川渝地区某超深井钻铤外螺纹断裂失效分析*

2022-11-29谭雷川李洪兴周效民

焊管 2022年11期

谭雷川，李洪兴，周效民，刘敏

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司川西钻探公司，成都 610051）

0 前言

在川渝地区的超深井钻井过程中，由于井眼大、开次多，大尺寸钻铤得到了广泛应用[1-3]。随着超深井向井眼轨迹复杂、钻压大、转速高、环境苛刻方向不断发展，钻铤断裂事故日益增多，严重影响了钻井工程进度[4-5]。据不完全统计，近三年来，在川渝地区某区块超深井共发生钻铤断裂15 次，累计损失钻井时间51.8 天，报废进尺382.5 m，造成了巨大的资源浪费和经济损失[6-8]。因此，分析钻铤断裂原因从而预防和减少钻铤失效事故，已经成为超深井钻井亟待解决的问题[9-12]。

某钻井队使用液压猫头对Φ279.4 mm 钻铤与730 mm×831 mm 配合接头紧扣，目标压力为10.5～11 MPa，当紧扣压力为10 MPa 时，钻铤外螺纹断裂在830 mm×731 mm 配合接头母扣内，断面距钻铤外螺纹端面2～4 cm。该钻铤尺寸为Φ279.4 mm×76.2 mm，螺纹为8-5/8 in REG，钻铤钢级为4145H。

1 断裂钻铤形貌分析

1.1 宏观形貌观察

钻铤外螺纹端所受主应力为轴向拉伸应力，同时承受上扣预紧应力、冷加工残余应力、热应力等二次应力。钻铤断口宏观形貌如图1 所示，由图1 可知，断口部位无明显塑性变形，表明断裂主要是由主应力和二次应力共同作用而引发的脆性断裂；断裂位于钻铤外螺纹根部，断口可见多处裂纹源，均出现在螺纹根部应力的高度集中区，为螺纹最末完全扣牙根底部环向表面裂纹；其次，断口有一处较为光滑的平整面，整体呈螺纹式斜面，由最高处螺旋式向下延伸，坡面较平缓，有多处断面坑和明显断裂台阶，断口边缘有多处裂纹源，沿裂纹源向内裂纹延展，分别呈现贝纹线（海滩花样）、人字纹及放射状特征，当该截面处不足以承载交变载荷以及扭矩作用时，发生瞬时断裂；此外，台肩面有大量大尺寸、分布密集的磨损坑，磨损坑呈圆形、椭圆形，尺寸大小、深度分布不均；同时，螺纹端齿牙完好，裂纹源位于齿根底部，集中在最末完全扣前3～5 扣，局部因连续多个齿根均存在裂纹形核扩展，出现沿齿根的台阶状断口。

图1 钻铤断口宏观形貌

1.2 断口特征分析

基于断口宏观形貌分析结果，使用石油醚、酒精处理断口，使用体视显微镜、扫描电子显微镜分别对断口多处裂纹源、裂纹扩展区和瞬断区进行分析，进一步研究其断裂机制。

1.2.1 裂纹源

由宏观形貌分析可知，断口有多处裂纹源，分析认为钻铤在拉伸载荷以及扭矩作用下，最末完全扣前3～5 扣应力集中，微裂纹在多个螺纹齿根的底部开始萌生，且在服役过程中缓慢扩展，尺寸较大的裂纹源区包括三个区域，如图2所示。

区域1 断口形貌如图2 （a）所示，此处断面边缘有多处凸面，进而导致此处断裂。首先产生微小断裂凸面，在应力的交变作用下，断裂面沿着边缘延伸，产生多处断裂凸面，呈发射状向两边不断增长，最终形成足够长的断裂线，在拉伸应力的作用下发生断裂，因此，此处为断口明显断裂源。

区域2 断口形貌如图2 （b）所示，此处区域是整个断面较为特殊的一处，相比其他断口部位，该区域断口光滑平整，且面积最大，分析认为此处为微裂纹最早萌生位置，承受服役期间的轴向应力和扭矩并不断发生裂纹扩展，且断面发生相对位移，从而导致光滑断口的形成。

