川渝地區(qū)某氣井鉆鋌斷裂原因

王 哲, 萬 夫, 杜志杰, 陳瑞峰

(1.中國石油川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質量監(jiān)督檢測研究院, 廣漢 618300；2.西安摩爾石油工程實驗室, 西安 710065)

近年來，川渝地區(qū)鉆井數(shù)量隨頁巖氣的大力發(fā)展逐年增多[1-2]，而鉆鋌作為底部鉆具組合的主要組成部分,具有剛度大、壁厚大等特點，在鉆進過程中起到給鉆頭施壓、平穩(wěn)鉆頭、防止井斜的作用，但因其地質結構與工程條件復雜多變，致使鉆鋌失效事故頻發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計，川渝地區(qū)在2012～2018年間鉆鋌失效事故高達117次，平均每次事故導致時間損失達45.72 h，不僅嚴重威脅到現(xiàn)場工作人員的生命安全，而且鉆鋌失效會引發(fā)停工、鉆具打撈，甚至封井、側鉆等問題，嚴重增加鉆井成本。

某井下部鉆具組合由外徑為311.15 mm PDC的鉆頭和3個外徑分別為228.60,203.20,165.10 mm的鉆鋌組成，據(jù)調查顯示，該氣井鉆至井深3 080 m，在2 665.49～3 080.31 m井段起下鉆，循環(huán)測斜后起鉆。當靠近鉆頭卸下第一柱3根鉆鋌中外徑為228.60 mm的鉆鋌時，發(fā)現(xiàn)該鉆鋌外螺紋斷裂。該鉆鋌在該井使用近50 d(天)，鉆井累計進尺超過3 000 m，鉆鋌的正常工作壽命不低于2 a(年)，該鉆鋌在此井場使用前，在管具站進行了30 mm的接頭切除處理，重新車削螺紋，并經(jīng)3次探傷檢驗合格，為一級鉆鋌。該鉆鋌材料為415H鋼，外徑為228.60 mm，內徑為72.47 mm，主臺肩倒角直徑為217.78 mm，螺紋扣型為7-3/8REG(正規(guī)扣)。對該井段內氣體成分進行測量，發(fā)現(xiàn)含有H2S，體積分數(shù)為1.8%(含量約27 g·m-3)。為了找到該鉆鋌的斷裂原因，筆者前往現(xiàn)場調研并對斷裂鉆鋌進行了檢驗及分析，以期為預防鉆具失效提出合理的建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

對斷裂鉆鋌進行宏觀觀察，可見斷裂位置在外螺紋處，距離主臺肩17 mm(根部第2牙)，見圖1a);外螺紋斷口外側平坦，存在疲勞臺階，屬多源疲勞斷裂,見圖1b)；主臺肩面有腐蝕坑，見圖1c);螺紋底部存在細小裂紋且有黃褐色腐蝕產(chǎn)物，見圖1d)。

圖1 斷裂鉆鋌斷口不同位置的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fracture of fractured drill collar：a) overall morphology of fracture; b) fatigue step; c) corrosion morphology of main shoulder surface;d) crack morphology at the bottom of thread

1.2 掃描電鏡及能譜分析

將斷口附近螺紋底部的疲勞裂紋機械打開，經(jīng)醋酸纖維素+丙酮清理后，置于掃描電鏡(SEM)下觀察，其SEM形貌見圖2。可見裂紋源區(qū)以周期解理斷裂為主，并伴有沿晶特征，裂紋擴展區(qū)存在疲勞輝紋。

圖2 螺紋底部疲勞斷口不同位置的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fatigue fractureat the bottom of thread：a) crack source area; b) crack growth area

對臺肩根部斷口裂紋源區(qū)附近和腐蝕坑分別進行能譜(EDS)分析，結果顯示斷口不同位置均存在硫元素，其中臺肩根部腐蝕坑EDS分析結果見圖3，可見硫元素質量分數(shù)為0.27%，因此判斷硫元素造成晶界損傷，使裂紋沿晶擴展。

圖3 臺肩根部斷口腐蝕坑EDS分析結果Fig.3 EDS analysis results of fracture of corrosionpit on shoulder root

1.3 金相檢驗

根據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》的技術要求在斷裂鉆鋌螺紋底部取金相試樣，試樣經(jīng)鑲嵌、研磨和拋光后，用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，然后使用光學顯微鏡進行觀察。該鉆鋌顯微組織正常，為回火索氏體，晶粒度為6.5級，其非金屬夾雜物等級為A0，B1.0，C0.5，D0.5，見圖4；螺紋底部存在多處腐蝕坑和裂紋，裂紋徑向深度約為2 mm，見圖5。

圖4 斷裂鉆鋌螺紋底部顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology at the bottom offractured drill collar thread

圖5 斷裂鉆鋌螺紋底部形貌Fig.5 Bottom morphology of fractured drill collar thread:a) crack; b) corrosion pit

1.4 化學成分分析

在斷裂鉆鋌的斷口附近取樣，采用ARL3460型直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結果如表1所示，可見該鉆鋌的化學成分符合SY/T 5144-2013《鉆鋌》的技術要求。

表1 斷裂鉆鋌的化學成分(質量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of fractured drillcollar (mass fraction) %

