摘 要:某井鉆井作業(yè)時(shí)發(fā)生了多次鉆桿擠扁現(xiàn)象。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試 驗(yàn)、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)鉆桿擠扁的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:鉆桿管體與卡瓦之間的嚙合接觸不 均勻造成應(yīng)力分布不均勻,當(dāng)局部的接觸應(yīng)力超過了鉆桿管體的屈服強(qiáng)度而使鉆桿管體發(fā)生塑性 變形擠扁,卡瓦牙板磨損較為嚴(yán)重是導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻的主要原因。

關(guān)鍵詞:S135鋼級(jí)鉆桿;卡瓦咬痕;受力不均;塑性變形

中圖分類號(hào):TH142.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2021)10-0055-05

隨著高強(qiáng)度鉆桿的成功研發(fā)和鉆井技術(shù)的進(jìn)一 步發(fā)展,鉆井的深度、水平段的長(zhǎng)度等都有了大幅度 的提高[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),2000年以前,我國(guó) 超過7000m以上超深井的數(shù)量?jī)H為3口,2010年 前只有19口,到2020年,已超過600口。為了減少 起下鉆時(shí)間,提高鉆井安全和效率,現(xiàn)在大部分井區(qū) 采用“一卡一吊”的起下鉆作業(yè)方式,起下鉆時(shí)通過 給卡瓦施加一個(gè)橫向載荷使其咬入鉆桿表層,通過 摩擦力克服鉆桿的重力載荷。隨著井深越大,井下 的鉆具所受重力也會(huì)越來越大,井口卡瓦對(duì)鉆桿的 夾緊力也必然會(huì)增加,卡瓦咬入的區(qū)域通常在距離 鉆桿接頭母端600~900mm的區(qū)域內(nèi),在該區(qū)域內(nèi) 留下的卡瓦咬痕或者劃痕經(jīng)常會(huì)引發(fā)鉆桿發(fā)生刺漏 現(xiàn)象[2-4],當(dāng)卡瓦對(duì)鉆桿的徑向應(yīng)力超過鉆桿的擠毀 強(qiáng)度時(shí),鉆桿將會(huì)發(fā)生塑性變形而失效[5-6]。某井發(fā) 生了多次鉆桿擠扁變形現(xiàn)象,筆者取回了部分失效 鉆桿并結(jié)合實(shí)際工況對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)和分析,以期類 似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

鉆桿的宏觀形貌如圖1所示,一件管體有明顯 的塑性變形,為失效鉆桿;另一件無明顯損傷,為同 批 未 失 效 鉆 桿。 鉆 桿 規(guī) 格 為 ?139.7 mm × 9.17mm,鋼級(jí)為S135,該批鉆桿的訂貨標(biāo)準(zhǔn)為API Spec5DP-2009。

為了便于表述,將失效鉆桿管段取名為1號(hào)試 樣,未失效鉆桿管段取名為2號(hào)試樣。經(jīng)觀察,1號(hào) 試樣發(fā)生了塑性變形擠扁,在擠扁區(qū)域的圓周外表 面可見牙痕損傷,如圖2所示。這些牙痕損傷分布在整個(gè)圓周表面,與起下鉆過程中卡瓦咬傷痕跡吻 合。對(duì)失效鉆桿擠扁部位進(jìn)行測(cè)量,最大直徑為 146.07mm,最小直徑為135.27mm,未變形處的直 徑為139.97mm。對(duì)未變形處的管體壁厚進(jìn)行測(cè) 量,管體壁厚平均值為9.93mm。

仔細(xì)觀察1號(hào)試樣擠扁變形區(qū)的整個(gè)圓周形貌, 可發(fā)現(xiàn)鉆桿管體擠扁變形不均勻,一側(cè)變形嚴(yán)重,另 一側(cè)近乎沒有變形,呈近紡錘形,如圖3所示。從圖3 還可以看出,在變形區(qū)的內(nèi)壁,涂層已損壞、破裂甚至 剝落。整個(gè)圓周外表面上的卡瓦咬痕深度并不相同, 在變形量大的兩側(cè)咬痕深,而在變形位置對(duì)應(yīng)的另一 側(cè)位置則咬痕淺,如圖4所示。將外表面的卡瓦咬 痕,按順時(shí)針方向進(jìn)行編號(hào),1號(hào)咬痕和2號(hào)咬痕分 別位于最大形變區(qū)的兩側(cè),其中,1、2、3、5號(hào)咬痕所在 位置的鉆桿內(nèi)表面,涂層均有不同程度的損傷。

1.2 化學(xué)成分分析

分別從1號(hào)和2號(hào)鉆桿試樣上取樣,采用 ARL 4460OES型直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析, 結(jié)果見表1?？梢娿@桿管體材料的化學(xué)成分符合 APISpec5DP-2009標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