区域3 断口形貌如图2 （c）、图2 （d）所示，由图可知，该区域的螺纹断裂源呈台阶状，且周围呈发散状的人字形纹，分析认为，此处齿根在拉伸应力作用下裂纹沿轴向力45°方向开始萌生，多个齿根裂纹同时萌生并发生扩展，使整个面的作用力不足以支撑钻铤受到的拉伸应力，从而整个面产生断裂。在断裂过程中，裂纹由螺纹边缘向内呈发散状扩展，因此认为该位置也为一处断裂源。

图2 钻铤断口裂纹源区域断口形貌

1.2.2 扩展区

钻铤裂纹扩展区宏观形貌如图3 所示，由图3可知，钻铤在A 区域处产生了较为密集的裂纹扩展形态，主要为放射状裂纹扩展形态；在B区域处产生了面积稍小但较为明显的贝纹线；在C 区域处为大面积的河流花样，此处齿根底部萌生了大量微裂纹，裂纹缓慢扩展形成较为清晰的河流花样； D 区域处呈现较为明显的人字纹。裂纹在这些区域中心沿周向内壁扩展后最终导致断裂，裂纹扩展过程中受交变应力的作用，存在明显的疲劳辉纹特征。

图3 钻铤裂纹拓展区宏观形貌

1.2.3 瞬断区

钻铤裂纹瞬断区的宏观形貌如图4 所示，由图4 可知， A 区域内并不存在明显且密集的微裂纹，但是存在明显的较大区域断口，断口位于延展区对侧，裂纹扩展至临界尺寸后发生瞬断。

图4 钻铤裂纹瞬断区宏观形貌

1.2.4 显微组织及能谱分析

根据钻铤断面特征，分别在断口部位选择代表性的4 处进行显微分析，取样位置为裂纹源A区、 B 区、 C 区和裂纹扩展区D 区，具体位置如图5 所示。

图5 钻铤断口显微组织及能谱分析取样位置

A 区域显微组织形貌及能谱分析结果如图6所示，由图6 可知， A 区域表面主要含O 和Fe，同时含有少量的Cl 和K，这表明在钻铤外螺纹端断裂失效前，该部位作为裂纹源部位，氯化钾聚合物钻井液已浸入该裂纹源中。

图6 钻铤断口A 区域显微组织形貌及能谱分析结果

B 区域显微组织形貌及能谱分析结果如图7所示，由图7 可知， B 区域主要含O 和Fe，根据图7 （a）可知，由于裂纹源尺寸较大，张开型裂纹源两个断面之间存在相互位移，从而导致其表面光滑。

图7 钻铤断口B 区域显微组织形貌及能谱分析结果

C 区域显微组织形貌如图8 所示，由图8 可知，该断裂区域为裂纹源区域，且裂纹源分布在连续的3 个扣之间，该部位连续3 个扣断口呈台阶状连续分布，分析认为裂纹源区均位于最末完全扣的前3～5 扣处。

图8 钻铤断口C 区域显微组织形貌

D 区域显微组织形貌及能谱分析如图9 所示，由图9 可知，此断裂区域主要含O 和Fe，此外还有微量K，同时根据图9 （a）可知，该部位裂纹扩展形貌呈发射状，同时尾端扩展形貌呈人字纹， D 区域已被钻井液浸入。

图9 钻铤断口D 区域显微组织形貌及能谱分析结果

1.3 台肩面特征分析

台肩面磨损坑及其尺寸分布如图10 所示，由图10 （a）可知，台肩面磨损严重，有连续磨损坑，其中大型磨损坑有14 处，经测算，磨损坑的深度分布在0.27～1.4 mm，平均深度为0.76 mm；长度分布在6.5～21.38 mm，平均长度为12.79 mm；宽度分布在7.2 mm 左右，如图10 （b）所示。此外，尺寸较小的磨损坑多达76 处，围绕螺纹呈圆形分布。分析认为，在上扣过程中，由于外螺纹和母扣之间存在杂质，致使上扣扭矩增大，导致台肩面磨损，产生磨损坑，在磨损坑形成的过程中产生的金属碎屑加剧了台肩面的磨损。