1.5 力學性能試驗

在斷裂鉆鋌斷口附近沿軸向分別取直徑為12.50 mm的圓棒拉伸試樣和規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口沖擊試樣，根據(jù)ASTM A370：2017StandardTestMethodsandDefinitionsforMechanicalTestingofSteelProducts的技術要求，在21 ℃下進行拉伸和沖擊試驗，結果見表2，可知該鉆鋌的力學性能符合API Spec 7-1：2006SpecificationforRotaryDrillStemElements的技術要求。

在斷裂鉆鋌上取硬度環(huán)，采用電子布氏硬度計，根據(jù)ASTM E10：2018StandardTestMethodforBrinellHardnessofMetallicMaterials的技術要求進行布氏硬度試驗，結果見表3。可見鉆鋌材料硬度符合API Spec 7-1：2006的技術要求(≥285 HB)。

表3 斷裂鉆鋌的布氏硬度試驗結果Tab.3 Brinell hardness test results of fractured drill collar HB

2 分析與討論

失效鉆鋌的化學成分、顯微組織和力學性能均符合API Spec 7-1：2006對鉆鋌材料的技術要求。經(jīng)調研，該鉆鋌在使用前進行了切扣并重新車削新螺紋，連續(xù)使用時間累計50 d，存在疲勞累積。通過宏觀分析和SEM分析可以判斷，失效鉆鋌的斷裂性質為腐蝕疲勞斷裂。鉆鋌斷裂失效過程為：鉆井液與鉆鋌接觸腐蝕形成腐蝕坑→力學因素與腐蝕疲勞協(xié)同作用促使疲勞裂紋萌生→裂紋擴展→斷裂。斷裂的原因有以下3個方面。

(1) 密封不良。鉆鋌裂紋源區(qū)附近的螺紋側面和主臺肩面均存在腐蝕坑和裂紋，且在螺紋底部發(fā)現(xiàn)黃褐色腐蝕產(chǎn)物，螺紋臺肩根部能譜分析表明，裂紋和腐蝕坑不同部位均存在硫元素。因此判斷是由于鉆鋌在服役過程中主臺肩面和螺紋配合面密封不良，溶有H2S的鉆井液沖蝕臺肩面和外螺紋根部,形成腐蝕坑，旋轉鉆進時，復雜的力學因素(如鉆鋌自轉產(chǎn)生的交變彎曲應力、鉆鋌克服井壁摩擦阻力產(chǎn)生的扭轉作用力、承受自身和鉆桿重力的拉伸載荷等)與腐蝕協(xié)同作用促使疲勞裂紋萌生，裂紋產(chǎn)生后快速擴展最后導致鉆鋌斷裂[3-7]。

(2) 應力集中。宏觀分析表明，該鉆鋌外螺紋斷口起源于螺紋根部，并在公扣距離端面第2牙處斷裂失效，裂紋源區(qū)存在較多疲勞臺階，屬于多源疲勞斷裂。研究表明，鉆鋌螺紋連接處與鉆鋌本體相比，剛度較小，截面形狀復雜，易出現(xiàn)應力集中，是鉆鋌的薄弱位置，斷裂也主要集中在螺紋2～3牙處。在井底鉆進過程中螺紋承受復雜的交變應力，在循環(huán)載荷作用下，應力集中處首先產(chǎn)生微區(qū)塑性變形，隨著載荷的增加，微裂紋在該薄弱處萌生并快速擴展為宏觀可見的裂紋，裂紋快速擴展導致鉆鋌最終斷裂[8-12]。

(3) 疲勞累積。該氣井為一口頁巖氣井，鉆遇地層包括近920 m的沙溪廟組，其巖石主要以泥巖、細砂巖、灰?guī)r為主，非均質性強，在鉆進過程中很容易發(fā)生憋鉆、跳鉆現(xiàn)象，使鉆鋌局部過載，隨著鉆鋌使用時間增加，疲勞累積，當超過累計疲勞損傷點時即產(chǎn)生裂紋，導致鉆鋌斷裂[13]。

針對以上3種影響鉆鋌使用壽命的因素，提出了幾點改進措施。(1)按標準上扣扭矩上扣并均勻涂抹螺紋脂，提高螺紋間密封性；(2)向含有H2S井的鉆井液中加入緩蝕劑，以緩解腐蝕性氣體對鉆鋌的腐蝕；(3)使用螺紋底部圓角半徑較大、應力集中較小的數(shù)字型螺紋替換正規(guī)螺紋；(4)在螺紋上加工結構合理的應力分散槽，降低螺紋處的應力集中[14]；(5)針對復雜井，選擇合理的鉆壓、鉆速及縮短鉆鋌螺紋探傷周期。采用以上措施改進后，鉆鋌斷裂數(shù)量明顯減少。

3 結論及建議

(1) 失效鉆鋌斷裂性質為腐蝕疲勞斷裂，主要原因為鉆鋌主臺肩面密封不良，導致鉆井液沖蝕臺肩面和外螺紋根部，形成腐蝕坑，在鉆鋌旋轉鉆進時，受到循環(huán)應力與腐蝕的共同作用，疲勞裂紋萌生并快速擴展，最后導致鉆鋌斷裂。

(2) 建議按標準上扣扭矩上扣并均勻涂抹螺紋脂，提高螺紋間密封性；向含H2S的氣井中加入緩蝕劑；使用數(shù)字型螺紋替換正規(guī)螺紋并加工結構合理的應力分散槽；針對復雜井，選擇合理的鉆壓、鉆速及縮短鉆鋌螺紋探傷周期等。