Φ127 mm G105钻杆管体刺漏形成原因分析*

陈 猛，欧阳志英，余世杰

(上海海隆石油管材研究所 上海 200949)

0 引 言

钻杆是钻柱系统的重要组成部分，起着传输动力输送钻井液的作用。在一些定向井或者水平井钻进过程中钻杆外壁与井壁会发生摩擦、磨损，经常会被一些质地较为坚硬的岩石划伤，例如一些井内含有物相质地较为坚硬的SiO2(石英)和Al2O3(刚玉)时，其岩石颗粒硬度可达到莫氏硬度6～7，而一般情况下钢制钻杆的莫氏硬度在4～5之间，这种岩石会对钻杆外壁造成严重的划伤现象。钻杆外壁出现周向的划伤缺陷后，在划痕的底部会出现较大的应力集中现象，而钻杆在服役过程中要承受拉、压、弯、扭等复合交变载荷，极易在划痕底部诱发萌生疲劳裂纹现象，最后裂纹快速扩展造成钻杆发生早期疲劳刺穿、断裂失效[1-3]。

某井一钻杆在服役过程中发生了刺漏现象，样品宏观形貌显示刺漏周围有明显的周向划痕。刺漏钻杆尺寸为Φ127 mm(外径)×9.19 mm(壁厚)，钢级为G105，材质为27CrMo，工艺状态为调质热处理。

1 宏观分析

1.1 失效钻杆样品宏观形貌及测量

失效钻杆样品整体形貌如图1所示，总长度约1.3 m，钻杆表面有黄色的锈蚀产物，在样品的中间有一周向的刺孔，刺孔周向长度约45 mm，轴向宽度约9 mm，如图2所示。分别在样品的两端和刺孔附近测量其外径，测量结果值相近，约127.2 mm，并且样品两端的壁厚值也相近，约9.17 mm，初步推断刺孔位于钻杆管体上。

图1 样品宏观形貌

图2 刺孔宏观形貌

将刺孔周围的红色标记及锈蚀产物用砂纸打磨掉，发现沿着刺孔周向有延伸的小裂纹，并且在刺孔的左上方有一条较为明显的划痕，划痕周向长度约52.0 mm，如图3所示。剖开钻杆，发现钻杆内壁涂层及刺孔周围的涂层完好，内壁刺孔周向长度约38.0 mm，如图4所示。宏观形貌分析表明刺孔起源于外壁，与刺孔外壁的周向划痕有直接的联系[4]。

图3 刺孔宏观形貌及划痕

图4 内壁刺孔形貌及涂层

1.2 磁粉检测

对失效钻杆样品进行磁粉分析，分析结果如图5所示，结果表明刺孔其他区域无明显的缺陷，沿着刺孔周向有延伸的小裂纹。刺孔左上方的划痕这里并没有显示出来，这是因为划痕紧挨着刺孔并且与刺孔周向平行，磁化效果太弱，划痕未能检测出来。

图5 磁粉检测结果

2 理化性能分析

2.1 化学成分分析

用ARL 4460 OES直读光谱仪对失效钻杆进行化学成分分析，分析结果见表1，分析结果表明送检失效钻杆样品的化学成分符合API Spec 5DP—2009标准要求。

表1 化学成分分析结果(质量分数) %

2.2 力学性能试验

根据API Spec 5DP—2009标准，在送检的样品上远离刺漏点取宽25 mm的板拉伸试样，取10 mm×7.5 mm×55 mm的CVN冲击试样(纵向)，取10 mm厚的圆环硬度片，按照标准ASTM A370、ASTM E23及相关国家标准分别采用WAW-600电液伺服万能试验机、JBN-300摆锤冲击试验机和600MRD数显洛氏硬度计进行试验，试验结果见表2和表3。力学试验结果表明送检的失效钻杆的拉伸性能、冲击性能及硬度符合API Spec 5DP—2009标准PSL-1要求。

2.3 金相分析

依照标准GB/T 13298—2015对送检钻杆进行金相分析，失效钻杆的金相组织为回火索氏体，晶粒度等级为8.5，夹杂物评级结果为A0.5，B1.0，C0.5，D0.5。

表2 失效钻杆的拉伸性能和冲击性能

表3 钻杆硬度试验结果(HRC)

