钻杆接头纵向裂纹原因分析

吕拴录，，骆发前2，周杰2.袁鹏斌，，巨西民，，王庭建3

(1.中国石油天然气集团公司管材研究所，侠西西安710065；2.塔里木油田，新挂库尔勒841000

3.大庆石油管理局物资装备总公司，黑龙江大庆163453)

摘  要：对某油田发生的钻杆接头纵向开裂事故进行了系统调查，对钻杆接头裂纹宏观形貌和微观形貌进行了分析，对开裂钻杆接头和未开裂的钻杆接头材质进行了对比。结果表明：钻杆接头纵向开裂原因是摩攘裂纹引起的，摩擦裂纹的原因主要与井眼全角变化率偏大有关。

关健词：钻杆接头；裂纹；断口形貌；失效分析

1  引言

某钻井队一批127.0mm×9.19mm G105新钻杆在第一口井钻至井深2In.20m时起钻发现2根钻杆接头开裂，在第二口井钻至井深2432.01m时起钻又发现5根钻杆内螺纹接头开裂。为此，作者对钻杆接头开裂事故情况进行了调查，并对在第一口井开裂的1根钻杆内螺纹接头和1根没有开裂的钻杆内螺纹接头取样，对钻杆接头开裂原因进行了分析。

2  钻杆使用情况

该批钻杆在该井累计进尺2505.00m，纯钻时间(在井里工作时间)218.05h。钻井参数为：钻压20～50kN，转速160r/min，排量(单位时间排出的流体量)32L/s，泵压11～13MPa，泥浆密度1.25g/cm3，泥浆粘度(钻井液内部阻碍其相对流动的阻力)59s，pH=9.0。

井眼轨迹如下：垂直井深2420.49m，设计造斜点井深800.00m，实际造斜点井深800.00m，设计最大井斜角13.90，实际最大井斜角21.80，设计最大井斜处井深892.64m，实际最大井斜处并深1250.00m，设计最大全角变化率3.4º /25m，实际最大全角变化率5.2º/25m，最大全角变化率处井深1708.47m。

3  裂纹宏观形貌及尺寸

开裂钻杆接头上有一条穿透壁厚的纵向裂纹。经磁粉探伤，钻杆接头外表面布满了纵向裂纹(图1)。未开裂的钻杆接头表面经磁粉探伤后没有发现裂纹。钻杆接头外表面裂纹具有摩擦裂纹特征。纵向开裂的钻杆接头外径165.5mm，无裂纹的钻杆接头外径168.1mm，新钻杆接头外径为168.3mm。从外径测量结果可知，开裂钻杆接头外径已经出现明显磨损。

图1  钻杆接头外壁裂纹形貌

4  理化性能试验

4.1 化学成分分析

化学成分分析结果表明，开裂和未开裂的钻杆接头均符合API SPEC7规定。

4.2 力学性能试验

沿接头横向取直径为6.25mm的横向拉伸试样，沿接头纵向取直径为12.5mm的圆棒拉伸试样。沿接头横向和纵向分别取10mm×10mm55mm的CVN冲击试样，力学性能试验按ASTM A370执行。力学性能试验结果，开裂和未开裂的钻杆接头均符合API SPEC7和SY/T5290-2000规定，且两者性能非常接近，但接头横向冲击韧度低于纵向冲击韧度。

4.3 金相分析

在钻杆接头裂纹部位取样进行金相分析。接头外表面有深度为3.65mm的摩擦烧伤层(图2)，摩擦烧伤层外表面为白亮组织(图3)，再往里组织发黑.接头表面探伤发现的裂纹起源于外表面，裂纹起源部位与表面基本垂直，裂纹深度在摩擦烧伤层深度以内。开裂和未开裂的钻杆接头基体组织均为回火索氏体。分析结果表明，钻杆接头表面裂纹具有摩擦裂纹的特征。

