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葉頂鵬，王瑞成，崔順賢，廖凌，袁中華
摘要：采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、斷口分析和力學(xué)性能測(cè)驗(yàn)等方法并結(jié)合鉆桿的受力和環(huán)境工況對(duì)Φ127mm S135鉆桿管體發(fā)生刺漏失效的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：鉆桿的刺漏失效形式為腐蝕疲勞失效；鉆桿外表面存在腐蝕坑，在交變應(yīng)力的惡劣工況作用下于腐蝕坑底部萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展，zui終發(fā)生刺漏失效。
關(guān)鍵詞：鉆桿；刺漏；失效分析；腐蝕疲勞
鉆桿是石油天然氣勘探與開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的一種主要工具之一，是鉆桿的組成部分之一，位于整個(gè)鉆柱的上部，占整個(gè)鉆柱長(zhǎng)度的80% ~ 90%。根據(jù)中國(guó)石油管材研究所對(duì)2006年承擔(dān)的鉆具失效單放機(jī)定界符分析項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)，在32項(xiàng)鉆具失效項(xiàng)目中，鉆桿失效（包括接頭和管體）的總數(shù)達(dá)17項(xiàng)，占鉆具失效總數(shù)的53.2%。某井在鉆探過(guò)程中，共發(fā)生11起鉆具失效事故，而鉆桿失效就達(dá)到了8起，占失效事故總數(shù)的77%，而刺漏失效又是鉆桿失效zui常見(jiàn)的一種形式。為了查找鉆桿刺漏的原因，筆者對(duì)其中的 127mm S135刺漏失效鉆桿進(jìn)行了失效分析。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀分析
發(fā)生刺漏失效的鉆桿宏觀形貌如圖1所示，裂紋位于管體上，有明顯的高壓泥漿鉆井液的沖蝕痕跡。鉆桿外壁有明顯的腐蝕坑，內(nèi)壁涂層完好。經(jīng)測(cè)量，失效鉆桿管體的有效壁厚和外徑都在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。
1.2 無(wú)損檢測(cè)
將失效鉆桿按照API SPEC 5D-2002和GB/T5777-1996進(jìn)行磁粉探傷。檢測(cè)結(jié)果表明，在失效鉆桿管體上，除刺漏裂口外，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他明顯的微裂紋。
1.3 化學(xué)成分分析
在失效鉆桿上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)該刺漏失效鉆桿的化學(xué)成分符合API SPEC 5D標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.4 金相檢驗(yàn)
在失效鉆桿刺漏裂紋處取樣在光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)。分析結(jié)果表明，該處的晶粒度為8.0級(jí)，夾雜物級(jí)別為A0.5，B0.5，C0和D0.5。失效鉆桿的顯微鏡組織為回火索氏體，見(jiàn)圖2。在鉆桿試樣外表面還發(fā)現(xiàn)了較多起源于表面腐蝕坑的微裂紋，見(jiàn)圖3和圖4。
在無(wú)損檢測(cè)時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鉆桿外表面的微裂紋，而在金相檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了起源于外表面腐蝕坑底的微裂紋。為了進(jìn)一步了解失效鉆桿外表面腐蝕坑與裂紋的情況，在失效鉆桿外表面的其他位置任取一件試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果表明，又發(fā)現(xiàn)了多條起源于腐蝕坑底的微裂紋，見(jiàn)圖5。因此可以認(rèn)為該鉆桿的外表面存在大量起源于腐蝕坑底的微裂紋。
1.5 斷口分析
在失效鉆桿的刺穿裂紋處取樣進(jìn)行斷口分析，斷口上可見(jiàn)小部分未沖蝕裂紋面，裂紋面呈圓弧形，顏色較暗，較為平坦；用掃描電子顯微鏡對(duì)裂紋面進(jìn)行觀察，可見(jiàn)明顯的疲勞輝紋，如圖6所示。
對(duì)裂紋表面進(jìn)行能譜分析，其中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.10%的氧，見(jiàn)圖7.
1.6 力學(xué)性能
在失效鉆桿上取25.4mm縱向板狀拉伸試樣和7.5mm×10mm×55mm的縱向夏比V型缺口沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，沖擊試驗(yàn)溫度為20℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。可見(jiàn)失效鉆桿的力學(xué)性能符合API SPEC 5D標(biāo)準(zhǔn)要求。
2．分析與討論
從鉆桿的化學(xué)成分、顯微組織及力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，刺漏失效127mm鉆桿的化學(xué)成分及力學(xué)性能均符合APISPEC 5D標(biāo)準(zhǔn)要求。顯微組織分析觀察到鉆桿外表面存在大量起源于腐蝕坑底的微裂紋。斷口分析表明鉆桿裂紋屬于疲勞裂紋，能譜分析表明在裂紋擴(kuò)展面上存在有較多的氧元素，而裂紋就起源于腐蝕坑底。由此可以判定，鉆桿的失效形式是腐蝕疲勞失效。
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料表明，發(fā)生刺漏失效時(shí)的鉆壓為30 ~ 60kN，鉆桿轉(zhuǎn)速為80 ~ 130r·min-1；鉆頭為PDC鉆頭，在鉆探施工過(guò)程中，采用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)。從鉆桿受力情況來(lái)看，失效鉆桿發(fā)生刺漏處雖然遠(yuǎn)離“中和點(diǎn)”位置，但由于轉(zhuǎn)速高，上部鉆桿會(huì)由于離心力的作用產(chǎn)生繞井眼軸線的公轉(zhuǎn)，使鉆桿柱彎曲，產(chǎn)生拉壓載荷。由于鉆桿同時(shí)存在著自轉(zhuǎn)，因此，在整個(gè)鉆桿圓周上交替承受拉壓載荷。加上鉆鋌和井口相當(dāng)于上段柔性鉆桿柱的上下兩個(gè)支點(diǎn)，鉆桿受力惡劣的位置位于鉆桿柱中間段的zui大彎曲段。鉆桿外壁的腐蝕坑和高頻交變應(yīng)力的作用促使裂紋在腐蝕坑底部快速萌生和擴(kuò)展，zui終導(dǎo)致鉆桿發(fā)生刺漏失效。
3．結(jié)論及建議
（1）鉆桿外壁存在腐蝕坑，加之鉆桿在運(yùn)行過(guò)程中承受惡劣的交變應(yīng)力使鉆桿于腐蝕坑底部萌生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，zui終導(dǎo)致鉆桿發(fā)生刺漏失效，其失效形式為腐蝕疲勞失效。
（2）建議在鉆探過(guò)程中，合理調(diào)配鉆井參數(shù)，改善鉆桿受力情況；同時(shí)，通過(guò)調(diào)整泥漿性能，減少鉆桿表面腐蝕坑的形成和擴(kuò)展。
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