（油气井工程专业论文）钻具疲劳破坏的机理分析、预防及寿命预测.pdf

英文摘要 s u b j e c t ： m e c h a n i s ma n a l y s i s ，p r e v e n t i n ga n dl i f e t i m ep r e d i c t i o no fd r i l l t o o lf a t i g u ef a i l u r e 却h 1 o i l - g a sw e l l n a m e z h a n gt i e j u n ：嚣豳互! b ： ( s i g n a t i l 旧兰! 竖掣堕眇 i n s t r u c t o r ：l iq i ( s i g n a t u r e ) 如佐 a b s t r a c t o i ld r i l lp i p ei sat u b et h a ti st h em o s tc o n s u m p t i o na n dg r e a t l ym u c hq u a l i t yi n t h ep e t r o l e u mi n d u s t r y d r i l lp i p ew o r k si ua d v e r s ec i r c u m s t a n c e s ，4 0d o w n h o l e a c c i d e n t sa r er e s u l t e df r o mc o r r o s i o nf a t i g u eo fd r i l lp i p ea tl e a s te v e r yy e a ri nt h e s h e n g l io i lf i e l da n do v e r5m i l l i o ny u a nh a sb e e nw a s t e d s c i e n t i f i c r i l i a b l ea n d e c o n o m i c a ie s t i m a t em e t h o d so f d r i l l i n gt o o if a i l u r ea l e u r g e n t l yn e e d e d p i e r c i n g c o r r o s i o no ft h ep i p eb o d ya n df a t i g u ef r a c t u r ef a i l u r e a r ea n a l y s e d d u r i n gu s i n gg 一10 5d r i l l i n gp i p ei nt h ep a p e r t h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o n ，m a t e r i a l e v a l u a t i o na n dc o n s t r u c t i o na n a l y s i s ，t l l ef a i l u r er e a s o na r ef o u n d t h ep a p e rp o i n tt h e i n f l u e n c eo fc o r r o s i o nd a m a g eo nd r i l l i n gt o o lf a i l u r ea n ds t u d yo nf a c t o ro fr e s u l t i n g i nd r i l jp i p ef a t i g u ei nt h ec o u l e eo f d r i l l i n gd e e pw e l l i tp o i n to u tt h em a i nf a c t o r so f a f f e c t i n gd r i l lp i p ec o r r o s i o nf a t i g u e ( 1 ) t h ee f f e c to ft h ea g e n tc o r r o s i v e n e s s ；( 劲t h e e f f e c to fs u r f a c ec o a t i n g ；f 3 、也ee f f e c to fs t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dt h ei n s i d eu p s e to f d r i l lp i p e ；( 4 ) t h ee f f e c to fv a r i a t i o no fi n c l i n a t i o na n g l ea n da z i m u t ha n g l e ；( 5 ) t h e e f f e c to fa x i a it e n s i l ei o a da n dm e a ns t r e s so fd r i l lp i p e ，( 6 ) t h ee