鉆具失效斷裂淺談

張建中

（西部鉆探庫爾勒管具技術服務分公司，新疆庫爾勒841000）

1 事故經過

2020年2月13日14:00，地處沙漠腹地一風險直探井，采用9-1/2”近鉆頭扶正器和鉆柱型扶正器通井到底，21:00循環，23:30短起井深5100.4m（套管內），至14日7:44 靜止觀察，大鉤負荷突然由2248kN 降到768kN，其他參數暫無變化。起鉆至第68 柱發現從中單根時公扣處斷裂，斷裂面平整。

2 鉆井設計情況及鉆井經過

2.1 鉆井設計基本情況

設計井深6820m，風險探井，直井。

2.2 鉆井過程

鉆井過程見表1。

表1 鉆桿失效前的鉆井過程及井筒參數

（1）失效時鉆具組合：9-1/2″牙輪鉆頭+雙母接頭630×410+7″鉆鋌1 根+?239mm 螺旋扶正器+7″鉆鋌1根+?239mm 螺旋扶正器+7″鉆鋌13 根+轉換接頭411×520+5-1/2″加重14根+5-1/2″鉆桿。

（2）正常鉆進參數（2020 年2 月4 日）：鉆壓：60～80kN，轉速：40r/min+螺桿，排量：36L/s，泵壓：15～17.5MPa，缸套：170mm，泵沖：110 沖/min，密度：1.20g/cm3。

3 斷口描述

失效鉆具在鉆柱中距離井口1951.19m處，第68柱中單根從公扣處斷裂，距公扣密封面17～24mm，斷裂面平整，有明顯的裂紋源約占壁厚的15%、裂紋擴展區約占螺紋橫截面的60%、說明裂紋源存在有一段時間了，瞬斷區約占螺紋橫截面40%，呈45°剪切唇，鉆具的連接面瞬間撕裂，具有明顯疲勞斷裂端口特征，見圖1、圖2、圖3。

4 斷裂鉆桿基本情況

從鉆具監管系統查詢到到，刺穿的5-1/2″×18°鉆桿為格蘭特公司生產，2017 年進貨，曾經在塔里木山前區塊使用過。本井2020年1月9日送井，未修公扣，1月14日入井，純鉆時間247.5h，進尺825m，鉆桿在入井期間主要巖性為淺灰色含云灰巖，此種巖性主要成分是方解石，其莫氏硬度約為3，在礦物質的硬度1～10級硬度中偏軟，鉆井工況穩定，無掛卡、無跳鉆、無憋鉆現象；只是在2020 年1 月21 日鉆進至井深5489m 發生井漏,沒有其他復雜工況，與鉆井日志描述一致，與斷裂失效影響不大。

5 斷裂失效原因

（1）從鉆桿接頭斷裂時所處的井深看，根據當時鉆深5970m，和鉆具結構，鉆具在斷裂失效時下部鉆具組合為：

9-1/2″牙輪鉆頭（0.4m）+雙母接頭630×410（0.75m）+7″鉆鋌1 根（9m）+?239mm 螺旋扶正器（2.2m）+7″鉆鋌1 根（9m）+?239mm 螺旋扶正器（2.2m）+7″鉆鋌13 根（117m）+轉換接頭411×520（0.55m）+5-1/2″加重14 根（130.5m）+5-1/2″鉆桿（3747.2m）。

鉆具斷裂時下部鉆具在泥漿中的重量1566kN,又從鉆井日報中了解到，在該鉆具的有效進尺內，沒有遇到明顯的掛卡。拉力強度也沒有超過5-1/2″一級抗拉強度2977kN。該鉆桿在鉆進時斷裂點所承受的拉伸載荷并不大，拉伸載荷不是斷裂的主要原因。

（2）根據經驗在該區塊對一級鉆桿的純鉆時間規定不超過800h，該鉆桿純鉆247.5h，沒有超過規定純鉆時間，沒有超期使用，如果鉆桿沒有缺陷，按照鉆井工況，不會斷裂失效事故。

（3）從斷口側面觀察，見圖1，整個斷口較為平齊，無明顯塑性變形痕跡，說明斷口斷裂并非因載荷大而引起的塑性斷裂，從斷口正面觀察，可見鉆桿接頭斷口可以明顯分成兩個區域，裂紋擴展區和剪切唇區（瞬斷區），見圖2。裂紋擴展區斷口表面平坦，局部區域可見擠壓痕跡，尤其在裂紋擴展區的外圓弧中部可見一處表面發亮，端口擠壓痕跡明顯，該區域應為裂紋源，見圖3，且表面疲勞臺階明顯；瞬斷區斷口表面以剪切唇為主，屬典型塑性斷裂區。根據鉆桿接頭以上斷口特征，該鉆桿接頭根部斷裂應為典型的疲勞斷裂。

圖1 斷裂處側面

圖2 斷裂處橫截面

（4）接頭斷裂部位位于螺紋根部，從斷口表面裂紋源區域可以看到，該區域斷口顏色發亮，與附近端5口表面顏色明顯不同，且該區域擠壓痕跡明顯，見圖3。根據裂紋源處的宏觀特征，和該鉆具入井時間和鉆井工況，鉆桿接頭應該在送井前螺紋根部的缺陷就應該存在，一旦缺陷（裂紋源）存在，隨著進尺加深、鉆桿接頭部位在拉力、彎曲力和鉆具公轉產生的交變應力迫使原始裂紋源擴展，隨著時間的延長，擴展區慢慢延伸，直到剩余截面不能承受載荷時發生瞬斷而在斷口表面形成瞬斷區。

圖3 斷裂處的裂紋源

6 結論

本次公接頭斷裂的屬于疲勞斷裂，而原始的裂紋源是罪魁禍首，避免鉆桿攜帶缺陷送井就成了解決問題的關鍵。

從檢測現場了解到對鉆桿螺紋的無損檢測通常使用超聲波，超聲波的聲程是足夠的，實際檢測過程中，聲程校定為250mm，大于公扣螺紋長度，超聲檢適應于接頭內部的橫向缺陷，對于螺紋根部的微裂紋效果不佳，甚至檢測不出，這些微裂紋在承受較大循環應力時，就會產生疲勞擴展（在斷口表面形成擴展區）。

根據磁粉無損探傷特點，鐵磁材料被磁化后，在表面或近表面的缺陷處，磁力線發生局部畸變，溢出工件表面形成磁極，產生漏磁場，吸附施加在工件表面上的磁粉，在合適光照條件下形成目視可見的缺陷磁痕，從而顯示缺陷的形狀、位置、尺寸、取向和嚴重程度，鉆井現場使用的鉆桿公扣螺紋，采用線圈法磁化，熒光磁懸液沉淀濃度（0.1～0.4mL/100mL）配合連續法加電同時施加配置好的磁懸液，尤其適應于鉆具公螺紋表面和近表面的缺陷檢測。

7 預防措施

鉆具公扣螺紋根部為應力集中區，應力得不到及時釋放加之復雜工況下的拉應力和彎曲應力交變，容易形成微裂紋，送井鉆具送井前應認真檢測。最好采用磁粉和超聲兩種方法進行無損探傷。