钻杆内螺纹接头胀扣失效事故分析

钻杆内螺纹接头胀扣失效事故分析

1陆相中基碳钢钻头的胀扣失效一家开挖公司发生了多起#127mm垂直钻头上螺旋窗密封坍塌的事故。发生事故的油井设计深度为4855m,使用ø127mmS13518°台肩钻杆,上扣扭矩为49kN·m。在井深2500m内,在不同井段提钻时都发现钻杆内螺纹端有不同程度的胀扣失效现象,甚至出现了卡死。钻具组合为:ø311mm钻头+730×730转换接头+ø229mm钻铤2根+ø311mm稳定器1个+731×630转换接头+ø203mm螺旋钻铤6根+631×410转换接头+ø178mm螺旋钻铤9根+ø127mm钻杆97根。钻井参数为:钻压为160~260kN,泵压为25~27MPa,转速为120r/min。2实验分析2.1钻杆接头胀扣失效位置沿纵向剖面形貌根据现场调研资料,该批钻杆内螺纹接头胀扣失效表现为内螺纹密封台肩面下陷,接头外径胀大,部分外螺纹接头密封台肩面在大扭矩的作用下进入内螺纹接头镗孔段发生卡死现象。经测量,发生胀扣失效的内螺纹接头外径为177.12mm,远远超过SY/T5290-2000《石油钻杆接头》标准规定的外径尺寸168.28±0.8mm。将钻杆接头胀扣失效位置沿纵向剖开,其剖面形貌如图1所示。由图1可以看出,内、外螺纹接头密封台肩面已发生严重的塑性变形,内螺纹接头的内壁上明显可见挤压和摩擦痕迹,在外螺纹接头密封台肩处,多出了1个截面为直角三角形的周向环。在此周向环的整个外圆周面上,可见明显的挤压和磨损痕迹,这与内螺纹接头内壁的形貌相匹配。由此可以确定,外螺纹接头密封台肩处的三角形周向环是从内螺纹接头的密封台肩面上剪切剥离下来的。从内螺纹接头胀扣失效形貌来看,内螺纹接头的密封台肩面已严重变形,由平面变为斜面。从该批钻杆内螺纹接头密封台肩面的下陷形貌可知,外螺纹接头密封台肩面的倒角直径明显小于内螺纹接头密封台肩面的倒角直径。经测量,内螺纹接头密封台肩面的有效壁厚为9.0mm,而外螺纹接头密封台肩面的有效壁厚仅为4.5mm,即内、外螺纹接头密封台肩面接触时,内螺纹接头密封台肩面只有一半的承载面积与外螺纹接头的密封台肩面进行接触。2.2分析的弱化在钻杆接头上取样进行化学成分分析,结果见表1。试验结果表明,失效钻杆内、外螺纹接头的化学成分符合SY/T5290-2000标准。2.3拉伸试验和冲击试验结果在钻杆内、外螺纹接头上分别取直径为12.5mm、标距为50.8mm的纵向圆棒拉伸试样,10mm×10mm×55mm的纵向和横向V型缺口冲击试样,做拉伸和冲击试验以及硬度测试,试验结果见表2。从表2可知,失效钻杆内、外螺纹接头的力学性能符合SY/T5290-2000标准。2.4次退火产生的白亮层组织在钻杆接头胀扣处取样,观察内部显微组织形貌,内、外螺纹接头组织均为回火索氏体,晶粒度为9.0级。内螺纹接头镗孔段内壁组织有明显的白亮层组织和基体组织变形(图2)。白亮层组织为二次淬火马氏体组织,白亮层的产生主要是由于在使用过程中接触面之间的剧烈摩擦产生大量的摩擦热,使得接触面的温度瞬间剧烈升高,达到相变温度以上,高温状态的接触面接触高压钻井液,发生淬火,从而形成二次淬火马氏体白亮层组织。