1號(hào)試樣已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的變形,所以其拉伸 和沖擊試樣無法取樣。根據(jù) APISpec5DP-2009標(biāo) 準(zhǔn),從2號(hào)試樣上取全壁厚板條拉伸試樣、V型缺口 夏比沖擊試樣,從1號(hào)和2號(hào)試樣上取全壁厚圓環(huán) 硬度試樣。分別采用 WAW-600型電液伺服萬能試 驗(yàn)機(jī)、JBN-300型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和600MRD型數(shù) 顯洛氏硬度計(jì)進(jìn)行拉伸、沖擊和硬度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果 見表2和表3。由試驗(yàn)結(jié)果可知,與擠扁鉆桿同批 次生產(chǎn)的2號(hào)鉆桿材料的拉伸性能、沖擊吸收能量 符合 APISpec5DP—2009標(biāo)準(zhǔn)要求;1號(hào)鉆桿試樣和2號(hào)鉆桿試樣在整個(gè)圓周的截面硬度相近,1號(hào) 鉆桿在擠扁變形區(qū)的硬度與其他區(qū)域的硬度沒有明 顯差異,比較均勻。

1.4 金相檢驗(yàn)

分別從1號(hào)鉆桿試樣變形處和2號(hào)鉆桿試樣管 體上取金相試樣,依照 GB/T13298-2015《金屬顯 微組織檢驗(yàn)法》對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn),金相試樣用4% (體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液浸蝕,然后在 GX51型 倒置金相顯微鏡下觀察橫截面顯微組織形貌,如圖 5所示。1號(hào)鉆桿變形處的顯微組織與2號(hào)鉆桿管 體材料的顯微組織相同,均為回火索氏體,晶粒度為 10級(jí)。

在圖3和圖4所示的1號(hào)鉆桿試樣沿整個(gè)圓周標(biāo)注的1、2、3、4、5號(hào)咬痕位置取樣,進(jìn)行金相檢驗(yàn) 和咬痕深度分析,金相試樣用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝 酸酒精溶液浸蝕,然后在 GX51型倒置金相顯微鏡 下觀察橫截面顯微組織形貌,分析結(jié)果見表4?？?見咬痕處的組織均發(fā)生了變形,但組織無異常,均為 回火索氏體。

2 分析與討論

2.1 材料質(zhì)量

通過對(duì)失效鉆桿試樣和同批次鉆桿試樣的分析 可知,鉆桿的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合 APISpec 5DP—2009的要求,失效鉆桿擠扁變形處的硬度和 組織無異常,表明鉆桿擠扁與材料無關(guān)。

2.2 卡瓦夾持

卡瓦是鉆井作業(yè)中鉆具起下鉆時(shí)常用的井口工 具,139.7mm 鉆桿使用的卡瓦實(shí)物圖見圖6a),結(jié) 構(gòu)示意圖見圖6b)。由圖6可知,卡瓦由3頁卡瓦 體組成,每頁卡瓦體上分布有3列牙板,每列牙板間 的間距為10mm。中間卡瓦頁與左、右卡瓦頁間的 牙板間隙為30mm。當(dāng)卡瓦坐掛鉆桿時(shí),卡瓦上的 各牙板與管體均勻接觸,在鉆桿本體外表面留下均 勻的咬痕,即各牙板受力均勻,圖6c)所示為現(xiàn)場(chǎng)試 驗(yàn)卡瓦與鉆桿管體正常接觸時(shí)在管體留下的咬痕 形貌。

卡瓦牙板對(duì)鉆桿夾緊的示意圖如圖7所示,擠 扁失效的區(qū)域在左右兩側(cè)牙板的中間,如圖中所示。 對(duì)失效鉆桿的牙板咬痕進(jìn)行觀察,可觀察到3頁卡 瓦頁對(duì)應(yīng)的牙板咬痕并不均勻,且每一頁卡瓦上的 3列牙板的咬痕也不均勻,甚至沿管體軸向方向,每 一列牙板的不同牙板的咬痕也不均勻,如圖8所示。 圖8a)和b)所示的為變形位置左、右側(cè)牙板咬痕, 3列牙痕中兩側(cè)的牙痕較深,中間列較淺,且每一個(gè) 牙板沿圓周方向的每個(gè)牙齒的咬痕也是由深到淺。 圖8c)所示為變形位置對(duì)面的卡瓦頁所留下的咬 痕,可以看出,這頁牙板的3列牙痕是中間列深,兩 側(cè)列淺。

咬痕的深淺直觀表現(xiàn)了卡瓦上牙板與管體的接 觸應(yīng)力情況,接觸應(yīng)力越大,對(duì)管體的咬痕越深。同 時(shí),鉆桿管體在整個(gè)圓周的咬痕深度的差異,說明鉆 桿管體與卡瓦牙板間的接觸不均勻,咬痕深的區(qū)域, 接觸應(yīng)力大,管體承受的外擠壓力大。金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示兩側(cè)牙板的咬痕深度較深,其中1號(hào)、2號(hào)、 5號(hào)咬痕為左右兩側(cè)的牙板留下的最深咬痕,平均 深度約0.88mm;中間的牙板咬痕相對(duì)要淺一些,其 中3號(hào)、4號(hào)咬痕為該中間牙板留下的最深咬痕,平 均深度約0.48mm。兩側(cè)牙板的咬痕深度是中間牙 板咬痕深度2倍左右,說明擠扁失效鉆桿在服役時(shí) 卡瓦左右兩側(cè)的牙板對(duì)其施加的徑向應(yīng)力要比中間 牙板對(duì)鉆桿的徑向應(yīng)力大得多。