图10 台肩面磨损坑形貌及其尺寸分布

1.4 金相组织分析

采用德国蔡司研究级正立数字材料显微镜（Axio Scope A1）观察试样中的非金属夹杂物、晶粒度及金相组织形貌，结果如图11 所示。

图11 钻铤断口试样金相组织

经分析可知，非金属夹杂物为硫化物类夹杂和环状氧化物类夹杂，等级分别为D0.5 细系；测试其晶粒度等级为7.5 级；金相组织为回火索氏体。

2 力学性能分析

2.1 钻铤台肩处硬度分布

参照ISO 11960-2-11 标准在钻铤上取环形试样，均分为12 块，采用洛式硬度计进行硬度测试，分别在靠近内壁处、壁厚中间处、靠近外壁处进行测试，具体试样宏观照片及测量方式如图12 所示，测试结果如图13 所示。

图12 钻铤洛氏硬度试样及测量方式

图13 钻铤洛氏硬度分布图

根据测试结果，失效钻铤的洛氏硬度值分布在33.5HRC ～37.1HRC，均值为35.3HRC，低于45HRC （4145H 钢硬度上限），符合标准要求。其中，靠近外壁处洛氏硬度值分布在34.5HRC～36.5HRC，均值35.6HRC；壁厚中间处洛氏硬度值分布在34.8HRC ～37.1HRC，均值35.7HRC；靠近内壁处洛氏硬度值分布在33.5HRC～36.7HRC，均值34.6HRC，该部位硬度稍小于钻铤壁厚中间以及靠近外壁部位，绝大多数测试结果均符合SY/T 5144—2007 《钻铤》所要求的布氏硬度范围285HB～341HB （29.8HRC～36.5HRC）。

由图13 可以看出，靠近内壁处的硬度整体上要小于外壁和中间处的硬度，靠近外壁处的硬度与中间处的硬度较接近，在90°的位置附近，靠近外壁处的硬度达到最大值36.5HRC，在225°的位置处，壁厚中间处的硬度达到最大值37.1HRC，整体上看，周向硬度不均匀程度较明显。

2.2 拉伸性能分析

沿钻铤台肩面向管体方向加工标准棒状拉伸试样，拉伸速率2 mm/min （应变速率6.6×10-4/s），在室温下进行拉伸性能测试，拉伸性能测试结果见表1，试样屈服阶段的拉伸应力-应变曲线如图14 所示。

图14 试样屈服阶段的拉伸应力-应变曲线

表1 钻铤试样拉伸性能测试结果

通过图14 试样屈服阶段的拉伸应力-应变曲线可知，试样在0.5%～0.6%的应变水平下达到屈服极限，实测屈服强度均值为910 MPa，此外，试样拉伸强度均值为1 048 MPa，断后延伸率均值为17.1%，均符合SY/T 5144—2007 要求。

2.3 冲击性能测试

在钻铤台肩面向管体方向加工尺寸为10mm×10mm×55mm 的冲击试样，在冲击试样上，分别测试横向、纵向试样在室温下的冲击韧性。

2.3.1 横向冲击韧性

钻铤横向冲击性能测试结果见表2，钻铤横向试样在室温条件下冲击韧性为38.62 J，小于SY/T 5144—2007 标准要求（≥54 J），起裂功为13.50 J，裂纹扩展功为25.12 J。

表2 钻铤横向试样常温冲击性能测试结果（25 ℃）

2.3.2 纵向冲击韧性

钻铤纵向冲击性能测试结果见表3，根据测试结果，尺寸为10 mm×10 mm×55 mm 的钻铤纵向试样在室温25 ℃时冲击韧性为25.58 J，小于SY/T 5144—2007 标准要求（≥54 J），起裂功13.90 J，裂纹扩展功11.68 J，因试样内部有初始疲劳裂纹，因此起裂功较小，其中试样2 冲击功较低，起裂功与裂纹扩展功几乎一致。