f f e c to fm a t e r i a la n d s u r f a c es t a t e t h em e a s u r eo f p r e v e n t i n gd r i l lp i p ef a t i g u ea r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r t h r o u g ha n a l y z i n gr e a s o no fd r i l lt o o lf a i l u r e f a i l u r em o d e lo fd r i l lp i p ei s s t u d i e db yu s i n go ff r a c t u r em e c h a n i c sa n dc o m p u t e ra i d e dm a n a g es y s t e mi sf o u n d e d a c c o r d i n ga sr e l i a b l ed a t aa n dd r i l l i n gp a r a m e t e ro fp i p e ss e r v i c ec o m p a n y , s o m e i n f o r m a t i o na r ep r e s e n t e d ，s u c ha ss i m p l ec o l c u l a t i o nf o r m i l l a e ，c h a t ，t h em a x i m u m h o l ec u r v a t u r eo ff o r e c a s t i n gd r i l lp i p ef a t i g u e ，r o t a r yt i m eb e f o r ed r i l lp i p ef a t i g u e f a i l u r ea n di n s p e c t i o nc y c l eo fd r i l lp i p ee ta l ，b a s e d0 1 1a n a l y s i so fd r i l lt o o lf a i l u r e 。a s c i e n t i f i cm e t h o do fd i s p e n s e da n dm a n a g e dd r i l lt o o li se s t a b l i s h e d ，w h i c hg r e a t l y r e d u c ed o w n h o l ea c c i d e n t sr e s u l tf r o md r i l lp i p ef a t i g u ef r a c t u r e k e y w o r d s ：o i ld r i l lp i p e , c o r r o s i o nf a t i g u e ，i n s p e c t i o nc y c l e ，p r e v e n t i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：弓火徐髯日期：扣5 ，5 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发 表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：日期：渺五舅j s 导师签名：2 垒组 日期：继! 乞多 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 钻井作业作为石油开采、矿藏勘探开发、地球物理研究以及工程建设等众多领域的必 要手段，在国民经济中发挥着重大的作用。但随着国内大部分油田相继进入开发后期，新 探区大部分处于偏远的地区，将面临更复杂的地质条件和更恶劣的自然环境，水平井、定 向井、侧钻井等特殊钻井工艺的使用，使得井下钻具受力更加复杂，钻具失效风险进一步 增大。为避免井下钻具事故，实现单井成本最佳化，效益最大化，将井下钻具受力分析及 其钻具失效机理、损伤分析进行系统化归类，提出因钻具失效引起井下事故的解决方案阻 及预防方案、并对钻具进行检测评价，对于保障井队安全钻进等都有着积极的意义。本课 题就是围绕钻杆部分失效特征和部分失效机理进行钻杆失效预测评价和提高钻杆使用寿 命的研究。 1 1 目的、意义 失效分析的任务就是不断降低产品的失效率，提高产品可靠性，防止重大失效事故的 发生。失效分析预测预防是使失败转化为成功的科学，是提高产品质量的重要途径，是装 备和系统安全可靠运行的保证。 在钻井过程中，钻杆的受力状况和工作环境异常恶劣，是一个极其复杂的动力学系统。 现场调查表明，2 0 0 0 年以来胜利油田每年至少发生钻杆失效事故四十余起，直接经济损 失2 0 0 万元以上。随着浅层资源的不断枯竭，今后越来越多的深井、超深井及特殊工艺并 不断用于生产中，势必会对钻具的配置提出更高的要求，以保证安全钻进，钻杆的安全可 靠性就成为一个十分突出的问题。