某井S135鋼級鉆桿擠扁原因

高斌強， 陳 猛， 趙 梅

(1.上海海隆石油鉆具有限公司， 上海 200949； 2.上海海隆石油管材研究所， 上海 200949)

隨著高強度鉆桿的成功研發(fā)和鉆井技術(shù)的進一步發(fā)展，鉆井的深度、水平段的長度等都有了大幅度的提高[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2000年以前，我國超過7 000 m以上超深井的數(shù)量僅為3口，2010年前只有19口，到2020年，已超過600口。為了減少起下鉆時間，提高鉆井安全和效率，現(xiàn)在大部分井區(qū)采用“一卡一吊”的起下鉆作業(yè)方式，起下鉆時通過給卡瓦施加一個橫向載荷使其咬入鉆桿表層，通過摩擦力克服鉆桿的重力載荷。隨著井深越大，井下的鉆具所受重力也會越來越大，井口卡瓦對鉆桿的夾緊力也必然會增加，卡瓦咬入的區(qū)域通常在距離鉆桿接頭母端600～900 mm的區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)留下的卡瓦咬痕或者劃痕經(jīng)常會引發(fā)鉆桿發(fā)生刺漏現(xiàn)象[2-4]，當卡瓦對鉆桿的徑向應力超過鉆桿的擠毀強度時，鉆桿將會發(fā)生塑性變形而失效[5-6]。某井發(fā)生了多次鉆桿擠扁變形現(xiàn)象，筆者取回了部分失效鉆桿并結(jié)合實際工況對其進行檢驗和分析，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

鉆桿的宏觀形貌如圖1所示，一件管體有明顯的塑性變形，為失效鉆桿；另一件無明顯損傷，為同批未失效鉆桿。鉆桿規(guī)格為φ139.7 mm×9.17 mm，鋼級為S135，該批鉆桿的訂貨標準為API Spec 5DP-2009。

圖1 鉆桿樣品宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of drill pipe samples

為了便于表述，將失效鉆桿管段取名為1號試樣，未失效鉆桿管段取名為2號試樣。經(jīng)觀察，1號試樣發(fā)生了塑性變形擠扁，在擠扁區(qū)域的圓周外表面可見牙痕損傷，如圖2所示。這些牙痕損傷分布在整個圓周表面，與起下鉆過程中卡瓦咬傷痕跡吻合。對失效鉆桿擠扁部位進行測量，最大直徑為146.07 mm，最小直徑為135.27 mm，未變形處的直徑為139.97 mm。對未變形處的管體壁厚進行測量，管體壁厚平均值為9.93 mm。

圖2 1號鉆桿試樣擠扁變形宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of No. 1 drill pipe sample after flattened deformation

仔細觀察1號試樣擠扁變形區(qū)的整個圓周形貌，可發(fā)現(xiàn)鉆桿管體擠扁變形不均勻，一側(cè)變形嚴重，另一側(cè)近乎沒有變形，呈近紡錘形，如圖3所示。從圖3還可以看出，在變形區(qū)的內(nèi)壁，涂層已損壞、破裂甚至剝落。整個圓周外表面上的卡瓦咬痕深度并不相同，在變形量大的兩側(cè)咬痕深，而在變形位置對應的另一側(cè)位置則咬痕淺，如圖4所示。將外表面的卡瓦咬痕，按順時針方向進行編號，1號咬痕和2號咬痕分別位于最大形變區(qū)的兩側(cè)，其中，1、2、3、5號咬痕所在位置的鉆桿內(nèi)表面，涂層均有不同程度的損傷。

圖3 擠扁變形區(qū)截面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of cross section of flattened deformation zone

圖4 擠扁區(qū)外表面的咬痕宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of bite marks on the outer surface of flattened zone: a) No.1 and No. 2; b) No.3 and No. 4; c) No.5

1.2 化學成分分析

分別從1號和2號鉆桿試樣上取樣，采用ARL 4460 OES型直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結(jié)果見表1?？梢娿@桿管體材料的化學成分符合API Spec 5DP-2009標準的要求。

表1 鉆桿材料的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the drill pipe material (mass fraction) %

1.3 力學性能試驗

1號試樣已經(jīng)發(fā)生了嚴重的變形，所以其拉伸和沖擊試樣無法取樣。根據(jù)API Spec 5DP-2009標準，從2號試樣上取全壁厚板條拉伸試樣、V型缺口夏比沖擊試樣，從1號和2號試樣上取全壁厚圓環(huán)硬度試樣。分別采用WAW-600型電液伺服萬能試驗機、JBN-300型擺錘沖擊試驗機和600MRD型數(shù)顯洛氏硬度計進行拉伸、沖擊和硬度試驗，試驗結(jié)果見表2和表3。由試驗結(jié)果可知，與擠扁鉆桿同批次生產(chǎn)的2號鉆桿材料的拉伸性能、沖擊吸收能量符合API Spec 5DP—2009標準要求；1號鉆桿試樣

