滿加1井鉆柱轉換接頭外螺紋接頭斷裂原因分析

呂拴錄,駱發前,周 杰,遲 軍,胡安智,陳建華

(1.中國石油大學機電工程學院,北京,102249;2.塔里木油田,新疆庫爾勒841000;3.塔里木油田第七勘探公司,新疆庫爾勒841000)

滿加1井鉆柱轉換接頭外螺紋接頭斷裂原因分析

呂拴錄1,2,駱發前2,周 杰2,遲 軍2,胡安智2,陳建華3

(1.中國石油大學機電工程學院,北京,102249;2.塔里木油田,新疆庫爾勒841000;3.塔里木油田第七勘探公司,新疆庫爾勒841000)

對滿加1井鉆具斷裂事故進行了調查研究。測量了斷裂鉆柱轉換接頭的結構尺寸,宏觀分析了鉆柱轉換接頭斷口形貌,對斷裂的鉆柱轉換接頭進行了材料試驗。認為鉆柱轉換接頭屬于早期疲勞斷裂,斷裂原因既與材料韌性不合格有關,也與鉆柱轉換接頭本身結構尺寸不合理和鉆柱結構尺寸不合理有關。從鉆柱轉換接頭結構和尺寸改進、材料改進方面提出了具體的預防措施。

鉆柱轉換接頭;斷裂;結構尺寸;韌性

Abstract:This paper gives an investigation on fracture accident of drill stem elements.Based on dimension measure,maco-fracture analysis,and material test,it is considered that the drill stem sub fracture is fatigue failure,the fracture cause is not only related to disqualification of drill stem sub material performance,but also related to illogical configuration dimension of drill stem sub and drill stem string.In order to prevent drill stem sub from fracture,some prevent measures are suggested.

Key words:Drill stem sub;Fracture;Configuration dimension;Toughness

1 事故發生經過

2007-02-22T21:15,滿加 1井鉆進至井深3 949 m,起鉆發現連接第 1根?228.6 mm鉆鋌和?311.2 mm鉆具穩定器的NC610×NC561鉆柱轉換接頭外螺紋斷裂。該鉆柱轉換接頭2007-01-10下井,從下井到斷裂使用時間為42 d,純鉆時間為705 h,落魚結構長度19.79 m,斷裂時井深3 949 m。

2007-03-19鉆進至井深4 473 m時,第 2根?311.2 mm鉆具穩定器外螺紋接頭斷在鉆柱轉換接頭內,落魚結構長度29.56 m,斷裂時井深4 473.5 m。

2007-03-24鉆進至井深4 511 m時新換的鉆柱轉換接頭外螺紋又發生斷裂,斷裂位置與2007-02-22鉆柱轉換接頭外螺紋斷裂位置相同,落魚結構長度20.06 m,該轉換接頭累計純鉆時間370.25 h。

該井鉆井參數:鉆壓120 kN,轉速105 r/min,泵壓21 MPa,排量40 L/s。

根據測井結果,該井最大全角變化率為0.78°/25 m。該井地層巖性為泥巖、粉砂巖、砂巖、中砂巖和灰巖,在鉆井過程中多次發生井壁垮塌和蹩鉆。另外,該井還發生了一起由于地層蠕變導致表層套管下井卡死事故。

另外,在滿加1井臨井,即塔中31井鉆井過程中,從4 231～5 314 m井深范圍曾發生了5次下部鉆具斷裂事故。其中有2次是鉆鋌外螺紋接頭斷裂,2次是鉆具穩定器外螺紋接頭斷裂,1次是鉆柱轉換接頭斷裂。

2 斷口分析及尺寸測量

鉆柱轉換接頭從外螺紋接頭大端第2扣和第3扣位置斷裂,斷口距離外螺紋接頭密封臺肩面22 mm(如圖1)。斷口上有2處起源于螺紋根部的疲勞裂紋,兩者大約相隔110°(如圖2)。其中一條疲勞裂紋弦長65.6 mm,深度為15.2 mm;另外一條疲勞裂紋弦長75.0 mm,深度為19.5 mm。斷口瞬斷區平齊,具有脆性斷裂的特征。