但同时，油田在油气钻井工程中所使用的钻具是大量的， 钻杆的服役条件相当苛刻，会使钻具产生各种类型损伤缺陷。国内外大量井下失效事故的 调查统计资料也表明，钻具断裂特别是腐蚀疲劳断裂占据了很大比重，往往造成极为严重 的经济损失。 要做到预防钻具失效，对其进行修理评价，避免井下事故应做到以下几点；一是做好 钻具失效事故原因的分析及对策；二是做好钻具检测工作，预防疲劳破坏；三是评价钻具 对其服役状态作出合理的评估，合理使用钻具，提高钻杆使用寿命。 对于石油管材的失效规律研究的仍是事故的分析、失效模式、失效机理及预防钻杆失 效的系统研究。这些研究构成了适用性评价、可靠性研究和失效分析系统的不可缺少的基 础。钻杆失效一般表现为本体断裂和刺漏，钻杆螺纹处失效等。原因大致是由以下一些因 素引起的：钻迸时钻杆的基本力学工况，钻具的组合及钴井工艺，井径规则性，偏磨，螺 纹密封脂，钻井液，钻杆结构和材料，地层因素，井内腐蚀介质等，以上因素交互作用的 结果导致钻杆失效。 为了减少钻杆井下断裂严重事故发生，迫切需要科学的兼顾钻杆安全可靠性与经济性 的评价方法。石油钻杆的失效类型、失效原因以及失效分析的技术、特点等都有其独特之 处，具有一定的不确定性、含糊性和不完整性。采用通常的方法很难彻底解决钻杆失效分 析问题，应充分把握住其不确定性等特征，因此，需要建立一个辅助性分析和诊断系统， 西安石油大学硕士学位论文 能准确、迅速、客观、规范、科学的解决问题。即把人工智能技术引入钻杆失效分析领域， 采用科学的钻杆适用性评价方法，建立计算机辅助钻具失效分析、钻具管理系统，完善钻 具安全使用、评价、管理体系，同时应建立可靠的钻杆检测体系，评定其使用寿命以保证 钻进安全。 1 2 国内外研究概况 失效分析的任务之一是分析总结产品结构、强度计算和材料性能要求等方面存在的问 题并改进之。断裂力学设计准则在石油钻井管材结构设计及强度分析方面有了广泛的应 用。在美国、日本、前苏联及欧共体国家，断裂力学的设计准则已纳入相应的产品设计规 范。 在钻井过程中，钻杆的受力状况和工作环境异常恶劣，是一个极其复杂的动力学系统。 目前，国内外对引起钻杆失效问题已经进行了长久而且卓有成效的研究，提出了许多观点 和理论模型。 p a l s ypr 和b o g y db 在1 9 8 0 年研究了由于钻头牙齿间歇与地层接触所引起的钻杆 纵向振动。并由此引起钻杆螺纹的失效以及管体疲劳破坏，并对失效机理进行初步探讨。 s p e d r i l l i n ge n g i n e e r i n g 在8 0 年代有许多文章专门讨论疲劳裂纹增长速度和疲劳失 效。在实验基础上，建立疲劳裂纹增长机制，得出如下结论： a 钻杆接头处疲劳裂纹增长率接近常数，并且一旦裂纹萌生，就不再受接头螺纹形 状影响； b 疲劳裂纹增长期占整个钻杆疲劳寿命的很大部分，在裂纹生成后很长时问后才会 发展成断裂； c 由于加工划痕和工作期间产生缺陷，会大大缩短疲劳寿命。 在此基础上运用当代断裂力学概念，把无损探伤技术与商业检测设备的可靠数据相结 合，推出了检验间隔指导图。提供了一个系统化的锫杆检修时间间隔，以减少井下事故， 提高经济效益。 从2 0 世纪9 0 年代起，在国际上逐步发展形成了义“适用性”或称“合于使用”( f i t n e s s f o rs e r v i c e ，f i t n e s sf o rp u r p o s e ) 为原则的新的评价标准或规范。这是人们观念上的一次深 刻变革。使用性评价是对台有缺陷的结构或装备是否适合继续使用以及如何继续使用的定 量评价，是以现代断裂力学、弹塑性力学和可靠性系统工程为基础的严密而科学的评价方 法。在美国石油学会的支持下，近几年美国材料性能委员会( m p c ) 和m n l o c o 公司等3 2 家研究单位和石油公司共同研究和制定了石油天然气工业的使用性评价推荐做法。a p i 认 为使用性评价规范在美国石油工业的推广应用，每年至少可以获得近十亿美元的经济效 一 o 我国钻井界对钻杆失效的分析及疲劳强度预测的研究是在9 0 年代进行的，与国外比 较，我们在数据的收集、实验的手段和设备方面相差较远：但在理论研究上，我们并不落 后。9 8 年张学鸿等人发表侧钻井钻杆的纵向振动与疲劳强度预测，利用振型迭加法计 第一章绪论 算出了钻杆的纵向振动响应，使用改进的r i t z 向量法计算出了整体钻杆的固有频率和固 有振型，考虑钻杆沿井深随机分布的接触摩擦阻力作用及泥浆的阻尼作用，提出了钻杆在 非对称循环应力状态下的许用持久极限应力的计算公式，建立了钻杆疲劳强度条件，为钻 杆的强度计算和安全评定提供理论依据。 2 0 0 1 年，楼一珊等人发表的钻杆失效机理分析阐明了定向钻井过程中，钻杆由 于弯曲交变循环应力而造成的疲劳损伤是可以积累的，钻杆的寿命与疲劳损伤积累有关。 对钻杆进行了动载力学分析和疲劳寿命预测，提出了相应的计算模型，可以计算钻杆组合 中任意钻杆单元在钻井过程中所受的疲劳损伤，预测使用寿命。