      图2  钻杆接头表摩擦烧伤层及裂坟形貌                 图3  钻杆接头表摩擦烧伤层组织 

将钻杆接头穿透壁厚的裂纹打开检查，裂纹起源于外表面。用扫描电镜观察断口形貌，裂源区有二次裂纹(图4)，其形貌为解理，伴有轻微腐蚀。扩展区为准解理+二次裂纹。

图4  裂纹源区徽现形貌

5  钻杆接头纵向开裂原因分析

5.1 裂纹性质及形成机理

在钻井过程中，高速旋转的钻杆接头部位首先会与地层或套管碰撞相互摩擦，瞬间会产生大量的摩擦热，使接头表面层局部区域温度达到接头材料的淬火温度(800～900℃，甚至更高)，在随后冷却过程中产生二次淬火层。同时，由于从接头表面层到心部温度梯度的变化，次表层将产生高温回火层。不同组织的耐蚀程度不同，经过4%硝酸酒精腐蚀之后，表层二次淬火层组织呈白亮层，次表层高温回火组织呈黑色。由于接头表层发生了相变，在相变层会产生很大的组织应力和热应力，当组织应力、热应力以及其它外力之和超过其断裂强度时就会产生摩擦裂纹。一般摩擦裂纹与摩擦方向基本垂直，在接头表面呈纵向，裂纹深度方向与接头径向基本一致。但是，在水平方向已发现摩擦裂纹呈龟裂状。摩擦裂纹的深度通常在摩擦热导致的烧伤层内。摩擦力越大，摩擦次数越多，淬火层越深，摩擦裂纹越严重。

5.2 影响裂纹萌生和扩展的因素

该批钻杆接头表面摩擦裂纹方向平行于接头母线；内螺纹接头表面有多处摩擦裂纹，全起源于内螺纹大端部位的外表面，也即纵向穿透型裂纹是摩擦裂纹扩展的结果。

材料因素。接头表面的摩擦裂纹全平行于母线方向，这与材料本身不同方向的性能差别较大有关。由断口微观分析可知，纵向裂纹断口为脆性断口；由力学性能试验结果可知，钻杆接头材料性能虽然符合标准规定，但接头横向冲击韧度低于纵向冲击韧度。接头在摩擦热作用下发生相变过程产生的热应力和组织应力的方向和大小在纵向和横向是没有多大区别的，但摩擦力使接头切向受到一定的拉应力。由于接头材料本身横向性能差，接头表层相变产生的热应力和组织应力以及其它外力之和会首先达到其横向断裂强度，而产生纵向裂纹。

内螺纹接头整体受力因素。接头上扣配合之后在接头切向承受有较大的拉伸应力。其随着接头连接部位的上紧程度而变化，当接头上紧程度增大时，切向拉伸应力也随之增大。热应力和组织应力等叠加，会促进摩擦裂纹的形成。而当裂纹产生后，切向拉伸应力仍然会促进裂纹继续扩展。

全角变化率因素。在全角度化率大的井段钻杆要受弯曲载荷，钻杆弯曲拱起一侧要与井壁或套管摩擦，井眼全角变化率越大，钻杆受到的弯曲载荷越大，相应地钻杆接头与井壁或套管之间产生的摩擦力越大，钻杆接头越容易产生摩擦裂纹。该井是一口斜井，造斜段最大全角变化率达到5.2º/25m，远超过设计的最大全角变化率3.4º/25m。在这样大的全角变化率井段钻杆要受到很大的侧向力作用，钻杆接头会与井壁或套管碰撞摩擦，并产生摩擦裂纹。一旦产生摩擦裂纹，在弯曲井段裂纹更易扩展。由测量结果可知，裂纹的钻杆接头外径已经磨损了2.8mm(新钻杆接头外径为168.3mm)，这足以说明钻杆接头在井下的摩擦磨损情况是十分严重的。钻杆接头表面布满了摩擦裂纹，摩擦热导致的烧伤层深达3.65mm，这说明该钻杆接头在井下受的摩擦力很大，摩擦时间较长。

6  结论与建议

(l) 钻杆内螺纹接头材质符合标准规定，钻杆内螺纹接头表面裂纹性质属于摩擦裂纹。

(2) 钻杆内螺纹接头产生摩擦裂纹并发生纵向开裂的原因主要与全角变化率大，钻杆接头与并壁或套管严重摩擦有关。

(3) 建议对该批钻杆接头逐根进行探伤检查，优先选用具有耐磨带的钻杆接头。