S135钻杆管体刺穿失效分析

张 乐，杨 鹏，赵 旭，刘文红，施宜君，徐培林

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司 陕西 西安 710077； 2.中国石油长庆油田采气六厂 陕西 西安 710018； 3.南通永大管业股份有限公司 江苏 南通 226000)

0 引 言

随着石油勘探开发技术的发展，在油气田有很多深井、超深井和大位移井，因此对钻具等钻采设备提出了更高的要求。钻杆应用于油气开采过程中，在使用过程中承受多种载荷，如内压、外压和扭转弯曲等。在复杂工况的综合作用下, 钻杆失效事故频发[1-4], 严重影响钻井进度。所以开展钻具的失效分析工作,提出预防措施，对钻井工作的安全具有重要意义[5-7]。本文对西部某油田S135钻杆管体刺穿失效事故进行试验分析,以确定其刺穿失效的原因，从而 预防此类事故的再次发生。

1 事故概况

失效钻杆管体用于西部某油田，其规格为Φ114.3 mm×8.56 mm,钢级为S135。该钻杆在下钻作业过程中，钻井工作人员在钻井平台发现泵压降低了5 MPa，于是停止钻进，进行起吊钻柱作业。在起钻过程中，发现在井深1 500 m位置的钻杆管体出现了刺穿。刺穿钻杆下部的钻柱长度为3 000 m。

2 宏观分析

刺穿钻杆管体宏观形貌如图1所示。对图1中的刺穿失效样品进行测量，其长度为630 mm，外径为114.3 mm，壁厚为8.56 mm。钻杆外表面失效处有打磨痕迹，存在两条清晰的裂纹，且刺孔位于其中一条裂纹的中央位置。经过测量，穿过刺孔的裂纹长度为65 mm，刺孔大小为25 mm×13 mm。将该钻杆样品纵向剖开，钻杆内壁涂层光滑无腐蚀现象，内表面刺孔大小为25 mm×12 mm，如图2所示。在该失效钻杆试样刨开前，用磁粉探伤仪对其外表面进行无损探伤，除其外表面可见2处裂纹外，未发现其它超标缺陷。

图1 刺穿失效钻杆管体样品宏观形貌

图2 失效钻杆管体内表面刺孔宏观形貌

3 理化性能分析

3.1 化学成分分析

从刺穿失效钻杆管体上取样，用直读光谱仪进行化学成分分析。

刺穿失效钻杆管体化学成分分析结果见表1。从表1可见，该失效钻杆管体的化学成分分析结果符合API Spec 5DP—2020《钻杆》标准的要求。

表1 化学成分分析结果(质量分数) %

3.2 力学性能分析

从失效钻杆管体上分别取样，进行拉伸和冲击试验，试验结果见表2和表3。从表2和表3可见，钻杆管体的拉伸性能和夏比冲击试验结果均符合API Spec 5DP—2020《钻杆》标准的要求。

表2 拉伸性能试验结果

表3 夏比冲击试验结果

3.3 金相分析

在失效钻杆管体部位取样进行金相分析，其刺孔附近金相组织为回火索氏体,晶粒度为10.5级,非金属夹杂物为A0.5、B0.5、D0.5。在管体刺孔附近裂纹尖端取纵向试样进行金相分析，试样经抛光后，其金相组织为回火索氏体，如图3所示。从图3可见，裂纹两侧存在明显的脱碳层，裂纹中存在灰色物质。

图3 裂纹两侧的脱碳层

3.4 裂纹中的物质微观分析

将刺孔处的裂纹打开，在扫描电子显微镜下观察，该裂纹表面覆盖着一些灰色物质，对这些灰色物质取样进行能谱分析，结果如图4所示。从图4可见，裂纹表面的主要组成元素为Fe、O、Si、Al、Ca、Ba和Mn 元素，由此可见，裂纹表面的灰色物质主要为铁的氧化物和部分泥浆、岩屑的残留物。

图4 裂纹表面灰色物质能谱分析结果

4 失效原因综合分析

以上试验分析结果表明，刺穿失效钻杆管体的化学成分分析、拉伸性能试验和夏比冲击试验结果符合API Spec 5DP—2020《钻杆》标准的要求。将刺孔处的裂纹面打开，在扫描电子显微镜下分析裂纹表面的灰色物质的化学成分，裂纹表面的主要组成元素为Fe、O、Si、Al、Ca、Ba和Mn,说明裂纹中的灰色物质为铁的氧化物和部分泥浆、岩屑的残留物。

金相分析结果表明, 刺孔处的裂纹两侧存在明显的脱碳层。脱碳是钢在加热过程中表面碳含量降低的现象，主要是钢中的C在高温下与氢或氧发生作用生成CH4或CO[8-9]，说明钻杆生产制造时产生了该裂纹，即该钻杆管体在轧制过程中发生了开裂。由于该钻杆管体中存在生产制造时产生的原始裂纹缺陷，因而在使用过程中由于交变载荷及高压泥浆的作用,该原始裂纹逐渐扩展并最终穿透管壁使钻杆管体刺穿失效。

5 结论与建议

1)钻杆管体的化学成分分析、拉伸性能和夏比冲击试验结果符合API Spec 5DP—2020标准的要求。

2)钻杆管体刺穿失效的原因是其管体存在生产制造时产生的原始裂纹缺陷。

3)建议钻杆下井使用前对其管体进行无损探伤。