孙书贞、王庚样等人在钻 杆疲劳破坏的预防中提出，建立钻杆疲劳破坏寿命的档案，在每次使用前查阅其剩余寿 命，决定是否可以下井和采取哪些必要措施；预测钻杆将要发生疲劳时的最大井眼曲率， 在钻井设计和施工中是井眼的造斜率或狗腿度不超过允许的最大井眼曲率，从而避免钻杆 的疲劳破坏；科学的设计井深结构和井眼剖面，减轻钻杆所受的交变应力；结合设计钻具 组合，钻铤的重量要足够，或钻铤的上部接加重钻杆，避免轴向受力中和点落在钻杆上； 加强钻杆的地面探伤检查，严禁有缺陷的钻杆下井，以消除隐患；根据地层的可钻性和研 磨性选择钻头型号，优选钻压和转速，避免或减轻钻杆的纵向振动。同时，录永明等人提 出，由于钻杆疲劳损伤评价过程涉及到多种不确定因素，运用疲劳可靠性理论和概率断裂 力学方法，进行分析和建立数学模型，以确定在一口井的钻井过程中，钻杆受损伤的概率 分布，进而求得钻杆的疲劳寿命分布，并且可以更合理的确定钻杆疲劳裂纹检测。他们进 行了大量的钻杆材料p s - n 曲线的实验研究。通过试验分析，并且考虑到材料疲劳性能存 在较大离散性，应用统计的方法得出各种存活率下破坏应力与疲劳寿命的对应关系，得出 了钻杆材料的p s - n 曲线，并转换修正为整体钻杆的p s - n 曲线，为钻杆的疲劳强度计算 和寿命预测提供了基本依据。 计算机科学技术的飞速发展而导致的现代产业及科学技术的深刻革命是有目共睹的。 失效分析预测预防研究中计算机技术的普遍采用，也必然会带来根本性的变革。美国a p i 和i a d c l 9 8 7 年建立了广泛工业化的计算机钻杆失效数据库，可以说计算机技术已广泛应 用于失效研究的各个领域。比如英国b g 公司开发了管道维护技术与安全生产管理的计算 机系统，天然气管线失效的风险和火灾后果预测的计算机软件，确定油气输送管线的检测 和维修周期的计算机软件等等。与此同时，各种失效援救的计算机专家系统开发建立起来， 如德国建立了功能很强的“p r o s a ”计算机失效分析专家系统，我国南京化工学院开发 的含有焊接缺陷结构安全评定的计算机专家系统。但总体上看，这些系统均处于探索、开 发阶段，要是现在失效研究领域计算机化、人工智能化的数据库和专家系统，还是一个需 要长期研究的重大课题和挑战。 油田在油气钻井工程中所使用的钻具是大量的，钻柱的服役条件相当苛刻，会使钻具 产生各种类型损伤缺陷。其中表面腐蚀疲劳裂纹是最重要、最常见的缺陷类型。国内外大 量井下失效事故的调查统计资料也表明，钻具断裂特别是疲劳腐蚀断裂占据了很大比重， 西安石油大学硕士学位论文 往往造成极为严重的经济损失。美国一家钻井公司曾作过这样的统计，在该公司所有降级 或报废的钻杆中，因内壁全面腐蚀、点蚀、腐蚀疲劳等造成的就占7 5 以上。石油管材 研究所对1 9 8 4 1 9 8 8 年进行的近百次钻柱构件失效分析的统计表明，6 0 的失效是直接 或阃接的由腐蚀引起的。可见，腐蚀是造成钻柱失效的主要原因。并且腐蚀带来的附加检 查、维修和事故处理等使得钻井效率下降和费用增加。究其原因，是与当前所使用的技术 规范，如美国石油学会的a p ir p 7 g 钻柱设计和操作及限度的推荐方法( 1 9 9 5 ) ，我国 的s y t 5 8 2 4 - - 9 3 钻杆分级检验方法和s y t6 2 8 8 一1 9 9 7 钻杆和钻铤选用做法 等有关的。分析这些规范会发现存在以下问题： a 均是以钻杆的实际壁厚( 包括新旧钻杆) 为强度的评价依据，其实这只是适用于 新钻杆或均匀磨损类型的钻杆；而对于表面局部腐蚀坑缺陷，是依据坑底的剩余壁厚简化 为均匀磨损类型的评价，这显然是过分保守的，必将造成大量钻杆资源的浪费； b 对于表面裂纹型缺陷，虽然规范均要求作出报废处理，但是都没有提出科学合理 的检测周期。这实际上对真正给与钻井工程最大威胁的裂纹型损伤缺陷是处于失控状态： c a p i r p7 g 中，为了防止钻干管体的疲劳断裂，给出了不同钢级钻杆在承受选中 载荷下所允许的最大狗腿度( 即交变弯曲应力) ，是以新钻杆( 表面光滑完整) 的旋转弯 曲疲劳极限为基础的。但是钻杆在使用中环向表面裂纹型缺陷是很容易长生的，会大大降 低钻杆的疲劳承受能力，这是该规范会给出偏于危险、不安全的预测。 1 3 研究内容 通过对钻杆的失效形式的分析，研究钻杆失效的机理，进而建立理论分析和实验论证 建立了钻杆疲劳破坏模型，对钻杆进行使用寿命的预测。建立计算机辅助分析、管理系统， 对钻杆的失效进行分析，实现对钻杆的科学管理。 本文通过对g 1 0 5 钻杆使用中发生管体刺穿、疲劳断裂失效进行分析，通过现场调查、 材质检验与工程施工分析，找出失效原因，并对此进行相应分析。指出腐蚀破坏对钻杆失 效的影响，并指出了影响钻杆腐蚀疲劳主要因素：( 1 ) 介质腐蚀性影响；( 2 ) 表层涂层的 影响；( 3 ) 应力集中及内加厚区结构的影响；( 4 ) 井斜度、方位角度变化的影响；( 5 ) 钻 杆轴向拉伸载荷或平均应力的影响；( 6 ) 材料及表面状态的影响。提出了预防钻杆腐蚀疲 劳的措施。通过对钻具失效原因的分析，运用断裂力学来研究钻杆的破坏模型，建立计算 机辅助管理系统。