斷裂的鉆柱轉換接頭是經過修扣的,內徑為?71 mm,斷裂位置鉆具組合及尺寸如圖3。

圖1 斷裂位置

圖2 斷口形貌

圖3 斷裂位置附近鉆具組合及尺寸

3 理化試驗

3.1 化學成分分析

斷裂的鉆柱轉換接頭材料化學成分符合SY/T5200—2002規定[1]。

3.2 力學性能試驗

在鉆柱轉換接頭上沿縱向分別取?12.5 mm圓棒拉伸試樣、10 mm×10 mm×55 mm夏比V形缺口沖擊試樣和全壁厚硬度試樣進行力學性能試驗。試驗的拉伸性能和硬度合格,沖擊韌性不合格,脆性轉化溫度為-20℃(如圖4)。

圖4 系列沖擊試驗結果

4 斷裂原因分析

4.1 鉆柱轉換接頭長度不足加劇了外螺紋接頭危險截面的應力集中

鉆柱轉換接頭越長,越有利于緩解外螺紋接頭大端的應力集中[2]。API SPEC 7[3]規定,A型轉換接頭長度為914 mm,B型轉換接頭長度為1 219 mm。

SY5200—2000標準將A型和B型轉換接頭長度分為一類長度和二類長度。一類長度A型和B型轉換接頭長度與API SPEC 7規定相同,二類A型和B型轉換接頭長度均為610 mm。但明確規定在井深＞2 000 m時應選用一類長度轉換接頭。

斷裂的鉆柱轉換接頭長度為547 mm,使用時間僅42 d,純鉆時間只有705 h。這與接頭長度不足,螺紋接頭危險截面的應力得不到緩解有一定關系。

4.2 鉆柱組合不合理容易導致接頭斷裂

從鉆柱整體結構分析,下部鉆柱外徑小的部位剛度差,在使用過程中容易彎曲變形,并產生疲勞裂紋。即外徑小的部位是鉆柱薄弱環節[4]。該井斷裂的鉆柱轉換接頭上端與?228.6 mm鉆鋌連接,下端與311.2 mm鉆具穩定器相連(如圖3)。在311.2 mm鉆具穩定器下端還連接有一個NC56(內螺紋)×NC61(外螺紋)B型鉆柱轉換接頭。斷裂的B型轉換接頭下端正好是下部鉆柱中外徑最小的部位,該部位剛度差易于彎曲變形,在使用過程中很容易發生彎曲疲勞斷裂事故。

4.3 材質對鉆柱轉換接頭斷裂的影響

鉆柱轉換接頭在使用過程中要承受彎曲、扭轉、沖擊等疲勞載荷[5]。材料性能越差,鉆具使用壽命越短;材料性能越好,鉆具疲勞裂紋萌生和擴展所需的時間越長[6-7],甚至當疲勞裂紋穿透鉆具壁厚發生刺漏之后,仍然不會斷裂。鉆具刺漏后泵壓下降容易發現,可減少斷裂事故發生[8-9]。斷裂的鉆柱轉換接頭材料韌性只有標準規定值的64.8%,材料韌性不合格必然導致早期疲勞斷裂。鉆柱轉換接頭疲勞裂紋區所占比例遠小于脆性瞬斷區,這主要與材料韌性不合格,抵抗裂紋萌生和擴展的能力差有關。

4.4 鉆井工況對鉆柱轉換接頭斷裂的影響

卡鉆和蹩鉆會增加鉆柱的扭轉載荷[10],跳鉆會增大鉆柱的震動載荷,最終減少鉆具使用壽命。該井地層含有蠕變地層,在鉆井過程中多次發生卡鉆、蹩鉆和跳鉆,也曾發生過一起表層套管下井卡死事故。滿加1井從2007-02-22—03-24共發生了3起鉆具斷裂事故,3次鉆具斷裂時井深分別為3 949 m、4 473.5 m和4 511.97 m。在與滿加1井相鄰的塔中31井鉆井過程中,曾在4 231～5 314 m井深范圍發生了5次下部鉆具斷裂事故。滿加1井與其鄰井斷裂的鉆具全是下部鉆具,鉆具斷裂的井深范圍接近,這說明該區塊地層巖性對降低鉆具疲勞壽命有一定影響。