对刺孔上方的划痕取金相试样进行金相分析，垂直于划痕(周向长度的中间部位)取金相试样，观察面为纵截面。将金相试样磨抛后放在显微镜下进行观察，发现划痕垂直深度约150 μm，如图6所示；在划痕底部有延伸的裂纹，裂纹扩展较为平直，裂纹两侧的组织形貌为回火索氏体，无脱碳现象，裂纹内部有黑色的腐蚀产物，裂纹尖端存在圆钝的小区域，内部有黑色的氧化物，裂纹在划痕底部垂直深度约90 μm，如图7所示。

图6 划痕底部裂纹(抛光态 100×)

图7 划痕底部裂纹微观形貌(腐蚀态 500×)

据此可以推断刺孔区域外壁很有可能存在类似的划痕缺陷，在井下服役时，划痕底部存在应力集中现象，在划痕底部易萌生疲劳裂纹，疲劳裂纹产生后会扩展较为顺速，最后形成刺穿形貌。刺孔外壁的划痕和刺孔上方的划痕底部都产生了疲劳小裂纹，刺孔区域的划痕底部裂纹由于产生较早，然后扩展较快，所以先形成了刺穿形貌，而刺孔上方的划痕底部虽然也产生了疲劳裂纹，但是疲劳裂纹萌生的较晚，主要应力集中于刺孔区域的裂纹，应力得到释放，所以刺孔上方的划痕底部扩展较为缓慢，甚至后期存在停滞现象，表现为裂纹尖端较为圆钝。

3 断口分析

用机械的方式将刺孔打开，打开后的宏观断口形貌如图8(a)所示，将断口清洗干净，中间区域为刺穿的断口形貌，表面由于经过高压泥浆腐蚀冲刷，呈现冲刷河流状的形貌，而且较为光滑，有金属光泽。断口最边缘，即最右侧银灰色断口为新打开的断口形貌。在刺穿断口区域与新打开的断口区域有一扇形的平台，扇形靠近外壁要宽，收缩于内壁，扇形平台表面存在黑色的氧化物，该区域为刺孔侧边延伸裂纹断口形貌，裂纹未完全刺穿，受到泥浆的侵蚀作用，此平台与新打开的断口交界的区域为裂纹的扩展的尖端，裂纹在该区域随着钻杆在井下旋转弯曲作用而交替扩展，刺孔也随之逐渐增大[5]。

用扫描电镜观察裂纹尖端的断口形貌，发现该区域裂纹存在疲劳裂纹条纹形貌，如图8(b)所示。

图8 刺漏断口整体与局部微观形貌

刺孔边缘裂纹及刺孔形成的过程中裂纹的扩展是以疲劳的方式进行的。随着疲劳裂纹的扩展划痕底部的裂纹快速延伸至内壁形成刺穿，而后钻杆内壁的高压泥浆沿着刺穿的裂纹喷射到钻杆外壁，此时刺孔裂纹表面会受到泥浆的高速冲刷作用，刺穿的裂纹会逐渐张大(轴向宽度变大)，刺孔周向随着疲劳裂纹扩展，刺孔周向长度逐渐变长，最终形成送检样品刺孔形貌[6]。

4 综合分析

4.1 理化性能

刺漏钻杆的理化性能符合API Spec 5DP—2009标准要求，排除由于钻杆理化性能不合格引起本次刺漏产生的可能性。

4.2 刺漏产生的过程

首先，宏观分析显示钻杆外壁紧挨着刺漏有一条与刺漏互相平行的划痕，划痕周向长度52 mm，经过金相分析得知划痕深度约150 μm，而且在划痕底萌生了一条疲劳裂纹，裂纹深度约90 μm(以划痕底部为基准)。根据划痕的形貌特点可以推断出该划痕是由外力作用形成的，划痕形成后由于划痕周向长度较长，而且，钻杆管体由于刚度较小在井下易发生弯曲，划痕在旋转弯曲作用力下其底部会产生明显的应力集中作用，易在划痕底部萌生出疲劳小裂纹，划痕底部的裂纹金相分析已经证实了这一点。

其次，根据刺孔打开后的宏观分析及刺孔断口分析，发现刺孔起源于钻杆外壁，而且与刺孔上方的划痕及裂纹与刺孔平行，据此可以推测刺孔位置原始外壁也可能有类似的划痕，钻杆在服役过程中受到旋转弯曲作用后，划痕底部有明显的应力集中作用，在划痕底部萌生了疲劳裂纹。