结合胜利油田管具服务公司的可靠资料与钻井参数，提出简单的计算公 式及图表，预测钻杆将要发生疲劳时的最大井眼曲率，估计钻杆疲劳破坏前的旋转时间， 预测钻杆的检测周期。在对钻具失效分析的基础上，结合实际经验制定科学的钻具发放、 管理程序，从而减少井下钻杆疲劳断裂事故的发生。 1 4 技术路线 ( 1 ) 建立一个断裂力学模型，结合管具服务公司的可靠资料，根据钻井参数，提出 简单的计算公式及图表，可以预测钻柱将要发生疲劳时的最大井眼曲率，可以估计钻柱疲 劳破坏前的旋转时间，可以预计钻柱的检测周期，从而减少井下疲劳断裂事故的发生，为 第一章绪论 建立计算机辅助管理软件提供依据。 ( 2 ) 根据钻具在井下承受各种载荷及应力、腐蚀环境、钻柱振动等情况，按照疲劳 寿命和检测周期等计算方法，结合后勤钻具管理，编制成计算机辅管理应用软件，实现钻 具管理的数据化、跟踪化以及实现对钻具现场应用的可追溯性。 西安石油大学硕士学位论文 第二章钻杆失效分析 2 1 现场调查 2 0 0 3 年7 月，胜利油田钻井二公司5 0 1 1 5 井队使用1 2 7 x 9 1 9 m m g l 0 5i e u 钻杆打渤 深l 井，当钻至井深4 2 6 9 米时发生卡钻及钻杆断裂、刺穿等失效事故。 从现场调查了解到，渤深1 井属定向斜井，设计井深4 9 9 6 米，造斜点在1 5 0 0 米处， 施工中最大井斜2 0 度左右，水平位移7 8 4 米。该井于2 0 0 2 年1 2 月1 2 日开钻，2 0 0 3 年6 月2 日实施欠平衡工艺( 负压钻井) ，由于井身结构采用 2 4 4 5 + 中1 7 7 ，8 m m 复合套管柱结 构，四开钻进时相应采用了复合钻具组合，即中1 2 7 m m g l 0 5 钻杆3 3 1 7 - 8 3 米+ 中8 8 9 g 1 0 5 钻秆9 4 2 2 2 米。图2 - 1 为渤深1 井井身结构示意图。 图2 1 渤深1 井井身结构示意图 根据资料记录，该队中1 2 7 9 1 9 m m g l 0 5 钻杆第一次损坏发生于6 月2 0 日，井钻至 4 0 0 0 米后，正常起钻换钻头时发现一只母接头有三条纵向裂纹；第二次失效发生在6 月 2 5 日，中途测试发现钻杆内有泄漏，起钻至2 3 5 0 米处一根钻杆母接头纵裂刺穿；第三次 事故发生在7 月1 8 日，当钻压由1 2 吨( 排量1 m 3 ，泵压8 m p a ) 逐渐下降至7 5 吨时活动井 下钻具，第一次提拉1 8 0 9 6 吨，第二次提拉至1 9 3 ，4 4 吨，第三次提拉至1 4 3 吨突然降至 9 4 0 7 吨，泵压消失，判断为钻具断裂，估计在2 4 0 0 米左右，随即起钻，起钻至2 3 1 7 米 处发现一根钻杆从内螺纹接头下0 5 8 米处断裂。图2 2 为失效钻杆宏观照片。表2 1 列出 第二章钻杆失效分析 钻杆现场探伤检验结果，其中因接头纵裂3 根、管体加厚消失处刺漏2 根、断裂1 根，另 有1 7 根在内加厚消失段探伤有信号超标( 裂纹或缺陷) 。 ab e 图2 - 2 失效钻杆现场照片 表2 - i 陈古t 井出井钻杆探伤结果 e 序号 判废钻杆形式失效形式失效部位数量 1 钻杆管体断 疲劳断裂( 图2 - 3 a ) 距母接头端o 5 8 m 处l 根 2 钻杆管体孔洞管体刺穿( 图2 3 b 距公接头端o 6 1 m 处 1 根 3 钻杆管体孔洞 管体刺穿、接头纵裂( 图2 3 c ) 距母接头端o 5 2 m 处l 根 4 钻杆管体缺陷内加后过渡区裂纹及蚀坑内加厚过渡区消失处1 7 根 5 母接头纵裂 接头热龟裂( i n2 - 3 d ) 内螺纹接头大端2 根 6 母接头纵裂 接头热龟裂( e l2 - 3 e ) 内螺纹接头大端l 根 2 2 失效钻杆材质检验 2 2 i 化学成分分析 采用直读光谱结合湿法分析，对失效钻杆进行化学成分分析，各元素含量列于表2 - 2 。 西安石油大学硕士学位论文 表2 - 2 钻杆及接头化学成分( w t 10 “) 编号 产品cs jm npsc rn im ovt ic u 钢种 l 管体 0 3 5o 2 3o 7 l0 0 1 80 0 0 91 0 70 0 6 30 2 00 ，0 0 70 0 1 0o 0 2 3 4 c r m 0 4 一 l 接头 0 3 9o 2 40 6 40 0 1 20 0 0 81 0 71 o l0 2 00 0 0 600 0 90 0 2 3 6 c r n i m 0 4 2 管体 0 3 40 2 40 7 1o ，0 1 80 0 0 91 0 70 0 6 302 l0 0 0 7o0 1 000 2 3 4 c r m 0 4 2 接头 03 8o 2 30 6 30 0 1 30 0 0 81 0 51 0 40 ，2 10 0 0 500 0 90 ，0 23 6 c r n i m 0 4 一 3 管体 03 4o 2 30 7 10 0 1 70 0 0 81 0 70 0 6 4o 2 10 0 0 700 1 