù)暫無變化。起鉆至第68 柱發(fā)現(xiàn)從中單根時公扣處斷裂，斷裂面平整。

2 鉆井設(shè)計情況及鉆井經(jīng)過

2.1 鉆井設(shè)計基本情況

設(shè)計井深6820m，風(fēng)險探井，直井。

2.2 鉆井過程

鉆井過程見表1。

表1 鉆桿失效前的鉆井過程及井筒參數(shù)

（1）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+?239mm 螺旋扶正器+7″鉆鋌1根+?239mm 螺旋扶正器+7″鉆鋌13 根+轉(zhuǎn)換接頭411×520+5-1/2″加重14根+5-1/2″鉆桿。

（2）正常鉆進(jìn)參數(shù)（2020 年2 月4 日）：鉆壓：60～80kN，轉(zhuǎn)速：40r/min+螺桿，排量：36L/s，泵壓：15～17.5MPa，缸套：170mm，泵沖：110 沖/min，密度：1.20g/cm3。

3 斷口描述

失效鉆具在鉆柱中距離井口1951.19m處，第68柱中單根從公扣處斷裂，距公扣密封面17～24mm，斷裂面平整，有明顯的裂紋源約占壁厚的15%、裂紋擴(kuò)展區(qū)約占螺紋橫截面的60%、說明裂紋源存在有一段時間了，瞬斷區(qū)約占螺紋橫截面40%，呈45°剪切唇，鉆具的連接面瞬間撕裂，具有明顯疲勞斷裂端口特征，見圖1、圖2、圖3。

4 斷裂鉆桿基本情況

從鉆具監(jiān)管系統(tǒng)查詢到到，刺穿的5-1/2″×18°鉆桿為格蘭特公司生產(chǎn)，2017 年進(jìn)貨，曾經(jīng)在塔里木山前區(qū)塊使用過。本井2020年1月9日送井，未修公扣，1月14日入井，純鉆時間247.5h，進(jìn)尺825m，鉆桿在入井期間主要巖性為淺灰色含云灰?guī)r，此種巖性主要成分是方解石，其莫氏硬度約為3，在礦物質(zhì)的硬度1～10級硬度中偏軟，鉆井工況穩(wěn)定，無掛卡、無跳鉆、無憋鉆現(xiàn)象；只是在2020 年1 月21 日鉆進(jìn)至井深5489m 發(fā)生井漏,沒有其他復(fù)雜工況，與鉆井日志描述一致，與斷裂失效影響不大。

5 斷裂失效原因

（1）從鉆桿接頭斷裂時所處的井深看，根據(jù)當(dāng)時鉆深5970m，和鉆具結(jié)構(gòu)，鉆具在斷裂失效時下部鉆具組合為：

9-1/2″牙輪鉆頭（0.4m）+雙母接頭630×410（0.75m）+7″鉆鋌1 根（9m）+?239mm 螺旋扶正器（2.2m）+7″鉆鋌1 根（9m）+?239mm 螺旋扶正器（2.2m）+7″鉆鋌13 根（117m）+轉(zhuǎn)換接頭411×520（0.55m）+5-1/2″加重14 根（130.5m）+5-1/2″鉆桿（3747.2m）。

鉆具斷裂時下部鉆具在泥漿中的重量1566kN,又從鉆井日報中了解到，在該鉆具的有效進(jìn)尺內(nèi)，沒有遇到明顯的掛卡。拉力強(qiáng)度也沒有超過5-1/2″一級抗拉強(qiáng)度2977kN。該鉆桿在鉆進(jìn)時斷裂點(diǎn)所承受的拉伸載荷并不大，拉伸載荷不是斷裂的主要原因。

（2）根據(jù)經(jīng)驗在該區(qū)塊對一級鉆桿的純鉆時間規(guī)定不超過800h，該鉆桿純鉆247.5h，沒有超過規(guī)定純鉆時間，沒有超期使用，如果鉆桿沒有缺陷，按照鉆井工況，不會斷裂失效事故。

