G105钢级钻杆外螺纹接头裂纹原因分析

2014年第43卷 第1油矿 0机械 014，43(10)：3944 文章编号：10013482(2014)10003906 丹梅 。余世杰 。袁鹏斌 ，高连新 (1上海海隆石油管材研究所，上海200949；2西南石油大学材料科学与工程学院，成都610500； 3华东理工大学，上海200237) 摘要：某油田在定向钻井作业过程中有多根该井 钻杆使用情况进行调查研究，并对1根螺纹牙底有裂纹的外螺纹接头进行失效分析。失效分析内 容主要包括断口观察、钻杆接头材料化学成分分析、力学性能及金相组织分析，并通过有限元方法 模拟分析较径时外螺纹接头螺纹牙受力情况。分析结果表明：接头螺纹牙底裂纹为疲劳裂纹，钻杆接头外螺 纹大端第13牙为应力集中区域。由于在该定向井造斜点附近井眼全角变化率较大，存在较大的 结构弯曲，使接头承受较大的交变复合载荷，最终在接头螺纹应力集中区萌生疲劳裂纹，导致失效。 关键词：钻杆；螺纹；疲劳裂纹；失效分析 中图分类号：07 文献标识码：B 03969j0013482201410009 1 05 anhij (100949，210500，300237，105 in of in a he on j he on to D iS he to on of j is of he to at of of 着深部复杂油气资源勘探开发进程的深入， 井下钻柱的工作状态愈加复杂多变。在石油钻井、 完井、增产、改造等井下作业过程中，井下钻柱的失 稳屈曲影响着钻柱的力学性能及作业效果与成功 率，井下管柱的轴向稳定性已经成为石油工程界关 注的重点问题之一1_ 。定向钻井中上述问题尤为 收稿日期：20140402 作者简介：龚丹梅(1987一)，女，广西南宁人，2010年毕业于西南石油大学，现从事石油管材研发及失效分析工作，63石油矿场机械 2 ，并且容易形成疲劳损伤。有限元分析结果表 明，外螺纹接头在受到复合载荷作用下，应力集中区 域仍在螺纹大端第1、2螺纹处。在接头螺纹内径不 变的情况下，将1048 ，能够有效防止内螺纹接头胀扣，但将导致螺纹应 力增加。当钻杆在弯曲井段承受的交变复合应力超 出一定值时，钻杆接头应力集中部位首先发生疲劳 损伤，形成疲劳裂纹，甚至断裂。 53井眼全角变化率的影响 井眼全角变化率(狗腿严重度)是在单位井段内 井眼前进的方向在三维空间内的角度变化，既包含 了井斜角的变化又包含着方位角的变化。该井造斜 点位于井深约300 井深240260 m，井眼 全角变化率从099。30 2。30 m，在造 斜点处井眼全角变化率约为579。30 m，如图13， 已经超过钻井手册(甲方)推荐允许的全角变化率 值(如表4)。井眼全角变化率越大，钻杆受到的弯 曲载荷越大，越容易发生疲劳损伤。一般越到 井口位置要求的全角变化率越小，这是因为越靠近 井口钻杆受拉伸载荷越大，越容易发生疲劳裂纹或 者疲劳断裂_g 。另外，通过井眼全角变化率大的 井段的钻杆数量多，容易使很多根钻杆发生疲劳 损伤。 该井断裂钻杆位置井深235 m，正好位于距井 口较近的造斜点附近全角变化率严重井段。该处钻 杆不仅承受较大的拉伸载荷，还承受较大的弯曲载 荷，很容易发生断裂失效。从图12可看出，该井最 大全角变化率出现在井深约2 440 为 1383。3o m，虽然由于靠近井底该处钻具所受拉伸 载荷较小，但在交变应力下也容易发生疲劳损伤，根 据钻井记录，该处也曾发生过钻具断裂事故。 ， 0 g 一 * 图13井眼全角变化率情况 表4推荐的全角变化率 井段m 最大全角变化率(。)(3o m)一 ) O122 1221 830 1 8303 66O 3 66O4 27O 4 27O4 575 15 5 35 5 综上所述，该定向井在造斜点附近井眼全角变 化率较大，使钻杆承受较大的交变复合载荷，加之钻 杆接头外螺纹大端第13牙本身为应力集中区域， 最终在钻杆接头螺纹应力集中区产生疲劳裂纹，导 致断裂事故。 6 结论 1) 失效钻杆接头理化性能符合2)该批纹和疲劳断裂，钻杆所服役的定向井井眼全角变 化率较大，钻杆承受较大的交变复合载荷是其接头 螺纹部位早期疲劳裂纹和疲劳断裂的主要原因，钻 杆外螺纹接头内径不变而外径增大也增加了外螺纹 大端第l3牙的应力集中，促进了疲劳裂纹的萌生。 3) 建议在定向井钻井施工过程中使用双台肩 高抗扭钻杆。 参考文献： 1 胡华，夏辉，窦益华定向井造斜段管柱屈曲分析J 内蒙古石油化工，2011(17)：182O 2 吕拴录，柳栋，杨成新，等井钻具断裂原因分析 J石油矿场机械，2013，42(1O)：6671 3 3702010， 5刘鸿文材料力学北京：高等教育出版社，2004 6王玉奎，薄和秋浅谈预防定向井、水平井钻杆失效的 措施西部探矿工程，2003(7)：8485 7 吕拴录，骆发前，周杰，等钻杆接头纵向裂纹原因分析 J机械工程材料，2006，3