00 0 2 3 4 c r m 0 4 3 接头 0 3 80 2 50 6 30 0 1 30 0 0 81 0 71 0 0o | 2 00 0 0 500 0 9o 0 2 3 6 c r n i m 0 4 一 4 管体 o3 40 2 407 0o ，0 1 600 0 7i 0 50 0 6 2o ，2 10 0 0 6 0 0 0 9 o 0 2 3 4 c r 】f 0 4 4 接头 0 3 80 2 5o 6 30 0 1 40 0 0 71 0 71 0 1o 2 00 0 0 5 0 0 0 8 0 0 23 6 c r n i m 0 4 5 接头 03 90 2 l0 6 2o 0 1 40 0 0 71 0 51 0 00 2 00 0 0 50 0 0 90 0 23 6 c r n i m 0 4 5 接头 0 3 8o ，2 50 6 3 0 ，0 1 1 0 0 0 7 】，0 71 0 00 2 00 0 0 50 0 0 80 。0 23 6 8 r n j m 0 4 2 2 2 机械性能 表2 3 列出钻杆管体、加厚区、对焊区及接头不同部位的拉伸性能，材料冲击韧性试 验结果列于表2 - 4 、图2 3 中。 表2 - 3 钻杆拉伸试验结果 管体加厚区对焊区接头 编号 0b0t o6 6 0b0t o 660bor o26 0b 口m2 6 m p am p am p am p am p a m p a m p a m p a 9 1 l7 7 82 0 49 3 58 3 42 2 48 2 46 6 81 6 0 if| 19 0 7 7 6 9 1 7 2 f | 8 4 47 1 71 3 2 | 9 1 57 7 2 1 6|8 4 46 6 6】7 6 |? 9 1 8 8 1 4 2 4 6 9 4 08 3 12 2 o8 0 57 0 81 6 4 | | | 2 女 |8 0 17 0 41 7 2 | | | 9 0 17 9 82 0 。8 | 8 0 3 7 1 9 1 8 0 | | 9 0 77 9 82 2 0 f j | 8 4 4 7 7 2 1 6 4 | 3 9 2 48 1 52 2 0 | | | 8 8 87 7 01 6 o | 9 0 67 9 72 1 6|8 5 4 7 9 0 1 5 6 | 8 9 77 9 61 5 29 4 482 41 8 58 2 5 7 5 7 i 6 4 2 i 3 81 0 9 37 5 ，8 4 8 9 97 9 41 6 68 7 47 8 52 0 o8 2 77 9 51 6 4 1 0 1 4 9 7 9 1 7 7 9 3 28 2 61 6 ，89 1 27 3 21 9 48 2 0 7 9 7 1 5 2 1 0 1 28 7 31 9 o | |】0 5 39 2 81 8 4 5 | 十 |1 0 7 69 5 81 8 8 | | |f1 0 7 l 9 5 7 2 0 8 第二章钻杆失效分析 ji i | 1 0 3 99 0 l2 0 4 8 |i 7 1 0 5j9 1 32 0 4 | | | | f 1 0 5 89 2 82 0 0 a p i 7 9 3 7 2 4 1 3 7 9 3 7 2 41 37 2 46 5 51 3 9 6 5 8 2 71 3 标准 + 试4 4 一上存在条穿透性腐蚀疲劳裂纹 表2 - 4 钻杆冲击韧性试验结果 编加厚区2 0 接头1 0 c 试样 管体2 0 * c a k v ( j 1接头2 0 。c a k v ( j ) 号 a k v ( j )a k v ( j ) 17 5 1 0 r a m 纵向1 0 1 、9 9 、9 91 0 3 、8 0 、9 3| 2 7 5 1 0 r a m 纵向9 9 、1 0 4 、1 0 3 1 0 2 、1 0 5 、1 0 5 | 37 5 1 0 r a m 纵向l o o 、】0 2 ，9 99 9 、1 0 0 、】0 3 4 7 5 1 0 r a m 纵向1 0 3 、1 0 3 、1 0 31 0 4 、1 0 7 、1 0 5 51 0 1 0 r a m 纵向|9 0 、8 7 、8 7 5 51 0 x 1 0 r a m 纵向|5 1 、5 1 、5 64 8 、4 7 、5 0 6 1 0 1 0 r a m 纵向| 9 5 、9 6 、9 6 6 1 0 1 0 r a m 纵向| 4 3 、4 2 54 2 、4 1 5 、3 7 5 8 1 # 管体冲击性能 试验温度 b 接头冲击性能 图2 - 3 冲击试验结果 西安石油大学硕士学位论文 2 2 3 金相组织 钻杆管体、加厚区、对焊区及接头金相分析结果列于表2 5 ，不同部位组织形貌见图 2 4 中。显然，钻杆管体与接头均采用整体淬火回火的调质热处理，且对焊后焊缝区又进 行了调质热处理。 