气体钻井用Φ139.7 mm钻杆DS55螺纹接头断裂原因分析

李玉民

(中石化中原石油工程有限公司管具公司 河南 濮阳 457331)

0 引 言

随着石油钻井深度不断增大，其钻具的服役载荷也随之增加，同时也出现了一些新的钻井技术和特殊钻具。气体钻井作为一种加快钻井速度的技术得到了广泛应用。但是气体钻井所使用的钻具使用时间较短，钻具发生失效事故的频率较高。其中钻杆失效的比例约为50%，主要发生在钻杆的本体部位[1-4]。气体钻井时上部钻杆的寿命仅为钻井液环境下的40%[5]。从现场调研和大量的研究表明，气体钻井钻柱的振动交变载荷大于钻井液环境下的振动交变载荷[6-8]，较大的振动交变载荷使钻具生产疲劳裂纹，最终形成了断裂失效[9]。从大量的钻具失效的断口特征分析，一般宏观断口呈现腐蚀疲劳和应力腐蚀特征。

2018年12月份，西南区域的某钻井队在采用气体钻井技术施工过程中使用Φ139.7 mm双台肩大水眼钻杆连续出现几次双台肩钻杆外螺纹断裂事故。

1 钻杆外螺纹接头断裂失效情况

四川盆地川东断褶带黄金口构造带分水岭构造上的一口开发评价井设计垂直井深为5 982 m，斜度井深为6 406.56 m，目的层飞仙关组三段，二开采用空气钻井。空气钻进至井深1 323.2 m时，钻压为4 t，转速为85 r/min，扭矩为11～14 kN·m，在钻进过程中钻柱悬重突然由100 t下降至46 t，扭矩由11 kN·m上升至16 kN·m，于是判断钻具断裂。起出钻具并进行检查，发现钻柱中第20柱下单根钻杆外螺纹端丝扣断裂在内螺纹接箍内，鱼顶深度为580.5 m，落鱼长为742.7 m。

发生断裂失效的钻杆型号为Φ139.7 mm×10.54 mm G105 DS55 双台肩接头钻杆，外螺纹接头内径为101.6 mm，外径为184.2 mm。

2 试验分析

2.1 断口形貌宏观分析

断裂失效的Φ139.7 mm×10.54 mm G105 DS55 双台肩接头钻杆的断口位于外螺纹大端第2扣螺纹根部，距台肩面的长度为30 mm，其断口外观形貌如图1所示。从图1可见，该断口表面70%的区域为平整形状。

图1 钻杆外螺纹接头断口形貌

断口外侧存在应力台阶，是典型的多源疲劳特征，且该部位对应于螺纹底部，其形貌如图2所示。断口扩展区存在贝纹线，是典型的疲劳特征，其外观形貌如图3所示。

图2 断口源区应力台阶形貌

图3 断口扩展区贝纹线相貌

2.2 断口形貌微观分析及金相组织分析

2.2.1 断口形貌

在断裂失效的外螺纹断口上取样，用扫描电子显微镜观察其断口微观形貌，如图4所示。从图4可见，该断口扩展区存在疲劳条带，属于典型的疲劳断口微观特征。

图4 断口扩展区疲劳条带微观形貌

2.2.2 金相组织

在断裂失效的外螺纹断口上取样，用金相显微镜下观察其材料的金相组织，材料的金相组织如图5所示。从图5可见，其金相组织为正常的回火索氏体。对其材料的非金属夹杂物评级和晶粒度金相评级，结果见表1。

图5 金相组织形貌

表1 外螺纹材料的金属夹杂物及晶粒度

2.3 理化性能试验分析

2.3.1 化学成分

在断裂失效的外螺纹断口上取样，用ARL-3460直读光谱仪对其化学成分进行分析，结果见表2。从表2可见，该钻杆外螺纹接头材料的化学成分符合API Spec 5DP—2009标准的要求。

表2 化学成分分析结果(质量分数) %

2.3.2 力学性能

在断裂失效的外螺纹接头上取圆柱形状的拉伸试样，标距内直径为12.5 mm，试验温度为室温，试验结果见表3。从表3的结果可见，该钻杆外螺纹接头材料的拉伸强度、屈服强度和伸长率均符合API Spec 5DP—2009标准的要求。

表3 拉伸性能试验结果

在断裂失效的外螺纹接头上取纵向夏比冲击功试样，其尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，沿壁厚方向加工V型缺口，试样温度为21 ℃，试验结果见表4。从表4可见，该钻杆外螺纹接头材料的纵向冲击吸收功符合API Spec 5DP—2009标准的要求。

表4 冲击性能试验结果

在断裂失效的外螺纹接头上取高度为20 mm的全壁厚硬度试样，硬度试验结果见表5。从表5可见，该钻杆外螺纹接头壁厚截面的布氏硬度符合API Spec 5DP—2009标准的要求。

表5 钻杆外螺纹接头材料的布氏硬度试验结果(HWB5/750)

3 钻杆外螺纹接头受力分析

断裂失效的钻杆钢级为G105，外径为139.7 mm，接头螺纹型式为5FH双台肩(DS55)，依据API Spec 5DP—2009标准的规定，外螺纹接头内径应为88.9 mm，(下文简称为API钻杆接头内径)，水力优化的外螺纹接头内径为101.6mm(下文简称为实际钻杆接头内径)。

3.1 抗扭强度分析

分别对API单台肩钻杆接头和实际双台肩接头的抗扭强度进行计算，计算结果见表6。由表6可知，实际双台肩钻杆接头的抗扭强度比API单台肩钻杆接头降低了14%，比双台肩钻杆接头(内径88.9 mm)降低了28%。

