?127 mm反扣鉆桿脫扣失效分析

巴魯軍，張鐵軍，王玉奎，王　軍，王　書，薛江平

(勝利油田 渤海鉆井總公司管具公司，山東 東營 257200)①

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?127 mm反扣鉆桿脫扣失效分析

巴魯軍，張鐵軍，王玉奎，王軍，王書，薛江平

(勝利油田 渤海鉆井總公司管具公司，山東 東營 257200)①

摘要：對某油井?127 mm反扣鉆桿因內螺紋接頭脹扣、外螺紋接頭拉長變形而導致鉆桿脫扣的失效事故進行了調查。通過對鉆桿失效接頭螺紋宏觀、微觀分析，并對接頭取樣進行了理化檢驗、金相分析。分析結果表明：井下作業過程中，鉆桿接頭反復上扣，其螺紋部位轉矩過大，導致外螺紋被拉長，內徑收縮，內螺紋脹大，其螺紋牙相互擠壓剪切，導致鉆桿接頭連接強度降低而滑脫。

關鍵詞：反扣鉆桿；脫扣；失效分析

某井設計井深1 838 m，在鉆至1 741 m時發生了卡鉆。用G級?127 mm反扣鉆桿進行倒扣作業時，反扣鉆桿接頭因內螺紋接頭脹扣、外螺紋接頭拉長變形而導致脫扣。筆者對該井反扣鉆桿脫扣事故進行了調查，并對接頭取樣進行了理化檢驗、金相分析，推論出造成反扣鉆桿脫扣事故的原因。

1現場情況

該井為一口水平井，設計井深1 838 m。鉆井參數為：鉆壓120 kN，轉速96 r/min，排量46 L/s，泵壓14 MPa；泥漿性能為：密度1.13 g/cm3，黏度60 s，泥餅直徑0.5 mm，含沙0.4 kg/m3，pH值9。

該井于2015-01-17開鉆，鉆至1 741 m時發生卡鉆。加入解卡劑浸泡，隨后采用反扣鉆桿進行倒扣作業。進行第13趟反扣鉆桿打撈時，倒扣后發現懸重減少約100 kN，隨后起鉆。發現第97根反扣鉆桿外螺紋與下部鉆具脫開，井下落魚約927 m，其中反扣鉆桿82根，螺桿鉆具+牙輪鉆頭+隨鉆測量儀約20 m。據井隊反映，現場最大提升力約1 500 kN，在鉆桿脫落時提升力為500 kN。起鉆時液壓大鉗無法卸開鉆桿接頭螺紋，只能用B型大鉗進行卸扣。隨后對失效反扣鉆桿接頭進行取樣分析。

2宏觀分析

事故鉆桿外接頭螺紋長度為117 mm，從大端第3扣開始螺紋變成扁平狀，水眼內到端面逐漸減小至75 mm。可以用肉眼看出螺紋變細，被拉長。 事故接頭本體的硬度檢測為310～330 HB。事故接頭尺寸如表1所示。

表1　鉆桿接頭尺寸測量結果　mm

外螺紋損傷形貌如圖 1 所示，從大端第 3 扣開始螺紋變成扁平狀，且變形方向為由承載面倒向導向面。

圖1　外螺紋損傷形貌

外螺紋臺肩面擠壓劃傷較為嚴重，外螺紋接頭外壁靠近臺肩處存在環向犁溝，犁溝的深度約為0.8 mm。

內螺紋與打撈公接頭連接的剖面形貌如圖2所示。由圖2可知，打撈公接頭與內螺紋僅小端 6 扣螺紋嚙合，大端螺紋存在較大間隙，可以推測內螺紋喇叭口變形并非打撈公接頭造成的；內螺紋后孔存在上扣痕跡，該痕跡距打撈公接頭端面約 20 mm，根據剖面圖中打撈公接頭的上扣狀態可以推測打撈公接頭的端面很難到達內螺紋后孔。