表2 鉆桿試樣的拉伸性能和沖擊吸收能量Tab.2 Tensile properties and impact energy absorption of the drill pipe sample

表3 鉆桿試樣全壁厚圓環(huán)硬度測試結(jié)果Tab.3 Hardness test results of full wall thickness ring of the drill pipe samples HRC

和2號鉆桿試樣在整個圓周的截面硬度相近，1號鉆桿在擠扁變形區(qū)的硬度與其他區(qū)域的硬度沒有明顯差異，比較均勻。

1.4 金相檢驗

分別從1號鉆桿試樣變形處和2號鉆桿試樣管體上取金相試樣，依照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗法》對其進行金相檢驗，金相試樣用4%(體積分數(shù))的硝酸酒精溶液浸蝕，然后在GX51型倒置金相顯微鏡下觀察橫截面顯微組織形貌，如圖5所示。1號鉆桿變形處的顯微組織與2號鉆桿管體材料的顯微組織相同，均為回火索氏體，晶粒度為10級。

圖5 鉆桿試樣的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the drill pipe samples: a) the No.1 drill pipe; b) the No.2 drill pipe

在圖3和圖4所示的1號鉆桿試樣沿整個圓周標注的1、2、3、4、5號咬痕位置取樣，進行金相檢驗和咬痕深度分析，金相試樣用4%(體積分數(shù))的硝酸酒精溶液浸蝕，然后在GX51型倒置金相顯微鏡下觀察橫截面顯微組織形貌，分析結(jié)果見表4。可見咬痕處的組織均發(fā)生了變形，但組織無異常，均為回火索氏體。

表4 不同區(qū)域咬痕的微觀分析結(jié)果Tab.4 Micro analysis results of bite marks in different zones

2 分析與討論

2.1 材料質(zhì)量

通過對失效鉆桿試樣和同批次鉆桿試樣的分析可知，鉆桿的化學成分和力學性能符合API Spec 5DP—2009的要求，失效鉆桿擠扁變形處的硬度和組織無異常，表明鉆桿擠扁與材料無關(guān)。

2.2 卡瓦夾持

卡瓦是鉆井作業(yè)中鉆具起下鉆時常用的井口工具，139.7 mm鉆桿使用的卡瓦實物圖見圖6a)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖6b)。由圖6可知，卡瓦由3頁卡瓦體組成，每頁卡瓦體上分布有3列牙板，每列牙板間的間距為10 mm。中間卡瓦頁與左、右卡瓦頁間的牙板間隙為30 mm。當卡瓦坐掛鉆桿時，卡瓦上的各牙板與管體均勻接觸，在鉆桿本體外表面留下均勻的咬痕，即各牙板受力均勻，圖6c)所示為現(xiàn)場試驗卡瓦與鉆桿管體正常接觸時在管體留下的咬痕形貌。

圖6 139.7 mm鉆桿卡瓦結(jié)構(gòu)特點和工作時狀態(tài)Fig.6 Structural characteristics and working state of 139.7 mm drill pipe slip: a) physical drawing of drill pipe slip; b) schematic diagram of drill pipe slip; c) tooth marks left by normal engagement of slip and drill pipe

卡瓦牙板對鉆桿夾緊的示意圖如圖7所示，擠扁失效的區(qū)域在左右兩側(cè)牙板的中間，如圖中所示。對失效鉆桿的牙板咬痕進行觀察，可觀察到3頁卡瓦頁對應的牙板咬痕并不均勻，且每一頁卡瓦上的3列牙板的咬痕也不均勻，甚至沿管體軸向方向，每一列牙板的不同牙板的咬痕也不均勻，如圖8所示。圖8a)和b)所示的為變形位置左、右側(cè)牙板咬痕，3列牙痕中兩側(cè)的牙痕較深，中間列較淺，且每一個牙板沿圓周方向的每個牙齒的咬痕也是由深到淺。圖8c)所示為變形位置對面的卡瓦頁所留下的咬痕，可以看出，這頁牙板的3列牙痕是中間列深，兩側(cè)列淺。

圖7 鉆桿在卡瓦中的示意圖Fig.7 Schematic diagram of the drill pipe in the slip

圖8 擠扁鉆桿的卡瓦牙板咬痕宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of bite marks on slip teeth plate of the flattened drill pipe: a) bite marks on the left teeth plate; b) bite marks on the right teeth plate; c) bite marks on the middle teeth plate

