长北气田水平井双密封台肩钻杆接头失效分析及预防措施

长北气田水平井双密封台肩钻杆接头失效分析及预防措施赵宏波;贾进孝;李兴宝;王建平;王定峰;温美洲;孙佳才

【摘要】为了解决长北气田水平井双密封台肩钻杆从母扣壁厚端第2扣根部频繁断裂的问题,通过对钻杆接箍化学成分、力学性能、金相组织、钻杆磨损、断口微观和宏观形貌、钻杆腐蚀、弯曲正应力、扭转正应力、拉(压)正应力、钻柱纵振、横振和扭转振动等的分析,认为钻杆接箍钢材性能合格,而钻杆在严重磨损和氧腐蚀之后,由高井眼狗腿度、高泥浆摩阻、高沉砂等引起的弯曲正应力加强是引起钻杆母扣壁厚端第2扣最早出现裂纹的主要原因,由于早期裂纹出现引起钻杆接头沿断裂面的有效连接截面积不断减小,导致弯曲正应力、扭转剪应力、拉伸正应力和钻柱振动不断加强是引起裂纹进一步扩张而形成断裂的主要原因.从引起钻具失效原因出发,经过多年探索和现场实践,总结出通过增加油基钻井液柴油含量和pH值等方法能够降低钻杆磨损和减弱腐蚀,降低井眼狗腿度和打高黏度钻井液清扫井底能够降低钻杆所承受的各种应力,软扭矩系统与井底减震器和低固相钻井液配合能够降低钻柱的振动,这些方法的综合利用能够有效减少水平井钻杆失效的频次,值得推广.

【期刊名称】《石油化工应用》

【年(卷),期】2016(035)008

【总页数】8页(P52-58,62)

【关键词】钻杆失效;钢材性能;磨损;氧腐蚀;应力分析;振动分析

【作者】赵宏波;贾进孝;李兴宝;王建平;王定峰;温美洲;孙佳才

【作者单位】中国石油长庆油田分公司第二采气厂,陕西西安710021;中国石油长

庆油田分公司长庆实业集团公司,陕西西安710021;中国石油长庆油田分公司第二

采气厂,陕西西安710021;中国石油长庆油田分公司第二采气厂,陕西西安710021;

中国石油长庆油田分公司长北项目经理部,陕西西安710021;中国石油长庆油田分

公司长北项目经理部,陕西西安710021;中国石油长庆油田分公司长北项目经理部,

陕西西安710021

【正文语种】中文

【中图分类】TE921.2

长北气田以双分支水平井开发为主，所使用的双密封台肩钻杆从接头母扣壁厚端第2扣根部断裂的事故频发，严重浪费了时间和造成了较大的经济损失。鉴于此，分析和解决水平井双密封台肩钻杆接头失效是长北气田迫切需要解决的问题之一。关于这类问题，国内外很多学者进行了广泛的研究，主要集中在应用连续梁柱理论对下部钻具组合的受力和变形进行分析［1］，而对钻杆材料性能、磨损、腐蚀、受力和变形等进行系统研究的比较少。本文首先通过对钻杆接头材料的化学成分、抗拉性质、金相组织等进行了研究，在证明材料合格的情况下，再通过对钻具磨损、化学腐蚀、钻杆受力和振动等进行分析，研究清楚了长北气田水平井双密封台肩钻杆接头失效的主要原因，摸索出了相应的消减措施，其在实践中取得了较好的效果，值得推广。

长北气田水平井主要用能克（NKK）和格兰特（Grant）公司生产的钢级为S135

的5-1/2″FH扣双密封台肩钻杆。从2005年至2015年底，总共发生了50多起

钻杆失效事故；失效特征主要表现为进入造斜段后，钻杆接头母扣壁厚端第1、2

扣螺纹根部出现横向裂缝或断裂等现象。

2.1 钻杆钢材性能分析

2.1.1 化学成分分析分别从接头断裂面上取样进行化学成分检测，结果显示两种钻杆所用钢材中磷元素和硫元素的含量均低于NS-1、API Spec 5DP-2010和SY/T 5561-2008标准要求（见表1）。证明接头所用钢材化学组成符合要求。

