1现场工况

 

　　我国某钻井公司钻井至5460m时，泵压明显下降，操作人员提钻，发现一立柱下单根的S135钻杆内螺纹接头距台肩面160mm处有一纵向刺孔，立柱中单根公扣小端与母扣啮合处亦被刺坏。当对失效现场进行调研，并对接头失效原因进行分析。使用PDC钻头进行钻进，钻井参数分别为：钻压：50~60kN；转速：80~90rpm；排量：30~35L/s；泵压：17MPa；扭矩：60~80kN•m，最高扭矩为90kN•m。钻井过程中的钻井液体系分别为：一开(0~300m)选用CMC-HV膨润土，二开(300~3200m)选用优质低固相聚合物钻井液体系，三开(3200~5473m)选用聚磺钻井液体系。

 

　　2理化检验

 

　　2.1断口宏观形貌

 

　　钻杆接头纵向刺孔贯穿整个接头，且外螺纹接头小端与内螺纹接头啮合处亦被刺坏，刺孔近端距内螺纹接头端面约80mm，远端距内螺纹端面约160mm，刺孔最大横向孔径为10mm，与之配套的外螺纹接头螺纹部分有刺痕。经磁粉检测，发现内螺纹接头外表面还有一条明显可见的纵向裂纹，长度约为30mm。

 

　　2.2化学成分检测

 

　　

 

　　表1接头化学成分分析(wt%)

 

　　在失效钻杆接头上取试样，检测其化学成分，分析结果见表1所示。由表可以看出，该接头的化学成分符合APISpec5DP[1]和SY/T5561-2008[2]标准规定。

 

　　2.3力学性能试验

 

　　在内螺纹接头上取直径为12.5mm，标距为50mm的圆棒拉伸试样，10×10×55mm的CVN纵向和横向冲击试样以及硬度试块，对接头力学性能进行检验，试验结果表明，接头材料的力学性能指标符合APISpec5DP和SY/T5561-2008标准要求。见表2。另外，钻杆接头横向冲击功值明显低于纵向冲击功值，这说明内螺纹接头材料的纵向冲击韧性明显优于横向冲击韧性。

 

　　表2接头力学性能

 

　　2.4金相组织分析

 

　　从裂纹尖端取金相试样，经分析裂纹起源于内表面，在垂直于拉应力方向上连续扩展，裂纹两侧组织与其它部位相同，均为回火索氏体。裂纹扩展路径以沿晶为主，有较多树枝状分叉，具有应力腐蚀开裂特征。

 

　　沿平行于接头轴线方向取样进行金相分析，发现内螺纹承载面侧齿侧有二次淬火马氏体白亮层组织，白亮层下面为深色的回火层，内部为回火索氏体组织，白亮层的产生主要由于在使用过程中内外螺纹接触面之间的相对运动产生大量的摩擦热，使得接触面的温度瞬间剧烈升高，达到相变温度以上，高温状态的螺纹接触面遇到高压钻井液，发生淬火，从而形成二次淬火马氏体白亮层组织。

 

　　2.5断口形貌和能谱分析

 

　　从裂纹扩展区取扫描电镜试样，试样表面有明显的放射状形貌，断口表面有灰黑色的腐蚀产物。断口呈沿晶开裂形貌，有较多的二次裂纹，且二次裂纹为沿晶扩展，断口表面的能谱分析结果显示，断口表面的主要元素为Fe、O、S，这说明裂纹面的腐蚀主要与O2和H2S有关。据钻井公司反应，在钻井过程中发现地层中含有较多的H2S气体，这与试验分析结果相符。

 

　　3分析与讨论

 

　　刺孔的宏观形貌和裂纹面形貌分析表明，裂纹最早从内螺纹最后连接的两扣根部产生，由内向外放射状扩展，纵向穿透壁厚，高压泥浆沿裂纹扩展途径形成刺孔，对内螺纹接头产生强烈的冲刷腐蚀作用。金相分析表明，裂纹扩展路径以沿晶为主，裂纹分叉较多，裂纹表面有许多腐蚀坑和二次裂纹，根据以上结果可以判定，内螺纹接头的纵向刺穿属于应力腐蚀所致。

 

　　应力腐蚀开裂是金属在拉应力(外加应力或残余应力)和腐蚀介质的共同作用下，引起的一种破坏形式[3]。一般认为，当拉应力、金属应力腐蚀敏感性，腐蚀性介质三个条件同时都具备时才发生。钻杆接头在井下工作过程中，除了承受扭转、弯曲应力外，还承受较大的轴向拉伸应力以及环向拉伸应力，这种应力的存在，为应力腐蚀提供了力学条件。环境中的高压腐蚀介质可沿螺纹间隙进入钻杆接头的内外螺纹旋合面，并优先向着应力集中较大的螺纹根部渗入，并导致螺纹根部产生应力腐蚀裂纹。钻杆接头由于受到拉伸、弯矩和扭矩产生的轴向和周向应力作用，同时由于接头材料的横向冲击韧性明显大于纵向冲击韧性，在腐蚀性介质和拉应力的共同作用下，裂纹不断沿轴向和径向扩展，最终穿透整个壁厚，高压泥浆沿裂纹扩展路径将内螺纹接头刺穿，形成纵向刺孔。同时，内螺纹接头轴向上，不断有螺纹根部成为新的裂纹源，在腐蚀性介质和拉应力作用下，裂纹沿轴向和径向扩展，加上高压泥浆的冲刷作用，最终导致穿透整个内螺纹接头壁厚，形成纵向刺孔开裂形貌。

 

　　4结论

 

　　1)钻杆接头理化性能符合APISpec5DP以及SY/T5561-2008标准规定；

 

　　2)钻杆接头的横向冲击功值明显小于纵向冲击功值；

 

　　3)钻杆接头纵向刺穿失效属于硫化氢应力腐蚀失效。

 

　　参考文献

 

　　[1]APISpec5DP钻杆规范[S].美国石油学会标准.

 

　　[2]SY/T5561-2008摩擦焊接钻杆[S].中华人民共和国石油天然气行业标准.

 

　　[3]李鹤林，李平全，冯耀荣.石油钻柱失效分析与预防[M].北京：石油工业出版社，1999：97-105.