咬痕的深淺直觀表現(xiàn)了卡瓦上牙板與管體的接觸應力情況，接觸應力越大，對管體的咬痕越深。同時，鉆桿管體在整個圓周的咬痕深度的差異，說明鉆桿管體與卡瓦牙板間的接觸不均勻，咬痕深的區(qū)域，接觸應力大，管體承受的外擠壓力大。金相檢驗結(jié)果顯示兩側(cè)牙板的咬痕深度較深，其中1號、2號、5號咬痕為左右兩側(cè)的牙板留下的最深咬痕，平均深度約0.88 mm；中間的牙板咬痕相對要淺一些，其中3號、4號咬痕為該中間牙板留下的最深咬痕，平均深度約0.48 mm。兩側(cè)牙板的咬痕深度是中間牙板咬痕深度2倍左右，說明擠扁失效鉆桿在服役時卡瓦左右兩側(cè)的牙板對其施加的徑向應力要比中間牙板對鉆桿的徑向應力大得多。

2.3 卡瓦夾持鉆桿受力分析

依據(jù)API NS-1、DS-1標準5.12可以得知，井下鉆柱懸質(zhì)量產(chǎn)生的單元拉升應力St會形成環(huán)向應力Sh，環(huán)向應力為很多因素的函數(shù)，如卡瓦長度、卡瓦和卡瓦座之間的摩擦因數(shù)、管體外徑、所用設(shè)備的情況以及其他的因素。定義Sh/St為這些因素組合條件下的卡瓦擠壞常數(shù)。

確定避免卡瓦擠壞時的承載能力足夠，首先用下式確定鉆桿的有效承載能力：

(1)

式中：ESCC為有效承載能力；SCC為額定承載能力；DF為拉伸系數(shù)。

不發(fā)生卡瓦擠壞可接受的載荷條件必須滿足下式：

(2)

式中：F拉伸為拉伸載荷。

S135鋼級鉆桿的額定承載能力為357 000 kg(查DS-1標準得到)。根據(jù)式(1)和式(2)可得，有效承載能力約為310 500 kg，136 000 kg×1.27=173 000 kg≤310 500 kg。

計算結(jié)果說明當時井下鉆具的懸質(zhì)量滿足卡瓦擠壞的承載能力。但是，這種計算是基于鉆桿和懸掛裝置良好，卡瓦和管體整個接觸面載荷分布均勻。本次鉆桿外壁從宏觀分析和微觀分析都表明了卡瓦和管體整個接觸面載荷分布是不均勻的，這會降低卡瓦系統(tǒng)的承載能力。設(shè)定卡瓦牙與鉆桿之間的摩擦因數(shù)為μ，卡瓦對鉆桿的徑向作用力為F，井下鉆具懸重為G，當鉆桿坐在卡瓦座上時滿足公式：

G=μ·F

(3)

在式(3)中，徑向作用力F為3個卡瓦牙板對鉆桿的徑向作用力之和，左側(cè)牙板、右側(cè)牙板和中間牙板的對鉆桿的徑向作用力分別為F1、F2、F3，那么則有：

F=F1+F2+F3

(4)

每個牙板與鉆桿管體的理論接觸面積為S，中間牙板對鉆桿的總體咬痕深度較淺，說明當時F3較低，為了保證平衡，F(xiàn)1和F2會增大。同時由于接觸不均勻，左側(cè)牙板和右側(cè)牙板與鉆桿外壁的實際接觸面積S0要小于S。同時，由于牙板使用時間較長，牙板磨損較為嚴重，導致牙板局部區(qū)域的接觸力也是分布不均勻的，最后在在牙板較為突出的區(qū)域會對鉆桿形成較大的應力，并且超過了鉆桿的屈服強度[7-9]，使得鉆桿在該區(qū)域發(fā)生塑性變形。

3 結(jié)論及建議

鉆桿發(fā)生擠扁失效的原因為鉆桿在鉆臺坐卡過程中，管體與卡瓦之間的嚙合接觸不均勻，局部的接觸應力超過了鉆桿管體的屈服強度而使鉆桿管體發(fā)生塑性變形，卡瓦牙板磨損較為嚴重是導致卡瓦對鉆桿的應力分布不均勻的主要原因。

建議使用的卡瓦與鉆桿規(guī)格要相對應，避免卡瓦內(nèi)徑與鉆桿外徑不同；避免新舊牙板混裝使得鉆桿受力不均勻；避免使用已經(jīng)壞掉的牙板；保證卡瓦與鉆臺補芯配合；保證井眼軸線與井架中心線在同一軸線上。