圖2　內螺紋接頭縱向剖開后形貌

內螺紋端面和鏜孔內表面均被擠壓成斜面，與鉆桿接頭軸向成45°，二者之間的直角已被磨掉，僅剩下一條環向凸起棱。測量圖2中環向凸起棱的直徑，約為166.89 mm。

將外螺紋放入剖開的內螺紋錐孔中，發現外螺紋端面正好與內螺紋后孔的上扣痕跡吻合，兩側螺紋的嚙合狀態如圖3所示。由圖3可知，外螺紋牙頂的每一道凹痕均對應于內螺紋的牙頂，均是內螺紋牙頂擠壓所致。

圖3　螺紋的嚙合形貌

3理化檢驗

3.1化學成分分析

在2根鉆桿接頭上取樣，用ARL-3460直讀光譜儀對其化學成分進行分析，結果如表 2 所示。結果表明，2根鉆桿接頭的化學成分符合 API Spec 5DP—2009 對鉆桿接頭的要求。

表2　鉆桿接頭化學成分　wB%

3.2力學性能試驗

分別在2根鉆桿接頭上取樣進行力學性能試驗。

拉伸試驗采用縱向棒狀試樣，標距內直徑為12.5 mm，試驗溫度為室溫。夏比沖擊試驗采用縱向試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，壁厚方向開 V型缺口，試驗溫度為24 ℃，結果如表 3。由試驗結果可知，2根鉆桿接頭的抗拉強度、屈服強度、伸長率和縱向沖擊吸收功均符合 API Spec 5DP—2009 對鉆桿接頭的要求。

表3　鉆桿接頭拉伸和沖擊性能試驗結果

布氏硬度試樣高度為 20 mm，試驗結果如表 4 所示。由試驗結果可知，2根鉆桿接頭的布氏硬度值符合 API Spec 5DP—2009 的要求。

表4　鉆桿接頭布氏硬度試驗結果　HB

4金相分析

分別在2根鉆桿接頭上取樣進行金相分析，結果表明該鉆桿接頭的金相組織為回火索氏體，如圖4所示。非金屬夾雜物評級及晶粒度結果如表5所示。

在外螺紋上取樣，金相顯微鏡下觀察其損傷形貌，如圖 5 所示。由圖5可知，螺紋牙上部存在白亮層，且變形流線的方向為承載面指向導向面。

a　內螺紋

b　外螺紋

類別ABCD粗系細系粗系細系粗系細系粗系細系晶粒度內螺紋0級0級0級0級0級0級0級0級8.5級外螺紋0級0級0級0級0級0級0級0級7.5級

圖5外螺紋白亮層形貌

5分析及討論

所送2根鉆桿接頭的屈服強度、拉伸強度、伸長率、縱向沖擊吸收功和布氏硬度值均符合 API Spec 5DP—2009 的要求，且2根鉆桿接頭的金相組織正常，晶粒度分別為內螺紋8.5級和外螺紋7.5級，非金屬夾雜物含量正常。

分析該鉆桿接頭脫扣的原因如下：

1)內螺紋接頭呈喇叭口狀，內螺紋端面與打撈公接頭之間存在 9.88 mm的間隙，間隙內填滿了干泥漿，根據這些現象可知內螺紋脹大并非打撈公接頭造成的。

2)根據內螺紋與打撈公接頭連接的剖面形貌，發現距打撈公接頭端面20 mm 的后孔部位存在上扣痕跡，因此推測這些上扣痕跡不是打撈公接頭造成的。

3)將粘扣外螺紋放入剖開的內螺紋錐孔中，發現外螺紋端面正好與內螺紋后孔的上扣痕跡吻合，且外螺紋牙頂的每一道凹痕均對應于內螺紋的牙頂，正是內螺紋牙頂擠壓所致。 因此推測內螺紋后孔部位的上扣痕跡為粘扣外螺紋的端面擠壓形成的。

4)外螺紋接頭外壁靠近臺肩處存在環向犁溝，犁溝深度為0.8 mm，估計犁溝底部的直徑為168.3-0.8×2=166.7 mm(由于取樣外螺紋樣品僅是鉆桿接頭部分殘樣，無法準確測量犁溝底部直徑)。內螺紋端面與鏜孔內表面本來成 90°角，失效樣品的內螺紋端面和鏜孔內表面被擠壓成一個斜面，原來的 90°棱角僅剩下一條高度為 0.2 mm 的環向凸起棱，該環向凸起棱的直徑為 166.89 mm。由于外螺紋接頭外壁的環向犁溝直徑(166.7 mm)與內螺紋擠壓斜面的環向凸起棱直徑(166.89 mm)相當接近，可以推知這兩個部位在脫扣之前是接觸的，即，內螺紋鏜孔已跨到外螺紋接頭外壁。