表6 钻杆接头抗扭强度计算结果

3.2 抗拉强度分析

分别计算钻杆接头内螺纹和外螺纹危险截面处的抗拉强度，计算结果见表7。由表7可知，API单台肩钻杆接头的内螺纹和外螺纹的抗拉强度匹配性较好，外螺纹的抗拉强度是内螺纹抗拉强度的92%，实际双台肩钻杆螺纹接头的抗拉强度下降了22%，外螺纹的抗拉强度比内螺纹降低了28%。

表7 钻杆接头抗拉强度计算结果

3.3 钻杆接头内径和外径分析

大水眼双台肩螺纹钻杆的接头内径值较大，而其外径值较小，这样可以有效减少钻井压耗、降低泵压和降低钻井液钻井施工的难度，在国内深井、超深井得到了广泛的应用，如在塔河超深井使用中有效降底了泵压、增加了排量[10]。因此大水眼双台肩螺纹钻杆也成为深井、超深井钻井提速不可缺少的工具。非标大水眼钻杆开发和应用也得到了长足的发展，其主要特点是减小接头外径，增加接头内径来达到最好的水力性能。目前主要有两大系列：一种是在API钻杆接头螺纹的基础上通过增加双台肩的方式，既螺纹的锥度为1：6，增大了公接头的内径。另一种是减小钻杆螺纹的锥度和采用双台肩方式，既螺纹的锥度一般为1：12或1：16，同时减小了接头的外径，增大了内径。无论哪一方式，在相同的材料屈服强度条件下，随着外螺纹接头内径增大，其抗扭强度和拉伸强度均产生了降低[11]。

在钻杆接头设计中，钻杆接头内径、外径确定后，要对内、外螺纹的匹配度进行校验。如果两者的强度匹配程度不合理，强度弱的一端就容易断裂。钻杆接头内外径的匹配度用Ab/Ap指标进行判定，Ab/Ap为外螺纹与内螺纹最薄弱位置截面的面积比。1.10≤Ab/Ap≤1.15为理想范围，即使不能满足此要求，也必须达到0.83≤Ab/Ap≤1.40[12]。

表8为Φ139.7 mm钻杆接头的参数，其中第5和第6种接头为分别为API G105和API S135的标准接头，接头的内外径匹配在理想范围，而第1和第3种接头内径为101.6 mm的大水眼双台肩钻杆接头，Ab/Ap分别为1.40和1.35，超出理想范围，但在可接受范围。该种钻杆由于较好的水力性能，可用于循环压耗高的钻井环境。第2和第4种接头的内径均为88.9 mm，为普通双台肩钻杆接头，Ab/Ap分别为1.08和1.03，处于理想范围，但其接头的抗扭强度较API标准接头提高了30%，可用于对抗扭强度较高的钻井环境。在气体钻中，降底气体的压力损失并不明显。因此空气使用的钻杆应选用第5和第6种接头的钻杆。

表8 钻杆接头内外径匹配度计算结果

4 失效原因综合分析

宏观分析表明，断口源区存在应力台阶，扩展区存在贝纹线，这些均为疲劳断裂的典型宏观特征。断口微观分析表明，断口扩展区存在疲劳条带，是疲劳断裂的典型微观特征，因而该钻杆外螺纹接头断裂属于疲劳断裂。

该钻杆钢级为G105，外径为139.7 mm，接头螺纹型式为5FH双台肩，API钻杆外螺纹接头内径为88.9 mm，经水力优化的外螺纹接头内径为101.6 mm。通过计算可知，实际双台肩钻杆接头的抗扭强度比API单台肩钻杆接头降低了14%，实际双台肩钻杆外螺纹抗拉强度比内螺纹降低了28%，接头的抗拉强度比API钻杆接头降低了22%。外螺纹接头的抗拉强度和抗扭强度均明显低于内螺纹的抗拉强度。从钻杆接头内外径匹配度分析，采用的大水眼双台肩结构的Ab/Ap值已超理想范围，属于可接受范围，在空气钻井剧烈的振动条件下容易发生疲劳断裂。而采用标准的API接头Ab/Ap值属于理想范围，适宜用于空气钻井的恶劣条件。经过以后十几口井的实践经验也验证了这个结果，使用标准的API接头再未出现类似的失效事故。

根据发生失效事故的油气井的测斜数据，该井在井深48.7 m处存在2.4°/30 m的斜度。由于上部井段存在较大的狗腿度，位于该井段的钻杆会发生疲劳失效，这也是该钻杆疲劳断裂的原因之一。

钻具发生断裂时，所钻地层为上沙溪庙组，岩性以河流相沉积为主，即岩性主要为泥岩、粉砂岩和石英砂岩，底部为砂和泥岩的不等厚互层。其中的泥岩硬度较软，石英砂岩硬度较高，岩性不均程度较大，容易引起钻柱纵振(即跳钻)和扭振(即憋钻)，振动载荷加速了钻具疲劳失效。为减少钻具事故也要关注所采用的钻头、钻井施工的钻压、转盘转速和井下温度，并采取适当的措施[13]。应加强钻具的检验和探伤[14]。钻杆的磨损会降底其强度和抗疲劳能力，这是钻杆接头失效的主要原因[15]。使用空气锤，选用适合气体钻井的钻具及螺纹以及使用扶正器和空气减震器都是降底钻具失效的有效措施[16-20]。

5 结论及建议

1)Φ139.7 mm双台肩大水眼钻杆接头外螺纹断裂为疲劳断裂。

2)气体钻井不应使用Φ139.7 mm双台肩大水眼钻杆接头钻杆，应使用5FH螺纹接头钻杆。

3) 建议控制转盘转速，采用低转盘转速配合低速空气螺杆的复合钻井技术，在钻柱结构上采用塔式钟摆钻具结构，并在钻头上方装配空气减震器等，从而降低钻具的振动载荷。