某井S135钢级钻杆挤扁原因

高斌强， 陈 猛， 赵 梅

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

随着高强度钻杆的成功研发和钻井技术的进一步发展，钻井的深度、水平段的长度等都有了大幅度的提高[1]。相关数据统计发现，2000年以前，我国超过7 000 m以上超深井的数量仅为3口，2010年前只有19口，到2020年，已超过600口。为了减少起下钻时间，提高钻井安全和效率，现在大部分井区采用“一卡一吊”的起下钻作业方式，起下钻时通过给卡瓦施加一个横向载荷使其咬入钻杆表层，通过摩擦力克服钻杆的重力载荷。随着井深越大，井下的钻具所受重力也会越来越大，井口卡瓦对钻杆的夹紧力也必然会增加，卡瓦咬入的区域通常在距离钻杆接头母端600～900 mm的区域内，在该区域内留下的卡瓦咬痕或者划痕经常会引发钻杆发生刺漏现象[2-4]，当卡瓦对钻杆的径向应力超过钻杆的挤毁强度时，钻杆将会发生塑性变形而失效[5-6]。某井发生了多次钻杆挤扁变形现象，笔者取回了部分失效钻杆并结合实际工况对其进行检验和分析，以期类似事故不再发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

钻杆的宏观形貌如图1所示，一件管体有明显的塑性变形，为失效钻杆；另一件无明显损伤，为同批未失效钻杆。钻杆规格为φ139.7 mm×9.17 mm，钢级为S135，该批钻杆的订货标准为API Spec 5DP-2009。

图1 钻杆样品宏观形貌Fig.1 Macro morphology of drill pipe samples

为了便于表述，将失效钻杆管段取名为1号试样，未失效钻杆管段取名为2号试样。经观察，1号试样发生了塑性变形挤扁，在挤扁区域的圆周外表面可见牙痕损伤，如图2所示。这些牙痕损伤分布在整个圆周表面，与起下钻过程中卡瓦咬伤痕迹吻合。对失效钻杆挤扁部位进行测量，最大直径为146.07 mm，最小直径为135.27 mm，未变形处的直径为139.97 mm。对未变形处的管体壁厚进行测量，管体壁厚平均值为9.93 mm。

图2 1号钻杆试样挤扁变形宏观形貌Fig.2 Macro morphology of No. 1 drill pipe sample after flattened deformation

仔细观察1号试样挤扁变形区的整个圆周形貌，可发现钻杆管体挤扁变形不均匀，一侧变形严重，另一侧近乎没有变形，呈近纺锤形，如图3所示。从图3还可以看出，在变形区的内壁，涂层已损坏、破裂甚至剥落。整个圆周外表面上的卡瓦咬痕深度并不相同，在变形量大的两侧咬痕深，而在变形位置对应的另一侧位置则咬痕浅，如图4所示。将外表面的卡瓦咬痕，按顺时针方向进行编号，1号咬痕和2号咬痕分别位于最大形变区的两侧，其中，1、2、3、5号咬痕所在位置的钻杆内表面，涂层均有不同程度的损伤。

图3 挤扁变形区截面宏观形貌Fig.3 Macro morphology of cross section of flattened deformation zone

图4 挤扁区外表面的咬痕宏观形貌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 化学成分分析

分别从1号和2号钻杆试样上取样，采用ARL 4460 OES型直读光谱仪对其进行化学成分分析，结果见表1。可见钻杆管体材料的化学成分符合API Spec 5DP-2009标准的要求。

表1 钻杆材料的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the drill pipe material (mass fraction) %

1.3 力学性能试验

1号试样已经发生了严重的变形，所以其拉伸和冲击试样无法取样。根据API Spec 5DP-2009标准，从2号试样上取全壁厚板条拉伸试样、V型缺口夏比冲击试样，从1号和2号试样上取全壁厚圆环硬度试样。分别采用WAW-600型电液伺服万能试验机、JBN-300型摆锤冲击试验机和600MRD型数显洛氏硬度计进行拉伸、冲击和硬度试验，试验结果见表2和表3。由试验结果可知，与挤扁钻杆同批次生产的2号钻杆材料的拉伸性能、冲击吸收能量符合API Spec 5DP—2009标准要求；1号钻杆试样

