邝献任，邢 星，闫 湃

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司 陕西 西安 710077；2. 中国石油塔里木油田公司 新疆 库尔勒 841000；3. 西安石油大学 陕西 西安 710065)

0 引 言

随钻扩眼技术是采用随钻扩眼器和常规钻头，在全面钻进的同时扩大裸眼段尺寸，使其大于上部套管柱内径的一种钻井技术[1-3]。随钻扩眼技术的发展就是随钻扩眼工具的不断升级改造与研发应用[4-7]。在保证较高扩眼率的情况下随钻扩眼器所承受的负荷较大，从而在扩眼作业时随钻扩眼器可能发生失效事故[8-11]。根据近些年对随钻扩眼器失效分析调研，因其质量因素(冲击性能低、螺纹牙根部加工以及材料不均等)导致的失效事故呈明显下降趋势，因服役工况恶劣(增大扩眼幅度、地层软硬不均等)导致失效呈现上升趋势。

本文对一起随钻扩眼器接头螺纹断裂事故进行了失效分析，提出了改进建议。

1 失效概况

2021年3月，西部油田某井随钻扩眼器在5 296 m井深处进行扩眼作业25 h至井深5 331.03 m时，泵压突然下降，于是起钻发现UR1200随钻扩眼器接头外螺纹部位断裂。该断裂失效随钻扩眼器断裂失效前使用情况见表1。随钻扩眼器工作原理如图1所示[4]。

表1 断裂失效随钻随钻扩眼器使用情况

图1 扩眼器工作原理示意图

2 失效样品宏观形貌分析

扩眼器接头外螺纹断裂宏观形貌如图2所示。图2所示的失效样品总长度约为250 mm，外径为304 mm，外表面有明显的钳牙咬痕。断口位于扩眼器接头外螺纹大端第2～3扣螺纹牙根部，断口附近未见明显塑性变形和颈缩形貌。断口表面可分成两个区域，即平坦光滑区(约占断口表面总面积的60%)和粗糙剪切唇区(占断面约40%)，如图3所示。从图3可见，断口平坦区具有金属光泽，存在液体冲刷痕迹。剪切唇对面断口外缘，挤压痕迹明显，呈月牙形，具有典型初始起裂区特征，紧临初始起裂区。局部可见明显疲劳台阶，剪切唇区高低不平，表面粗糙，无金属光泽，为断口瞬断区。

图2 扩眼器接头外螺纹断裂宏观形貌

图3 断口表面宏观形貌

由以上宏观形貌分析表明，扩眼器接头外螺纹断裂属于典型疲劳失效，裂纹起源于外螺纹倒数第2～3扣螺纹牙根部，断口起裂区和疲劳扩展区均受到钻井泥浆的冲刷而破坏。

3 失效样品无损检测

对扩眼器接头外螺纹断口附近的螺纹表面进行荧光磁粉探伤，荧光磁粉探伤结果如图4所示。从图4可见，失效扩眼器外螺纹大端第1扣螺纹牙根部存在裂纹。

图4 扩眼器接头外螺纹断口附近磁粉检测结果

4 理化性能试验分析

分别从扩眼器本体和断口附近取样进行化学成分分析，结果见表2。结果表明，扩眼器本体和断口处的化学成分符合《塔里木油田钻工具管理与使用办法》的要求。

表2 化学成分分析结果(质量分数) %

在扩眼器本体上取纵向棒状拉伸试样(Φ12.7 mm×50 mm)和纵向及横向冲击样(7.5 mm×10 mm×55 mm)，拉伸和夏比冲击试验结果见表3和表4。从扩眼器本体和外螺纹区域取横向硬度试样，硬度测试结果见表5。

