川渝地区某气井钻铤断裂原因

2021-06-07杜志杰陈瑞峰

理化检验(物理分册) 2021年5期

王哲, 万夫, 杜志杰, 陈瑞峰

(1.中国石油川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院, 广汉 618300；2.西安摩尔石油工程实验室, 西安 710065)

近年来，川渝地区钻井数量随页岩气的大力发展逐年增多[1-2]，而钻铤作为底部钻具组合的主要组成部分,具有刚度大、壁厚大等特点，在钻进过程中起到给钻头施压、平稳钻头、防止井斜的作用，但因其地质结构与工程条件复杂多变，致使钻铤失效事故频发。据不完全统计，川渝地区在2012～2018年间钻铤失效事故高达117次，平均每次事故导致时间损失达45.72 h，不仅严重威胁到现场工作人员的生命安全，而且钻铤失效会引发停工、钻具打捞，甚至封井、侧钻等问题，严重增加钻井成本。

某井下部钻具组合由外径为311.15 mm PDC的钻头和3个外径分别为228.60,203.20,165.10 mm的钻铤组成，据调查显示，该气井钻至井深3 080 m，在2 665.49～3 080.31 m井段起下钻，循环测斜后起钻。当靠近钻头卸下第一柱3根钻铤中外径为228.60 mm的钻铤时，发现该钻铤外螺纹断裂。该钻铤在该井使用近50 d(天)，钻井累计进尺超过3 000 m，钻铤的正常工作寿命不低于2 a(年)，该钻铤在此井场使用前，在管具站进行了30 mm的接头切除处理，重新车削螺纹，并经3次探伤检验合格，为一级钻铤。该钻铤材料为415H钢，外径为228.60 mm，内径为72.47 mm，主台肩倒角直径为217.78 mm，螺纹扣型为7-3/8REG(正规扣)。对该井段内气体成分进行测量，发现含有H2S，体积分数为1.8%(含量约27 g·m-3)。为了找到该钻铤的断裂原因，笔者前往现场调研并对断裂钻铤进行了检验及分析，以期为预防钻具失效提出合理的建议。

1 理化检验

1.1 宏观分析

对断裂钻铤进行宏观观察，可见断裂位置在外螺纹处，距离主台肩17 mm(根部第2牙)，见图1a);外螺纹断口外侧平坦，存在疲劳台阶，属多源疲劳断裂,见图1b)；主台肩面有腐蚀坑，见图1c);螺纹底部存在细小裂纹且有黄褐色腐蚀产物，见图1d)。

图1 断裂钻铤断口不同位置的宏观形貌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 扫描电镜及能谱分析

将断口附近螺纹底部的疲劳裂纹机械打开，经醋酸纤维素+丙酮清理后，置于扫描电镜(SEM)下观察，其SEM形貌见图2。可见裂纹源区以周期解理断裂为主，并伴有沿晶特征，裂纹扩展区存在疲劳辉纹。

图2 螺纹底部疲劳断口不同位置的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fatigue fractureat the bottom of thread：a) crack source area; b) crack growth area

对台肩根部断口裂纹源区附近和腐蚀坑分别进行能谱(EDS)分析，结果显示断口不同位置均存在硫元素，其中台肩根部腐蚀坑EDS分析结果见图3，可见硫元素质量分数为0.27%，因此判断硫元素造成晶界损伤，使裂纹沿晶扩展。

图3 台肩根部断口腐蚀坑EDS分析结果Fig.3 EDS analysis results of fracture of corrosionpit on shoulder root

1.3 金相检验

根据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》的技术要求在断裂钻铤螺纹底部取金相试样，试样经镶嵌、研磨和抛光后，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀，然后使用光学显微镜进行观察。该钻铤显微组织正常，为回火索氏体，晶粒度为6.5级，其非金属夹杂物等级为A0，B1.0，C0.5，D0.5，见图4；螺纹底部存在多处腐蚀坑和裂纹，裂纹径向深度约为2 mm，见图5。

图4 断裂钻铤螺纹底部显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology at the bottom offractured drill collar thread

图5 断裂钻铤螺纹底部形貌Fig.5 Bottom morphology of fractured drill collar thread:a) crack; b) corrosion pit

1.4 化学成分分析

在断裂钻铤的断口附近取样，采用ARL3460型直读光谱仪对其进行化学成分分析，结果如表1所示，可见该钻铤的化学成分符合SY/T 5144-2013《钻铤》的技术要求。