因此，可以推测该失效样品管体上外壁起初有两道平行的划痕(划痕1和划痕2)，划痕1刺孔上方与刺孔平行的划痕；划痕2为刺孔区域外壁的划痕，但已经被冲刷腐蚀掉。根据样品的宏观分析和金相分析可得到两道平行的划痕相距约0.7 mm，划痕1轴向长度约52 mm，宽度约0.5 mm，划痕底部为圆弧形貌，划痕1深度约0.15 mm。因为划痕2裂纹扩展速度较快，并且形成了刺穿，所以可以判定划痕2深度要比划痕1深度要大，为了便于后面的有限元分析，我们设定划痕2的深度约0.25 mm，其余参数皆与划痕1相同。

钻杆服役时受到旋转弯曲复合载荷的作用，很容易在钻杆周向的划痕底部产生疲劳裂纹，但是由于划痕2深度较大，应力集中更加明显，疲劳裂纹的萌生和扩展会更加容易，此处会较为优先形成疲劳裂纹并且快速扩展。划痕1底部也会存在应力集中现象，在旋转弯曲复合载荷作用下其底部也会萌生疲劳裂纹。但是由于划痕2应力集中比划痕1要明显，所以划痕2底部裂纹扩展较快，该部分管段的应力得到释放，裂纹深度继续增加使得该区域的整体横截面积较小，应力水平增加，同时裂纹深度的增加应力集中效果会愈增明显，裂纹导致该区域的裂纹扩展速度越来越快，会快速刺穿钻杆壁厚，此时钻杆内部的高压泥浆沿着刺穿的裂纹冲出到钻杆外壁，裂纹经过高压泥浆的腐蚀冲刷后，刺孔会急剧地长大(轴向宽度变大，周向长度变长)。刺孔长大后该区域的主要应力会集中在延伸的裂纹上，已经刺穿的区域应力会比较小或者为0，而划痕1底部裂纹虽然前期也得到一定的扩展，但是此时由于刺孔的长大和扩展，该区域的应力会比较小，所以划痕1底部裂纹扩展出现了停滞现象，这表现为裂纹尖端较为圆钝。此次失效样品刺穿形貌的形成示意图如图9所示。

图9 刺穿形成示意图

4.3 划痕有限元分析

根据以上内容设定两道划痕的二维模型，其网格示意图如图10(a)所示。设定钻杆加载拉伸载荷为F=400 kN；钻杆受到的弯矩M=21 427 N·m(DS-1标准计算钻杆管体靠近接头处弯矩，井眼曲率3°/30 m)。图10(b)为两道划痕区域的应力分布情况，划痕1底部最大应力为371.44 MPa，划痕2底部最大应力为452.19 MPa，划痕2底部的应力水平高于划痕1底部的应力水平，这将更容易在划痕2底部萌生疲劳裂纹，裂纹的形成和扩展都会领先于划痕1底部的疲劳裂纹，最后划痕2底部的裂纹快速扩展形成了刺穿形貌。划痕1底部起初还会存在一定应力集中现象，底部的应力高于管体的平均应力，在拉、压，旋转弯曲等复合载荷作用下其底部会萌生疲劳裂纹，划痕1与划痕2相邻很近，那么大部分应力将会集中于划痕2底部，随着划痕2底部裂纹形成和快速扩展，划痕1底部裂纹区尖端的应力将会逐渐降低，划痕2底部的裂纹刺穿后划痕1底部的裂纹尖端将会变为0，此时划痕1底部的裂纹会停止扩展[7-9]。图10(c)模拟了划痕底部已经刺穿，划痕1底部裂纹已经形成(底部裂纹长度为0.5 mm)，只加载了单向轴向拉力400 kN的条件下应力分布图，应力分布结果证实了上述分析。

图10 划痕底部及裂纹应力分布

5 结论和建议

5.1 结论

1)送检失效样品的理化性能符合API Spec 5DP—2009标准要求。

2)钻杆外壁存在周向划痕是引起本次钻杆发生刺漏的主要原因。周向划痕底部存在应力集中现象，在拉、压、旋转、弯曲等复合载荷下，易在划痕底部萌生疲劳裂纹，然后快速扩展形成刺穿。

5.2 建议

对使用过的钻杆要及时清理表面泥浆，并且做好周期表面探伤，避免受损的钻杆下井使用发生早期失效现象；可对表面存在划伤的钻杆进行修磨处理，将一些尖锐的划痕打磨、修平，可避免该类钻杆下井使用后发生早期疲劳失效现象。