表2 钻杆试样的拉伸性能和冲击吸收能量Tab.2 Tensile properties and impact energy absorption of the drill pipe sample

表3 钻杆试样全壁厚圆环硬度测试结果Tab.3 Hardness test results of full wall thickness ring of the drill pipe samples HRC

和2号钻杆试样在整个圆周的截面硬度相近，1号钻杆在挤扁变形区的硬度与其他区域的硬度没有明显差异，比较均匀。

1.4 金相检验

分别从1号钻杆试样变形处和2号钻杆试样管体上取金相试样，依照GB/T 13298-2015《金属显微组织检验法》对其进行金相检验，金相试样用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液浸蚀，然后在GX51型倒置金相显微镜下观察横截面显微组织形貌，如图5所示。1号钻杆变形处的显微组织与2号钻杆管体材料的显微组织相同，均为回火索氏体，晶粒度为10级。

图5 钻杆试样的显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of the drill pipe samples: a) the No.1 drill pipe; b) the No.2 drill pipe

在图3和图4所示的1号钻杆试样沿整个圆周标注的1、2、3、4、5号咬痕位置取样，进行金相检验和咬痕深度分析，金相试样用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液浸蚀，然后在GX51型倒置金相显微镜下观察横截面显微组织形貌，分析结果见表4。可见咬痕处的组织均发生了变形，但组织无异常，均为回火索氏体。

表4 不同区域咬痕的微观分析结果Tab.4 Micro analysis results of bite marks in different zones

2 分析与讨论

2.1 材料质量

通过对失效钻杆试样和同批次钻杆试样的分析可知，钻杆的化学成分和力学性能符合API Spec 5DP—2009的要求，失效钻杆挤扁变形处的硬度和组织无异常，表明钻杆挤扁与材料无关。

2.2 卡瓦夹持

卡瓦是钻井作业中钻具起下钻时常用的井口工具，139.7 mm钻杆使用的卡瓦实物图见图6a)，结构示意图见图6b)。由图6可知，卡瓦由3页卡瓦体组成，每页卡瓦体上分布有3列牙板，每列牙板间的间距为10 mm。中间卡瓦页与左、右卡瓦页间的牙板间隙为30 mm。当卡瓦坐挂钻杆时，卡瓦上的各牙板与管体均匀接触，在钻杆本体外表面留下均匀的咬痕，即各牙板受力均匀，图6c)所示为现场试验卡瓦与钻杆管体正常接触时在管体留下的咬痕形貌。

图6 139.7 mm钻杆卡瓦结构特点和工作时状态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

卡瓦牙板对钻杆夹紧的示意图如图7所示，挤扁失效的区域在左右两侧牙板的中间，如图中所示。对失效钻杆的牙板咬痕进行观察，可观察到3页卡瓦页对应的牙板咬痕并不均匀，且每一页卡瓦上的3列牙板的咬痕也不均匀，甚至沿管体轴向方向，每一列牙板的不同牙板的咬痕也不均匀，如图8所示。图8a)和b)所示的为变形位置左、右侧牙板咬痕，3列牙痕中两侧的牙痕较深，中间列较浅，且每一个牙板沿圆周方向的每个牙齿的咬痕也是由深到浅。图8c)所示为变形位置对面的卡瓦页所留下的咬痕，可以看出，这页牙板的3列牙痕是中间列深，两侧列浅。

