随钻测量定向接头失效形式及原因分析

孙 征

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安，710065；2.山西北方风雷工业集团有限公司，山西侯马，043013）

随钻测量定向接头失效形式及原因分析

孙 征1，2

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安，710065；2.山西北方风雷工业集团有限公司，山西侯马，043013）

随钻测量技术广泛应用于钻井、测井、地质分析等工程中，无磁随钻测量定向接头是井下随钻测量仪器的重要部件，通过研究无磁随钻测量定向接头的失效形式并加以分析，使我们从中得到了无磁随钻测量定向接头的腐蚀失效原因，并知道腐蚀失效的存在会增加接头断裂的风险率。为此我们会在日常维护中利用外观检测和超声波检测仪对设备加以检测，以排除隐患来降低事故的发生率。

无磁接头；随钻测量；腐蚀失效

1 随钻测量接头简介

随着钻井深度的不断增加和定向井、水平井的广泛应用，国内各大钻探公司都在钻井过程中配备了随钻测量仪器,提高作业精度，节约时间成本。无磁随钻测量定向接头作为系统的重要组成部分，其可靠性关系到整串井下仪器运行的成败，如果发生断裂事故，将对施工造成极大影响和损失。

在钻井过程中，无磁随钻测量定向接头承受着拉压、弯曲、冲击、扭转以及振动等复合载荷。同时，钻井液体的持续冲刷及内孔安装的循环套特殊结构使得钻井液腐蚀情况更加明显。无磁定向接头的材料，既要求有高强度和良好的延伸率等力学性能，同时还要具备耐腐蚀性和无磁性。

2 无磁随钻测量定向接头失效案例分析

通过对陕甘宁各油气区块所使用的无磁材质随钻测量定向接头共94个样本进行追踪，统计其失效实例。在这些样本中，螺纹失效样本2个，占问题样本的10.5%,磨损导致无法继续使用的共13个，占问题样本的68.5%，腐蚀失效出现裂纹的样本共4个,占问题样本的21% 。失效原因分析：

（1）螺纹失效分析。从样本数量来看，发生螺纹失效的数量占比最低，现场实际检测情况表明该失效均发生在螺纹根部，且都是磨损造成螺纹变形。相比于4145H材质接头螺纹失效比例来说，无磁材质随钻测量定向接头螺纹失效发生比例较低，对比接头标准SY/T 5200-2012标准中要求的械性能可以看出无磁材质的冲击功和延伸率值高出很多，因此很少发生螺纹断裂事故。

（2） 磨损失效分析。磨损失效的接头样本占比68.5%，占比比例最大。该部分接头样本均为长时间使用后外表面出现严重偏磨或磨损后外径过小而报废的。这种磨损是由于采用奥氏体无磁钢原材料造成的，这种奥氏体无磁钢原材料的韧性和塑性非常高但其强度和硬度并不突出，而且不能通过热处理来提高硬度和强度。在井下复杂环境的工作过程中，疲劳破坏使得无磁材质接头磨损更加明显。通常在完井提钻后检查外径尺寸判断其可否继续使用，此类磨损并不会直接导致接头断裂事故。

（3） 腐蚀失效分析。腐蚀失效的接头样本占比21%，其占比比例并不大，但是腐蚀会造成无磁随钻测量定向接头本体出现裂纹，裂纹贯穿后造成刺穿，刺穿后继续扩大最终会导致断裂事故。因此这种失效类型是最危险的，需特别注意。

3 常见无磁随钻测量定向接头腐蚀失效实例

3.1 刺穿处外观

此批无磁随钻测量定向接头批样本中最为典型的腐蚀失效实例是腐蚀造成裂纹并刺穿，该样本接头外径165mm，长度595mm，材质为W1813N。外表面裂纹长85mm，刺孔位于接头中部，距母扣端面193mm处。将该样本接头切开后发现内壁处刺孔略大于外表面，内壁裂纹长93mm。

3.2 理化检验及金相分析

依据SY/T 5200-2012标准，取样进行拉伸、冲击和硬度试验。纵向棒状拉伸试样标距内直径为φ12.5mm，标距内长度为65mm，试验结果见表1。2#、3#屈服强度均不符合SY/T 5200-2012标准要求。在样本接头裂纹处横向切取式样进行金相分析，在金相显微镜下观察裂纹扩展情况，裂纹起于内壁向外壁扩展，并最终刺穿。

表1 刺穿部位取样械性能检测结果

3.3 综合分析

根据试验结果，该无磁随钻测量定向接头裂纹内壁长于外壁，裂纹起始于内壁向外壁呈沿晶扩展，属于应力腐蚀裂纹。根据腐蚀裂纹情况推断该无磁随钻测量定向接头径向裂纹是由于钻井液含盐量浓度高腐蚀所致。同时，该腐蚀裂纹使得周围机械性能急剧降低，该区域存在很高断裂风险。

4 结论及建议

（1）无磁随钻测量定向接头在使用过程中常见的失效形式为磨损失效、螺纹失效和腐蚀失效。

（2）钻井液含盐量浓度高易导致无磁材质随钻测量定向接头发生腐蚀失效。

（3）磨损失效和螺纹失效在常规维护过程中相对易于排除隐患。腐蚀失效危险性高，需要在钻具维护过程中仔细检查外观并使用超声波探伤仪检测内部有无缺陷，尽早消除安全隐患。

[1]孟庆瑜.无磁钻具磨损机理及防护措施研究[D].中国石油大学.2011.

[2]朱荣东,陈平,夏宏泉,石晓兵.钻铤螺纹的有限元分析及应力分散槽优化设计[J].西南石油大学学报(自然科学版).2008(02).

[3]王永江.钻具失效的无损检测[J].无损检测.2010(10).

MWD orientation joint failure mode and causal analysis

Sun Zheng1，2
（1. Xi’an shiyou University,Xi’an Shaanxi,710065；2.Shanxi North Fenglei Industry Group Co.，Ltd.,Houma Shanxi,043013）

Measurement while drilling technique is widely used in drilling、Well Logging and geological analysis engineering,nonmagnetic MWD orientation joint is an important part of the MWD system,We study the failure mode of MWD orientation joint and get the causes of corrosion failure，corrosion failure increases the risk of breakage。We will strengthen the test in our daily work to reduce accident rate。

Nonmagnetic MWD joint;MWD;Corrosion failure