表2 - 5 金相分析结果 夹杂物 热处 编晶粒 部位abcd组织形貌 理工 丐度 粗 细粗细 粗 细粗细 艺 管体 8 501 00o00 o1 0 回火索氏体调质 加厚区 7 50 5 00 5 o0o o 5 同火索氏体调质 1 对焊区8 o 0 1 0 o0 5oo0o 5 回火索氏体为主调质 接头侧 7 5o 51 o0o 。50ooo 5 回火索氏体调质 管体 8 5o1 ，0o0 50001 0 回火索氏体调质 加厚区 8 00 500 50o00 5 回火索氏体调质 2 回火索氏体十少量 对焊医7 5 o 1 o 0o 5 0o o0 5 调质 贝氏体 接头侧 7 5o1 0o o 5 0o 0o 5 回火索氏体调质 管体8 5 0 1 0 o0 50001 0 回火索氏体调质 加厚区 8 00 5o 500 5o0o1 0 回火索氏体调质 3 对焊区 8 oo 51 000 50o 5oo 5 回火索氏体为主调质 回火索氏体+ 少量 接头侧 8 ，0o】500 500o1 0 调质 贝氏体 管体8 5 o 1 0 0 oo0 1 o 同火索氏体 调质 加厚区8 oo1 0 0o 5o 0o o 5 回火索氏体 调质 4 对焊区 7 5o 5 1 0 0o 50 o 5 01 o 回火索氏体为主 调质 接头侧8 0 o1 00o 500o0 5 回火索氏体调质 5接头 7 50 51 ooo 5 0o 0 0 5 回火索氏体 调质 6 接头 7 ，5o1 00o 5o001 o 回火索氏体调质 第二章钻杆失效分析 ab 图2 4 金相组织照片 2 3 接头及内加厚过渡区测量 2 3 1 接头外径测量 由于该批钻杆在打陈古1 井之前，已经使用过，使用磨损后接头的螺纹参数已无法按 标准进行测量，故仅对母接头的外径进行了实际测量。a p is p e c7 规定1 2 7 r a mg 1 0 5 钻 杆接头外径d = 1 6 5 m m ，实测母接头外径均已磨损，外径偏小量2 - 6 m m 。 2 3 2 加厚过渡区尺寸测量 图2 5 、表2 6 分别列出钻杆加厚过渡区正式形状及内加厚消失段m i u 、r 测量结果。 可以看出，随机取样解剖测量的6 根钻杆m i u = 1 0 5 m m m 6 3 m m ，r 3 0 0 m m ，符合s y 仃5 9 8 7 标准。只是部分钻杆内加厚过渡区不甚平滑过渡，有波纹痕迹( 见图2 5 b 、c ) 。 表2 - 6 钻杆内加犀过渡区 编号m i u ( 咖i )r ( n l l l i ) 结构特点 11 0 3 7 3 0 0 平滑过渡 2 1 3 6 5 3 8 0 平滑过渡 3 1 3 3 5 3 2 0有波纹 4 t 4 7 3 4 0 0 有波纹 5 1 0 7 4 3 5 0 平滑过渡 61 6 1 9 4 0 0 平滑过渡 s y t5 9 8 71 0 03 0 0 未要求 西安石油大学硕士学位论文 ab c 图2 - 5 钻杆加厚区形貌 2 4 失效钻杆断口及裂纹分析 为了找出钻杆早期失效的原因，从失效样品不同部位取样进行断口分析、裂纹形态分 析，同时结合能谱仪和电子断1 3 金相技术进行裂纹扩展腐蚀产物分析等等。 2 4 1 管体断裂形貌分析 a 宏观断口分析 从图2 6 a 的断裂钻杆宏观断口可以看出，管体断裂属典型的 疲劳断裂，沿管壁圆周有两处疲劳裂纹扩展区、断1 3 面均穿透管壁。一处裂纹面长度达 6 0 m m ，另一处疲劳裂纹扩展区长大约4 1 r a m 。两处疲劳裂纹扩展不在同一横截面上，相 隔数毫米。其它断面为剪切唇撕裂断口，有扭转和磕碰变形的痕迹。 对断口疲劳裂纹扩展区局部放大观察，形貌如图2 - 6 所示。断面平整，呈灰褐色，外 壁侧被磨损，表面锈蚀严重，局部可看到腐蚀产物痕迹。初步判断属腐蚀疲劳断1 2 1 特征。 第二章钻杆失效分析 a c b d e 图2 - 6 管体断裂形貌图 b 微观断口分析管壁局部断口形貌如图2 - 6 a ，腐蚀严重，断口表面覆盖着腐 蚀产物，腐蚀产物呈泥状花样( 图2 - 6 b ) ，在裂纹扩展前沿区还可观察到疲劳辉纹，见图2 6 d ， 大平区以腐蚀形貌为主，有大量的小腐蚀孔洞，图2 6 e 。孔洞多为空的，少数空洞内有残 留物，经x 射线能谱仪分析，成分为f e 、c 1 、m n 、s 、s i 等( 图2 7 ) 。 西安石油大学硕士学位论文 图2 7 断口能谱曲线 2 4 2 管体刺穿形貌分析 观察图2 - 6 b 的钻杆，在加厚消失端有刺穿裂纹，主裂纹长走过超过5 0 m m ，小裂纹 亦有近2 0 m m 长度。主裂纹目视观察，已形成明显的泥浆刺穿痕迹，而且多处凹坑。次裂 纹外表面宽度窄，没有明显的刺坑痕迹。 需要强调的是，2 号钻杆上的主、次两条裂纹，亦不在同一横截面上，其特点与图2 6 a 断口相似。说明断裂钻杆形成两条疲劳裂纹的多源扩展特征并不具有特征并不具有偶然 性，即钻杆服役中截面应力较大，服役条件相对苛刻。 