2.1.2 力学性能分析从两种钻杆接头母扣螺纹样品上分别取直径为6.25mm，长度为25mm的圆柱体样品在室温下做拉伸试验，在-20℃条件下进行夏比V型缺口冲击试验（见表2）。

结果表明，钻杆接头的屈服强度、抗拉强度、纵向冲击功和横向冲击功均符合NS-1标准、API Spec 5DP-2010标准和SY/T 5561-2008标准。

2.1.3 金相组织分析从钻杆接头断裂面附近取样进行金相分析，发现两种钻杆裂纹均从螺纹牙底向心部贯穿样品，裂纹周围组织与基体组织相同，均为回火索氏体，金相组织中发现A类、B类和D类非金属夹杂物，其含量均小于SY/T 5561-2008规定的标准（见表3）。

非金属夹杂物含量低和基体回火索氏体，说明钢材具有较高的强度和较好的塑性［2］。

2.2 钻杆磨损分析

长北气田目的层为山2段下部中粒到粗粒石英砂岩，石英颗粒含量在90％以上［3］。石英属于硬度极高的矿物，其在被钻井液搬运到井口的过程中，由于重力作用，钻具与井眼椭圆下部井壁或井眼中石英砂岩颗粒之间产生严重的摩擦，导致钻杆接头部位磨损严重，直径明显变小，而钻杆本体直径没有明显缩小。

接头出厂外径184.2mm，内径88.9mm，壁厚47.6mm，母扣壁厚端第2扣根部内径129.0mm，厚度27.6mm，磨损后接头外径变小，外径普遍在178mm～182mm，平均为180mm；磨损钻杆本体外径139.7mm，壁厚9.17mm，内径121.4mm（见图1）。

2.3 断口形貌分析

2.3.1 断口宏观形貌分析将螺纹根部的裂纹断面打开，裂纹断面形貌较为粗糙（见图2-A、B、C），母扣壁厚端第2扣螺纹根部裂纹形貌呈贝壳状条纹和纤维状条纹（见图2-B），第1扣裂纹断面形貌见纤维状、放射状条纹（见图2-C），钻杆表面发现大量腐蚀凹坑，坑内见棕红色腐蚀产物。

贝壳状条纹位于断裂源区，条纹与主应力方向垂直，表明断裂是由交变载荷引起的疲劳断裂［4］，纤维状条纹位于断裂的起始处，与主应力垂直，是裂纹快速扩展的标志，放射状条纹是裂纹缓慢扩张的标志，与裂纹的扩展方向一致［5］。以上特征表明长北气田水平井双密封台肩钻杆接头断裂或者裂纹起源于母扣壁厚端第2扣螺纹根部，之后向四周多次扩展，第1扣螺纹根部裂纹是由第2扣螺纹根部裂纹延伸所致，裂纹经历了多个不同的扩展-停止-扩展的发展过程。

另外，钻杆表面的腐蚀凹坑说明钻杆也存在着腐蚀现象。

2.3.2 断口微观形貌分析从钻杆接头裂纹面附近取样，清洗后采用电子显微镜对试样微观形貌进行分析，发现裂纹源区主要为沿晶断裂和解理断裂，以沿晶断裂为主（见图3a），扩展区主要为解理断裂特征（见图3b），局部有沿晶断裂特征（见图3c），裂纹扩展面上有多处二次扩展源，二次扩展源位置沿晶断裂特征较为明显（见图3d），偶见解理断裂（见图3e）。

钻杆的材料相同，其工作介质也相同，但是在裂纹发展的不同时期，裂纹断面微观形貌特征不同，说明裂纹发展的不同时期所对应的主要应力性质不同；而此种情况下沿晶断裂多由正应力的作用形成，解理断裂多在剪切力的作用下形成。

2.4 钻杆化学腐蚀分析

分别从两种钻杆表面腐蚀位置取样进行能谱分析，表明二者表面腐蚀坑内填充物主要为铁的氧化物和部分泥浆岩屑残留物（见图4a、b）；从腐蚀坑内取部分腐蚀产物进行X射线衍射分析，结果显示腐蚀产物的主要组成为Fe3O4、Fe2O3和FeO（OH）（见图4c）。