4.4.1 全角變化率

井眼全角變化率越大,鉆柱轉換接頭所受的彎曲載荷越大,越容易發生疲勞斷裂。該井最大全角變化率僅為0.78°/25 m,對鉆柱轉換接頭斷裂不會產生很大影響。因此,全角變化率不是斷裂的主要原因。

4.4.2 鉆柱轉換接頭斷裂門檻值

鉆柱轉換接頭在使用過程中承受交變的彎曲、扭轉、沖擊和震動等載荷,在經過一段時間使用之后,其危險截面容易產生疲勞裂紋[11-12]。當鉆具接頭初始裂紋達到門檻值時裂紋會擴展,并發生斷裂事故。下面對發生斷裂的鉆柱轉換接頭裂紋門檻值予以計算。

在裂紋萌生區ΔK有一個界限值△Kth,即疲勞裂紋擴展門檻值,在此界限值以下,疲勞裂紋為非擴展性裂紋,即△K＜△Kth裂紋將不擴展[13]。應力強度因子可表示為

式中,K為應力強度因子;f為與裂紋的形狀、位置、加載方式等有關的系數,對于圓柱型構件含周向裂紋的情況,f=1.12+3(a/r0)2,其中γ0為圓柱構件半徑;a為周向裂紋深度。由于裂紋深度相比鉆鋌半徑很小,近似取f=1.12。

代入式(1)并微分得

式中 ,Δ σ=σmax-σmin。

近似取最小載荷σmin=0,應力比R=σmin/σmax=0。最大載荷σmax取材料許用疲勞強度值。

式中,σy為材料最小屈服強度,σy=930 MPa;S為安全系數,一般取1.5。

代入式(3)得

鉆柱轉換接頭發生斷裂的裂紋門檻值與其材料屈服強度有關[14]。按材料屈服強度為930 MPa(133 284 psi)計算,其門檻值ΔKth=4.4 MPa。

代入式(2)得

由△K＜△Kth得:a＜ath=0.006 mm。即,只有當鉆鋌的初始裂紋尺寸不超過0.006 mm時,裂紋才不會擴展。

該鉆柱轉換接頭在斷裂之前已有2處疲勞裂紋,裂紋最深已達19.5 mm。鉆柱轉換接頭疲勞裂紋深度已經遠遠超過裂紋門檻值,這必然會發生斷裂。

5 預防措施

a) 新訂購的鉆柱轉換接頭嚴格執行SY5200—2002標準,逐步淘汰原鉆柱轉換接頭。

b) 今后訂貨?311.2 mm鉆具穩定器兩端接頭外徑全部統一規定為?228.6 mm,省去?311.2 mm鉆具穩定器與?228.6 mm鉆鋌之間的轉換接頭。

c) 制定塔里木油田鉆柱轉換接頭企業標準。

d) 加強鉆柱轉換接頭探傷檢查及管理。

6 結論

1) 鉆柱轉換接頭斷裂位置在外螺紋接頭危險截面,斷裂原因與鉆柱轉換接頭材料韌性不足和鉆柱結構不合理有關。

2) 建議嚴格執行SY5200—2002標準。

[1] SY 5200-2002,鉆柱轉換接頭[S].

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Analysis of Drill Stem Sub Pin Fracture in Manjia 1 Well

LV Shuan-lu1,2,LUO Fa-qian2,ZHOU Jie2,CHI Jun2,HU An-zhi2,CHEN Jian-hua3
(1.Mechanical and Electrical Engineering Institute,China University ofPetroleum,Beijing102249,China;2.Tarim Oil Field,Korla841000,China;3.Seventh Exploration Corporation,Tarim Oil Field,Korla841000,China)

TE921.2

A

1001-3482(2010)08-0041-04

2009-02-06

呂拴錄(1957-),男,陜西寶雞人,教授級高級工程師,1983年畢業于西安交通大學金屬材料專業,中國機械工程學會失效分析分會失效分析專家,一直從事石油管材失效分析、技術監督和科研工作,E-mail:lvshuanlu@163.com。