将2 号钻杆解剖，沿刺穿断面垂直观察断口特征，宏观断口上有半圆形小平面，起始 于管内壁的腐蚀坑，断口呈黑褐色，微观形貌如图2 8 所示，表面腐蚀严重( 图2 - 8 a 、b ) ， 断面相对平整，局部腐蚀产物多( 图2 - 8 e ) ，从坑底形成的裂纹源，在坑底及断面上还可以 观察到腐蚀产物层( 图2 8 d 、e ) ，其成分有f e 、k 、c a 、c l 、s i 、s 、c r 等，与图2 7 的l 号断口特征基本一致。因此可以说两根钻杆属同一类失效，即腐蚀疲劳失效。钻杆受力严 重者形成断裂，应力较低者引起刺穿。 第二章钻杆失效分析 a e e 圈2 - 82 号钻杆剌穿断口形貌 b d 2 4 3 管体内加厚过渡区表面形貌分析 对表2 - 1 所列3 号、4 号钻杆解剖，酸洗内表面发现，在加厚过渡消失段管内壁存在 多处非常严重的腐蚀坑及坑底裂纹，见图2 - 9 。腐蚀坑深度普遍超过3 m m ，直径5 r a m 以 上，最大坑深6 r a m ，见图2 9 a 、b ，在加厚消失处还可以看到多处腐蚀疲劳裂纹，裂纹沿 壁横截面扩展，较深的裂纹扩展己达的2 3 或穿透管壁。见图2 9 c 。 西安石油大学硕士学位论文 ab e 图2 - 9 钻杆内壁腐蚀坑及裂纹 对比图2 9 a 、b 及图2 8 d ，钻杆腐蚀属于典型的点蚀失效。钻杆在点蚀发生的初始阶 段，由于阳极溶解下来的金属离子水解成h ，因此蚀孔中溶液的p h 值下降，具有强酸性， 这样又加快了金属溶解，造成点蚀孔的扩大与加深。随着腐蚀的不断进行，蚀孔内形成腐 蚀产物( 图2 - 8 d ) ，蚀孔内的金属愈加浓缩，因水解使p h 值降低，孔内欲维持电荷自然平 衡，c l 不断通过腐蚀产物向孔内迁移、富集，形成自催过程。这就是腐蚀产物中c i 、k 、 c a 多的原因所在。 沿裂纹扩展垂直方向取样观察，在疲劳裂纹扩展面上塞积着大量腐蚀产物，见图2 1 0 。 经能谱仪分析，腐蚀产物中c l 、s 、c a 、c r 、s i 等元素含量富集；见图2 。1 1 。将裂纹面剖 开观察，断裂面平整，有交变应力引起的疲劳及摩擦痕迹。腐蚀产物仍以c l 、s 、c a 、k 、 s i 为主。与图2 1 1 分析结果基本一致。 图2 - 1 0 腐蚀裂纹形貌图2 - 11 裂纹中产物能谱曲线 第二章钻杆失效分析 2 4 4 接头纵裂形貌分析 对于图2 一l c 、d 、e 中的接头裂失效，宏观观察外表面存在着多条纵向裂纹，其中主 裂纹一般较宽且长，基本穿透整个管壁，在主裂纹旁边分布着众多小裂纹，各条小裂纹= 间无规律纵向分布，具有明显的龟裂特征。 将主裂纹剖开观察裂纹面，达观断口齐平，为完全脆性开裂特征。断口面上放射状拇 裂条纹被收敛于接头大端外表面距端部6 , - q 5 m m 处，即该处为起裂源区，见图2 1 2 。彭f 口面呈黑褐色，有锈蚀与腐蚀迹象。宏观断口在扫描电子显微镜下进行观察分析，源区以 腐蚀形貌为主，有微裂纹，见图2 1 3 。能谱仪分析腐蚀产物成分为c a 、f e 、s i 、s 、b a 、 k 、a l 等，见图2 1 4 。另夕 ，主裂纹面上覆盖的腐蚀产物，微观形状如图1 2 d 所示。能谱 分析有f e 、s 、c l 、c r 等，见图2 - 1 4 b 。整个断口上的腐蚀产物中均有s 。 a 图2 1 2 接头纵裂断口 b 西安石油大学硕士学位论文 a c 图2 1 36 号接头断口微观形貌 a b 图2 1 4 断口上腐蚀产物能谱曲线 b d 另外，5 号接头裂源处有因挤压变形而产生的飞边，且形成磨损痕迹，见图2 1 5 。源 区断1 3 以腐蚀形貌为主。主裂纹扩展区形貌为准解理，而且亦被腐蚀，见图2 一1 5 。扩展 区覆盖的腐蚀产物呈龟裂状，见图2 - 1 6 c ，腐蚀产物仍为c a 、f e 、s i 、s 、b a 、k 、c l 、 c r 等。 第二章钻杆失效分析 a a 图2 1 55 号接头断口表面低倍形貌 c 图2 - 165 号接头断口形貌 b b 采用金相法垂直于裂纹面方向取样观察裂纹扩展路径，如图2 1 7 所示。其中紧靠接 头外表面裂纹呈4 0 6 0 度( 切应力) 方向扩展，裂纹长 2 m m 后开始沿主应力方向扩展。 裂纹面内塞积着大量腐蚀产物，见图2 - 1 7 a 、c 。对裂纹前沿局部放大，裂纹扩展路径具有 典型的应力腐蚀开裂特征，见图2 - 1 7 d 。 西安石油大学硕士学位论文 a c 图2 1 7 接头纵裂裂纹走向 b d 采用4 硝酸酒精腐蚀后观察，接头外表面组织形貌为白亮的马氏体组织，白亮区深 度约0 0 2 - - - 0 0 8 m m ，白亮层显微镜硬度h v 0 2 = 7 8 7 7 5 9 。白亮层以下为变形的组织形态， 见图2 - 1 8 a 、b 、c a 组织形貌与基本一致均为回火索氏体，但方向性变形明显，变形区加 上白亮层的厚度约1 2 m m 左右，与图2 1 7 的起始裂纹扩展相吻合。基体组织的显微硬度 h v 0 2 。3 1 7 2 9 2 ，另外在白亮马氏体层区表面还可以看到多处腐蚀坑，图2 1 8 e 、f ，说明 马氏体对应力腐蚀开裂敏感，耐腐蚀性很差。 总之，通过对接头开裂分析可知，接头服役经历了强烈的磨损变形，而且在摩擦过程 中，金属表面发生了马氏体相变的淬火过