图7 钻杆在卡瓦中的示意图Fig.7 Schematic diagram of the drill pipe in the slip

图8 挤扁钻杆的卡瓦牙板咬痕宏观形貌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

咬痕的深浅直观表现了卡瓦上牙板与管体的接触应力情况，接触应力越大，对管体的咬痕越深。同时，钻杆管体在整个圆周的咬痕深度的差异，说明钻杆管体与卡瓦牙板间的接触不均匀，咬痕深的区域，接触应力大，管体承受的外挤压力大。金相检验结果显示两侧牙板的咬痕深度较深，其中1号、2号、5号咬痕为左右两侧的牙板留下的最深咬痕，平均深度约0.88 mm；中间的牙板咬痕相对要浅一些，其中3号、4号咬痕为该中间牙板留下的最深咬痕，平均深度约0.48 mm。两侧牙板的咬痕深度是中间牙板咬痕深度2倍左右，说明挤扁失效钻杆在服役时卡瓦左右两侧的牙板对其施加的径向应力要比中间牙板对钻杆的径向应力大得多。

2.3 卡瓦夹持钻杆受力分析

依据API NS-1、DS-1标准5.12可以得知，井下钻柱悬质量产生的单元拉升应力St会形成环向应力Sh，环向应力为很多因素的函数，如卡瓦长度、卡瓦和卡瓦座之间的摩擦因数、管体外径、所用设备的情况以及其他的因素。定义Sh/St为这些因素组合条件下的卡瓦挤坏常数。

确定避免卡瓦挤坏时的承载能力足够，首先用下式确定钻杆的有效承载能力：

(1)

式中：ESCC为有效承载能力；SCC为额定承载能力；DF为拉伸系数。

不发生卡瓦挤坏可接受的载荷条件必须满足下式：

(2)

式中：F拉伸为拉伸载荷。

S135钢级钻杆的额定承载能力为357 000 kg(查DS-1标准得到)。根据式(1)和式(2)可得，有效承载能力约为310 500 kg，136 000 kg×1.27=173 000 kg≤310 500 kg。

计算结果说明当时井下钻具的悬质量满足卡瓦挤坏的承载能力。但是，这种计算是基于钻杆和悬挂装置良好，卡瓦和管体整个接触面载荷分布均匀。本次钻杆外壁从宏观分析和微观分析都表明了卡瓦和管体整个接触面载荷分布是不均匀的，这会降低卡瓦系统的承载能力。设定卡瓦牙与钻杆之间的摩擦因数为μ，卡瓦对钻杆的径向作用力为F，井下钻具悬重为G，当钻杆坐在卡瓦座上时满足公式：

G=μ·F

(3)

在式(3)中，径向作用力F为3个卡瓦牙板对钻杆的径向作用力之和，左侧牙板、右侧牙板和中间牙板的对钻杆的径向作用力分别为F1、F2、F3，那么则有：

F=F1+F2+F3

(4)

每个牙板与钻杆管体的理论接触面积为S，中间牙板对钻杆的总体咬痕深度较浅，说明当时F3较低，为了保证平衡，F1和F2会增大。同时由于接触不均匀，左侧牙板和右侧牙板与钻杆外壁的实际接触面积S0要小于S。同时，由于牙板使用时间较长，牙板磨损较为严重，导致牙板局部区域的接触力也是分布不均匀的，最后在在牙板较为突出的区域会对钻杆形成较大的应力，并且超过了钻杆的屈服强度[7-9]，使得钻杆在该区域发生塑性变形。

3 结论及建议

钻杆发生挤扁失效的原因为钻杆在钻台坐卡过程中，管体与卡瓦之间的啮合接触不均匀，局部的接触应力超过了钻杆管体的屈服强度而使钻杆管体发生塑性变形，卡瓦牙板磨损较为严重是导致卡瓦对钻杆的应力分布不均匀的主要原因。

建议使用的卡瓦与钻杆规格要相对应，避免卡瓦内径与钻杆外径不同；避免新旧牙板混装使得钻杆受力不均匀；避免使用已经坏掉的牙板；保证卡瓦与钻台补芯配合；保证井眼轴线与井架中心线在同一轴线上。