表3 室温拉伸试验结果

表4 冲击试验结果

表5 布氏硬度试验结果

拉伸性能试验结果表明，扩眼器本体材料拉伸性能符合《塔里木油田钻工具管理与使用办法》的要求。冲击性能试验结果表明，扩眼器本体材料纵向冲击性能符合《塔里木油田钻工具管理与使用办法》的要求。硬度试验结果表明，扩眼器本体和外螺纹部位材料硬度均符合《塔里木油田钻工具管理与使用办法》的要求。

在扩眼器本体和断口处取横向和纵向金相试样，对试样进行金相组织分析。对所取得金相试样进行组织晶粒度及夹杂物分析，结果见表6。从图5和表6的结果可见，金相分析结果符合《塔里木油田钻工具管理与使用办法》的要求。断口附近螺纹牙根部有裂纹，如图5所示，裂纹两侧的金相组织与本体的金相组织相同，即裂纹两侧没有脱碳层，内部可见明显的灰色物质，如图6所示。

表6 金相分析结果

图5 断口附近螺纹牙根部开裂痕迹

图6 扩眼器接头外螺纹根部裂纹形貌

5 微观分析

对扩眼器断面进行微观形貌观察和X射线能谱分析，微观形貌如图7所示，扩眼器断口表面均呈现明显划伤形貌，极少区域可见断口疲劳形貌特征。能谱分析结果表明，断口表面主要含有Fe、O、C及少量S、Si、K、Cr元素，如图8所示。螺纹牙根部裂纹内物质主要含有Fe、O、C及少量S、Si元素，如图9所示。

图7 扩眼器接头外螺纹断面形貌

图8 扩眼器接头外螺纹断口表面扩展区能谱分析结果

图9 扩眼器接头外螺纹牙根部裂纹内灰色物质能谱分析结果

6 断裂原因综合分析

由上述试验分析结果可知，扩眼器化学成分、力学性能(拉伸、冲击和硬度)以及金相组织分析中的非金属夹杂物等级、晶粒度等级等理化性能参数均符合《塔里木油田钻工具管理与使用办法》的相关要求，材料组织为回火索氏体，无异常。无损检测发现，失效扩眼器断口附近存在两处起源于外螺纹牙根部的裂纹。根据该扩眼器接头外螺纹断裂情况，现从断口宏观和微观形貌特征、扩眼器现场服役工况及接头弯曲强度比三个方面对扩眼器接头外螺纹断裂原因进行分析。

1)断裂特征分析

扩眼器接头外螺纹断口平齐(起源于外螺纹末端2～3扣螺纹牙根部)且无塑性变形，断面光滑且挤压痕迹明显，靠外壁侧有疲劳台阶，高倍下可见疲劳条带(如图7所示)。在断口附近外螺纹牙根部还发现两处与主断面相似的平直裂纹，表明扩眼器断裂为疲劳断裂，裂纹起源于内螺纹末端2～3扣螺纹牙根部。图10为该型螺纹接头受力状况的有限元分析结果，外螺纹接头受力最大点正是位于内螺纹末端1～3扣牙根部。

图10 FH型螺纹接头应力分布图

图11 断裂扩眼器牙型与正常V-050R牙型根部形貌比较图

针对钻具接头因应力集中导致易疲劳失效问题，API SPEC 7-2中指出可在接头部位加工应力分散槽，也可对螺纹根部进行冷滚压加以减缓。通常，外径≤114.3 mm的接头，由于应力分散槽会显著降低其连接强度，故不建议加工应力分散槽。该断裂扩眼器接头，外径为168 mm，可加工应力分散槽并在其表面进行冷滚压加工以提高其疲劳寿命。同时，借鉴钻铤等钻具修扣重复利用的经验，该扩眼器因长度受限，无法进行修扣处理，不利于钻井过程的成本控制。

2)服役工况分析

根据现场事故调查，扩眼器断裂后，落鱼总长为12.935 m，悬重下降约为12 kN，即该扩眼器在井内承受的最大轴向拉伸载荷为12 kN。经过力学计算，此拉伸应力低于其屈服强度。另外断裂扩眼器位于钻柱底部井深为5 296 m的位置，正常钻进时，底部钻具承受轴向压缩载荷，故轴向载荷不是导致本次扩眼器发生疲劳失效的主要因素。