靠近台肩端面螺纹牙的牙顶和牙侧面也都有明显的白亮层组织,外螺纹接头密封台肩端面也有明显的白亮层组织和基体组织变形(图3)。内、外螺纹接头密封台肩面区域的白亮层组织和基体组织变形表明,在内螺纹接头胀扣变形失效的过程中,内、外螺纹接头密封台肩面之间发生过剧烈的挤压、剪切和摩擦作用,产生了大量的摩擦热,使得表层组织发生相变。这与前述宏观形貌分析结果相符。3失败原因分析3.1外螺纹接头密封台肩面倒角直径偏小失效钻杆外螺纹接头密封台肩面的倒角直径比内螺纹接头密封台肩面的倒角直径约小9.0mm,内螺纹接头密封台肩面的实际承载面积仅为整个密封台肩面的50%。而SY/T5290-2000标准规定,内、外螺纹接头密封台肩面倒角直径的尺寸偏差为±0.4mm。钻杆在使用过程中,接头处的密封是通过一定的上扣扭矩使密封台肩面产生一定的接触压力来保证的。外螺纹接头密封台肩面的倒角直径偏小,一方面将使内螺纹接头密封台肩面的有效承载面积减小,另一方面使得承载面的应力向内壁偏移。在钻进过程中,这将使得靠近内壁承载面上的接触压力成倍增大。当内螺纹接头密封台肩面承受的接触压力超过材料屈服强度时,会下陷变形,外螺纹接头密封台肩面在大扭矩的作用下进入内螺纹接头镗孔段,造成内螺纹接头胀扣失效。3.2事故工况下钻柱的驱动扭矩正常钻井的扭矩载荷是不足以引起钻杆接头胀扣损坏的,导致井下扭矩过大的原因主要是大井眼钻井和突发的卡钻、憋钻事故。发生事故的井钻进时选用的钻头直径较大,达311mm,相应钻杆所承受的驱动扭矩就较大。该井在钻进过程中累计发生卡钻和憋钻事故5次,当发生事故时,钻柱转速迅速减慢,甚至停止转动,钻柱瞬间会产生非常快的角加速度,相应钻杆接头承受的反向扭矩将会瞬间增大。扭矩的增大使得钻杆接头密封台肩面所承受的接触压力增加,从而加速了内螺纹接头胀扣失效的发生。3.3牙轮钻头引起内螺纹接头胀扣失效的原因该井使用的是牙轮钻头。当井底不平或岩性发生变化时,牙轮钻头将引起钻柱纵向振动甚至跳动,这使得钻柱密封台肩面承受的应力瞬间增大,尤其是靠近中性点部位的钻杆接头台肩面,这加剧了内螺纹接头胀扣失效。3.4封台肩面接触压力造成塑性失效如果连接钻杆时的上扣扭矩不足,钻杆接头密封台肩面没有足够的接触压力,在钻井过程中钻杆接头会因井下因素引起的上扣扭矩而自行上扣,从而使得钻杆接头密封台肩面接触压力剧增而超过其屈服强度,最终引起塑性下陷和胀扣失效。如果钻杆连接时上扣扭矩为标准值,当转盘扭矩在一定范围内增加时,密封台肩面之间的静摩擦力可以阻止钻杆接头在井下自行上扣。该井钻杆实际上扣扭矩为49kN·m,小于APIRP7G标准推荐的上扣扭矩值51.58kN·m。因此,可以排除钻杆接头是因连接上扣时扭矩过大损坏的可能性,同时也说明存在由于上扣扭矩偏小,钻杆接头在井下自行上扣导致内螺纹接头胀扣失效的可能。4外螺纹接头密封台肩面为硬脆材料,导致承载面应力1)失效钻杆内、外螺纹接头材料性能符合SY/T5290-2000的标准要求。2)内螺纹接头密封台肩面承受的接触压力超过材料屈服强度,从而导致其发生下陷变形,外螺纹接头密封台肩面在大扭矩的作用下进入内螺纹接头镗孔段,进而引起内螺纹接头