5)外螺紋鉆桿接頭內徑為 75.16 mm，低于 API Spec 5DP—2009 的下限值(81.8 mm)。該失效鉆桿接頭螺紋長度為 117 mm，高于 API Spec 7 要求114.3 mm。因此可以推知，外螺紋鉆桿接頭被拉長，內徑收縮。

6)現場情況反映，起鉆時液壓大鉗無法卸開接頭螺紋，只能用 B 型大鉗進行卸扣，這表明該反扣鉆桿在井下作業過程中承受了相當大的轉矩。根據井隊的作業情況，該反扣鉆桿經過 13 趟打撈作業。每一趟打撈作業都會使得反扣鉆桿加大轉矩上扣。

根據以上分析，鉆桿接頭脫扣失效的過程為：井下作業過程中該鉆桿接頭反復上扣，導致鉆桿接頭螺紋部位轉矩過大，旋合過程中，外螺紋小端向內螺紋后孔延伸，外螺紋臺肩受到內螺紋端面的限制，未能隨小端一起延伸，導致外螺紋拉長，內徑縮小；繼續加大轉矩，外螺紋小端到達內螺紋后孔，此時，外螺紋臺肩和內螺紋端面的應力超過了屈服強度，外螺紋臺肩發生塑形變形，垂直于軸向的臺肩面變成斜面，內螺紋端面在傾斜的臺肩面的楔入作用下被脹大；繼續加大轉矩，內螺紋的鏜孔直徑被擴徑到接近接頭外徑時，其端面與鏜孔內表面的棱角切入外螺紋接頭。 外螺紋被拉長，螺距增大，內螺紋被壓縮，螺距減小，兩者差距越大，干涉越嚴重，其承載面承受的擠壓力越大，當螺紋局部應力達到其屈服強度時，外螺紋牙頂被擠壓剪切掉，導致鉆桿接頭連接強度降低而滑脫。

6結論

1)反扣鉆桿接頭的化學成分、抗拉強度、屈服強度、伸長率、縱向沖擊吸收功和布氏硬度值均符合 API Spec 5DP—2009 的要求，金相組織正常，非金屬夾雜物含量正常。

2)反扣鉆桿接頭脫扣的主要原因是井下作業過程中，鉆桿接頭反復上扣，其螺紋部位轉矩過大，導致外螺紋被拉長，內徑收縮，內螺紋脹大，其螺紋牙相互擠壓剪切，導致鉆桿接頭連接強度降低而滑脫。

參考文獻：

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Analysis on ?127 mm Left-hand Drill Pipe Box Connection Thread Deformation Failure

BA Lujun，ZHANG Tiejun，WANG Yukui，WANG Jun，WANG Shu，XUE Jiangping

(TubularandToolsCompanyofBohaiDrillingCorporation，ShengliOilfield，Dongying257200，China)

Abstract：In an oil Wells，A ?127 mm left-hand drilling pipes accident was investigated for the reason of left-hand drilling pin/box connection thread deformation and lead to the failure of drill pipe tripping accidents.Through analyzing the macro/micro drill pipe failure joint thread，and the joint sampling for the physical and chemical inspection and analysis of metallographic.Analysis results show that，during the downhole operation process，the tool joint buckled repeatedly，the thread parts，excessive torque caused pin elongated，diameter shrinkage，internal thread swell，and the thread mutual extrusion shear，results in the decrease of strength of drill pipe joint connection and slippage.

Keywords：left-hand drilling pipe；tripping；analysis

中圖分類號：TE921.1

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.015

作者簡介：巴魯軍(1964-)，男，山東東營人，高級工程師，主要從事石油鉆具技術管理工作，E-mail：13505467938@163.com。

收稿日期：①2015-10-26

文章編號：1001-3482(2016)03-0066-04