该井在5 296 m遇阻，开始造台阶进行扩眼作业，且从12in(1 in=25.4 mm)扩至19 in，扩眼幅度超过50%。根据对现有钻井扩眼作业的调查，对于直井，通常扩眼幅度不超过20%，以确保扩眼作业的正常进行，同时也可有效保护扩眼工具。扩眼器在本井服役前，已进行过3口井扩眼作业，纯钻时间超过100 h，尤其是在玉科401H井，扩眼幅度超过50%，纯钻时间31.5 h。当扩眼幅度较大时，扩眼工具的载荷由正向受压变成大角度侧向受压，弯曲变大，尤其是扩眼器及相邻区域，旋转时产生大的弯曲疲劳载荷，扩眼器在外螺纹牙根部快速产生疲劳裂纹。现场钻具卡钻、憋跳严重，加剧了疲劳载荷波动和频次，加速疲劳裂纹扩展，直至发生疲劳断裂。

此外，根据现场调研结果，该扩眼器于1月23日对本体及螺纹区进行了磁粉探伤检测，按磁粉探伤检测原理，当工件表面出现磁场畸变时缺陷会显示出来。但外螺纹牙根部为形状突变点，本身就会产生磁场畸变，另外螺纹根部易残留磁悬液，均会影响缺陷显现。故在磁粉探伤时需要拥有丰富经验的技术人员或者采用其它方法进行验证才能准确判别缺陷，否则，易出现缺陷漏检情况。

3)弯曲强度比计算

根据API RP 7G标准中的规定，对该扩眼器断裂接头弯曲强度比进行计算，公式如下：

上式中，BSR为弯曲强度比，其中：

在弯曲强度比计算公式中，OD为扩眼器的外径，in；ID为扩眼器的内径，in；tpr为扩眼器的外螺纹锥度；Lpc为扩眼器的外螺纹长度，in；C为扩眼器外螺纹测量基准点处的螺纹中径，in；b为扩眼器外螺纹端部处的内螺纹根部直径，in；H为截顶前扩眼器外螺纹的参考高度，in；frn为扩眼器外螺纹的牙顶削平高度，in；denendum为扩眼器外螺纹齿高，mm。

OD=8 in，ID=4.91 in，H=0.216 in，fm=0.025 in，

Lpc=5.0 in，tpr=2.0 in

将以上数值代入上述公式中计算出扩眼器弯曲强度比为2.19∶1，符合API RP 7G的推荐要求(3.20∶1～1.90∶1之间)。

综上所述，该失效扩眼器接头外螺纹断裂属于典型的疲劳失效，疲劳裂纹起源于外螺纹末端2～3扣螺纹牙根部。经使用后的扩眼器接头外螺纹牙根圆弧底不光滑，加剧了该区域的应力集中，当扩眼幅度较大时，疲劳裂纹会加速产生并快速扩展。

7 结论及建议

1)扩眼器的化学成分、力学性能(拉伸、冲击及硬度)和金相分析中的非金属夹杂物和晶粒度等级等理化性能参数均符合《塔里木油田钻工具管理与使用办法》的要求；扩眼器金相组织为正常的回火索氏体。

2)扩眼器接头外螺纹断裂属于疲劳失效，疲劳裂纹起源于外螺纹末端2～3扣螺纹牙根部。

3)扩眼器接头外螺纹牙根部圆弧底不光滑，加剧了该区域应力集中，在较大扩眼幅度时，疲劳裂纹快速萌生，并迅速扩展直至断裂。

4)建议在扩眼器接头外螺纹处加工应力分散槽或在外螺纹牙根部进行冷滚压以提高其疲劳寿命；另外，增加扩眼器接头长度，以便后续进行修扣再利用。