（3）從斷口側(cè)面觀察，見圖1，整個斷口較為平齊，無明顯塑性變形痕跡，說明斷口斷裂并非因載荷大而引起的塑性斷裂，從斷口正面觀察，可見鉆桿接頭斷口可以明顯分成兩個區(qū)域，裂紋擴(kuò)展區(qū)和剪切唇區(qū)（瞬斷區(qū)），見圖2。裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口表面平坦，局部區(qū)域可見擠壓痕跡，尤其在裂紋擴(kuò)展區(qū)的外圓弧中部可見一處表面發(fā)亮，端口擠壓痕跡明顯，該區(qū)域應(yīng)為裂紋源，見圖3，且表面疲勞臺階明顯；瞬斷區(qū)斷口表面以剪切唇為主，屬典型塑性斷裂區(qū)。根據(jù)鉆桿接頭以上斷口特征，該鉆桿接頭根部斷裂應(yīng)為典型的疲勞斷裂。

圖1 斷裂處側(cè)面

圖2 斷裂處橫截面

（4）接頭斷裂部位位于螺紋根部，從斷口表面裂紋源區(qū)域可以看到，該區(qū)域斷口顏色發(fā)亮，與附近端5口表面顏色明顯不同，且該區(qū)域擠壓痕跡明顯，見圖3。根據(jù)裂紋源處的宏觀特征，和該鉆具入井時間和鉆井工況，鉆桿接頭應(yīng)該在送井前螺紋根部的缺陷就應(yīng)該存在，一旦缺陷（裂紋源）存在，隨著進(jìn)尺加深、鉆桿接頭部位在拉力、彎曲力和鉆具公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的交變應(yīng)力迫使原始裂紋源擴(kuò)展，隨著時間的延長，擴(kuò)展區(qū)慢慢延伸，直到剩余截面不能承受載荷時發(fā)生瞬斷而在斷口表面形成瞬斷區(qū)。

圖3 斷裂處的裂紋源

6 結(jié)論

本次公接頭斷裂的屬于疲勞斷裂，而原始的裂紋源是罪魁禍?zhǔn)?，避免鉆桿攜帶缺陷送井就成了解決問題的關(guān)鍵。

從檢測現(xiàn)場了解到對鉆桿螺紋的無損檢測通常使用超聲波，超聲波的聲程是足夠的，實際檢測過程中，聲程校定為250mm，大于公扣螺紋長度，超聲檢適應(yīng)于接頭內(nèi)部的橫向缺陷，對于螺紋根部的微裂紋效果不佳，甚至檢測不出，這些微裂紋在承受較大循環(huán)應(yīng)力時，就會產(chǎn)生疲勞擴(kuò)展（在斷口表面形成擴(kuò)展區(qū)）。

根據(jù)磁粉無損探傷特點(diǎn)，鐵磁材料被磁化后，在表面或近表面的缺陷處，磁力線發(fā)生局部畸變，溢出工件表面形成磁極，產(chǎn)生漏磁場，吸附施加在工件表面上的磁粉，在合適光照條件下形成目視可見的缺陷磁痕，從而顯示缺陷的形狀、位置、尺寸、取向和嚴(yán)重程度，鉆井現(xiàn)場使用的鉆桿公扣螺紋，采用線圈法磁化，熒光磁懸液沉淀濃度（0.1～0.4mL/100mL）配合連續(xù)法加電同時施加配置好的磁懸液，尤其適應(yīng)于鉆具公螺紋表面和近表面的缺陷檢測。

7 預(yù)防措施

鉆具公扣螺紋根部為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力得不到及時釋放加之復(fù)雜工況下的拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力交變，容易形成微裂紋，送井鉆具送井前應(yīng)認(rèn)真檢測。最好采用磁粉和超聲兩種方法進(jìn)行無損探傷。