2.3 卡瓦夾持鉆桿受力分析

依據(jù)APINS-1、DS-1標(biāo)準(zhǔn)5.12可以得知,井下 鉆柱懸質(zhì)量產(chǎn)生的單元拉升應(yīng)力St 會(huì)形成環(huán)向應(yīng) 力Sh,環(huán)向應(yīng)力為很多因素的函數(shù),如卡瓦長(zhǎng)度、卡 瓦和卡瓦座之間的摩擦因數(shù)、管體外徑、所用設(shè)備的 情況以及其他的因素。定義Sh/St 為這些因素組合條件下的卡瓦擠壞常數(shù)。

確定避免卡瓦擠壞時(shí)的承載能力足夠,首先用 下式確定鉆桿的有效承載能力:

式中:ESCC 為有效承載能力;SCC 為額定承載能力; DF 為拉伸系數(shù)。

不發(fā)生卡瓦擠壞可接受的載荷條件必須滿足下 式:

式中:F拉伸 為拉伸載荷。

該 次 S135 鋼 級(jí) 鉆 桿 的 拉 伸 載 荷 約 為 136000kg(即懸重),設(shè)定拉伸系數(shù)DF =1.15,根據(jù) 鉆桿及卡瓦的規(guī)格,查DS-1標(biāo)準(zhǔn)表可得 Sh St =1.27。

S135鋼級(jí)鉆桿的額定承載能力為357000kg (查DS-1標(biāo)準(zhǔn)得到)。根據(jù)式(1)和式(2)可得,有 效承載能力約為310500kg,136000kg×1.27= 173000kg≤310500kg。

計(jì)算結(jié)果說明當(dāng)時(shí)井下鉆具的懸質(zhì)量滿足卡瓦 擠壞的承載能力。但是,這種計(jì)算是基于鉆桿和懸 掛裝置良好,卡瓦和管體整個(gè)接觸面載荷分布均勻。 本次鉆桿外壁從宏觀分析和微觀分析都表明了卡瓦 和管體整個(gè)接觸面載荷分布是不均勻的,這會(huì)降低 卡瓦系統(tǒng)的承載能力。設(shè)定卡瓦牙與鉆桿之間的摩 擦因數(shù)為μ,卡瓦對(duì)鉆桿的徑向作用力為F,井下鉆 具懸重為G,當(dāng)鉆桿坐在卡瓦座上時(shí)滿足公式:

在式(3)中,徑向作用力F 為3個(gè)卡瓦牙板對(duì) 鉆桿的徑向作用力之和,左側(cè)牙板、右側(cè)牙板和中間 牙板的對(duì)鉆桿的徑向作用力分別為F1、F2、F3,那 么則有:

每個(gè)牙板與鉆桿管體的理論接觸面積為S,中 間牙板對(duì)鉆桿的總體咬痕深度較淺,說明當(dāng)時(shí)F3 較低,為了保證平衡,F1 和F2 會(huì)增大。同時(shí)由于 接觸不均勻,左側(cè)牙板和右側(cè)牙板與鉆桿外壁的實(shí) 際接觸面積S0 要小于S。同時(shí),由于牙板使用時(shí)間較長(zhǎng),牙板磨損較為嚴(yán)重,導(dǎo)致牙板局部區(qū)域的接觸 力也是分布不均勻的,最后在在牙板較為突出的區(qū) 域會(huì)對(duì)鉆桿形成較大的應(yīng)力,并且超過了鉆桿的屈 服強(qiáng)度[7-9],使得鉆桿在該區(qū)域發(fā)生塑性變形。

3 結(jié)論及建議

鉆桿發(fā)生擠扁失效的原因?yàn)殂@桿在鉆臺(tái)坐卡過 程中,管體與卡瓦之間的嚙合接觸不均勻,局部的接 觸應(yīng)力超過了鉆桿管體的屈服強(qiáng)度而使鉆桿管體發(fā) 生塑性變形,卡瓦牙板磨損較為嚴(yán)重是導(dǎo)致卡瓦對(duì) 鉆桿的應(yīng)力分布不均勻的主要原因。

建議使用的卡瓦與鉆桿規(guī)格要相對(duì)應(yīng),避免卡 瓦內(nèi)徑與鉆桿外徑不同;避免新舊牙板混裝使得鉆 桿受力不均勻;避免使用已經(jīng)壞掉的牙板;保證卡瓦 與鉆臺(tái)補(bǔ)芯配合;保證井眼軸線與井架中心線在同 一軸線上。

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<文章來源 >材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 57卷 > 10期 (pp:55-59)＞