表1 断裂钻铤的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of fractured drillcollar (mass fraction) %

1.5 力学性能试验

在断裂钻铤断口附近沿轴向分别取直径为12.50 mm的圆棒拉伸试样和规格为10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口冲击试样，根据ASTM A370：2017StandardTestMethodsandDefinitionsforMechanicalTestingofSteelProducts的技术要求，在21 ℃下进行拉伸和冲击试验，结果见表2，可知该钻铤的力学性能符合API Spec 7-1：2006SpecificationforRotaryDrillStemElements的技术要求。

在断裂钻铤上取硬度环，采用电子布氏硬度计，根据ASTM E10：2018StandardTestMethodforBrinellHardnessofMetallicMaterials的技术要求进行布氏硬度试验，结果见表3。可见钻铤材料硬度符合API Spec 7-1：2006的技术要求(≥285 HB)。

表3 断裂钻铤的布氏硬度试验结果Tab.3 Brinell hardness test results of fractured drill collar HB

2 分析与讨论

失效钻铤的化学成分、显微组织和力学性能均符合API Spec 7-1：2006对钻铤材料的技术要求。经调研，该钻铤在使用前进行了切扣并重新车削新螺纹，连续使用时间累计50 d，存在疲劳累积。通过宏观分析和SEM分析可以判断，失效钻铤的断裂性质为腐蚀疲劳断裂。钻铤断裂失效过程为：钻井液与钻铤接触腐蚀形成腐蚀坑→力学因素与腐蚀疲劳协同作用促使疲劳裂纹萌生→裂纹扩展→断裂。断裂的原因有以下3个方面。

(1) 密封不良。钻铤裂纹源区附近的螺纹侧面和主台肩面均存在腐蚀坑和裂纹，且在螺纹底部发现黄褐色腐蚀产物，螺纹台肩根部能谱分析表明，裂纹和腐蚀坑不同部位均存在硫元素。因此判断是由于钻铤在服役过程中主台肩面和螺纹配合面密封不良，溶有H2S的钻井液冲蚀台肩面和外螺纹根部,形成腐蚀坑，旋转钻进时，复杂的力学因素(如钻铤自转产生的交变弯曲应力、钻铤克服井壁摩擦阻力产生的扭转作用力、承受自身和钻杆重力的拉伸载荷等)与腐蚀协同作用促使疲劳裂纹萌生，裂纹产生后快速扩展最后导致钻铤断裂[3-7]。

(2) 应力集中。宏观分析表明，该钻铤外螺纹断口起源于螺纹根部，并在公扣距离端面第2牙处断裂失效，裂纹源区存在较多疲劳台阶，属于多源疲劳断裂。研究表明，钻铤螺纹连接处与钻铤本体相比，刚度较小，截面形状复杂，易出现应力集中，是钻铤的薄弱位置，断裂也主要集中在螺纹2～3牙处。在井底钻进过程中螺纹承受复杂的交变应力，在循环载荷作用下，应力集中处首先产生微区塑性变形，随着载荷的增加，微裂纹在该薄弱处萌生并快速扩展为宏观可见的裂纹，裂纹快速扩展导致钻铤最终断裂[8-12]。

(3) 疲劳累积。该气井为一口页岩气井，钻遇地层包括近920 m的沙溪庙组，其岩石主要以泥岩、细砂岩、灰岩为主，非均质性强，在钻进过程中很容易发生憋钻、跳钻现象，使钻铤局部过载，随着钻铤使用时间增加，疲劳累积，当超过累计疲劳损伤点时即产生裂纹，导致钻铤断裂[13]。

针对以上3种影响钻铤使用寿命的因素，提出了几点改进措施。(1)按标准上扣扭矩上扣并均匀涂抹螺纹脂，提高螺纹间密封性；(2)向含有H2S井的钻井液中加入缓蚀剂，以缓解腐蚀性气体对钻铤的腐蚀；(3)使用螺纹底部圆角半径较大、应力集中较小的数字型螺纹替换正规螺纹；(4)在螺纹上加工结构合理的应力分散槽，降低螺纹处的应力集中[14]；(5)针对复杂井，选择合理的钻压、钻速及缩短钻铤螺纹探伤周期。采用以上措施改进后，钻铤断裂数量明显减少。