G105钻杆内螺纹接头胀扣失效分析
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2 宏观分析
2. 1 磁粉探伤 对失效钻杆施加磁粉液 ,然后施加反差增强剂 ,
使用 CJ Z2212 E 型交直流磁轭探伤仪进行磁化 ,观 察被磁化后的检验区 ,结果未发现裂纹 。 2. 2 宏观形貌及尺寸测量
外螺纹接头无明显变形 ,接头内螺纹端面有明 显变形 。对钻杆内螺纹接头进行尺寸测量以及宏观 拍照 ,宏观 形貌 如图 1 , 其 台肩 面 下 陷 0. 9 ～ 2. 0 mm ,镗孔内径产生了塑性变形并且明显缩小 ,根据 宏观形貌推断钻杆接头在胀大时受到很大的扭矩 。
0. 011
0. 003
Cr 1. 18
Mo 0. 31
Ni 0. 12
3. 2 力学性能分析 在钻杆加厚过渡区纵向截取 10 mm ×10 mm ×
55 mm 夏比冲击试样 ,在温度为 - 20 ℃进行冲击试 验 ;在钻杆加厚区截取纵向棒状拉伸试样进行试验 ,
棒状拉伸试样规格为 6. 25 mm ×25 mm ;在内螺纹 所在钻杆管体截取高度为 50 mm 硬度环 1 个 ,进行 硬度试验 ,其结果如表 3 。力学性能试验结果表明 , 钻杆接头材料力学性能符合 A PI Spec 7 规定 。
指标 试验结果 A PI Spec7
纵向冲击功 /J
128 116 120
—
抗拉强度 / MPa 1 000
表 3 力学性能试验结果
屈服强度
伸长率
/ MPa
/%
905
19. 5
995 ≥965
895 ≥827
20. 5 ≥13
断面收缩率 /% 65. 5
65. 5 —
表面硬度 / HB
321 321 321 285～321
回火索氏体 8 级
1级
<1级
图 3 1 号试样 (内螺纹接头台肩面凹陷处) 图 4 2 号试样 (外螺纹接头端面处)
综上分析可见 ,该钻杆内螺纹接头台肩面出现 了压陷变形失效 ,经计算 ,外径胀大约 1. 02 % ,镗孔 直径缩小约 2. 25 %。
4 综合分析
通过一系列的宏观分析和理化试验可知 ,该失 效钻杆接头的化学成分 、力学性能均符合 A PI Spec 7 标准要求 ,这说明材料质量合格 。 4. 1 力学分析
2009 年 第 38 卷 石 油 矿 场 机 械 第 6 期 第 56 页 OIL FIELD EQUIPMENT 2009 ,38( 6) :56～60 文章编号 : 100123482 (2009) 0620056205
Abstract : The 88. 9 mm ×9. 35 mm G105 drill pipe t hread joint s swell p heno meno n used in drill2 ing oil p rocess were st udied. The result s showed t hat t he performance of t he drill pipe joint s was in line wit h standard and t he main reaso n was t hat t he making up torque was inadequate. Drill pipe joint s in undergro und unrest rained tightening2up caused t he drill pipe joint s to bear t he ex2 cessive load more t han t heir anti2to rque yield st rengt h. Key words : drill pipe ;expanded t hread ;t hread joint s ;p reventive measures
Ty
=
Ym A 12
P
2π
+
cRotsθf +
Rs
f
(1)
A = min ( Ap ∶A b )
(2)
Rt
C+ [C=
( Lpc -
01 625) 4
Rs
=
1 4
(D +
Qc )
(4)
没有应力减轻槽时
π Ap = 4 [ ( C -
B) 2 -
d2 ]
(5)
Ab
π = 4[
D2
距离内螺 纹端面
44～150 mm
表 1 内螺纹尺寸测量数据 测量次数
1
2
3
4
128. 3
128. 1
128. 1
128. 9
平均值 5
127. 9
128. 3
mm A PI Spec 7
规定
127. 0 ±0. 8
127. 1
127. 0
127. 3
127. 1
127. 2
127. 1
127. 0 ±0. 8
88. 9 mm ×9. 35 mm G105 钻杆内螺纹 接头胀扣失效分析
赵大伟1 ,赵国仙1 ,赵映辉2 , 薛 艳1
(1. 西安石油大学 材料科学与工程学院 ,西安 710065 ;2. 西安摩尔石油工程实验室 ,西安 710065)
摘要 :针对某油田钻井过程中所使用的 88. 9 mm ×9. 35 mm G105 钻杆内螺纹接头胀大现象进行 失效分析 。结果表明 :钻杆接头的各项性能指标均符合标准规定 ,失效的主要原因是上扣扭矩不 足 ,钻杆接头在井下无节制旋紧 ,致使钻杆在井下的自上扣扭矩超过了钻杆接头的实际抗扭屈服 强度 。 关键词 : 钻杆 ;胀扣 ;内螺纹接头 ;预防措施 中图分类号 : TE921. 2 文献标识码 : A
螺纹检查发现 ,很多内外螺纹牙底及其螺纹牙 侧面均有细小划痕 ,为粘着磨损形貌 。外螺纹接头 台肩面上存在许多擦伤划痕 ,其接头根部第 1 扣螺 纹牙顶表面存在划伤痕迹 ,有即将脱落的金属屑从 表面被拉拽为顺时针方向 。因该螺纹属粗牙型螺 纹 ,上扣拧紧后螺纹牙之间有间隙 ,不会造成擦伤 , 所以推断接头根部的损伤是镗孔缩小与外螺纹大端 挤死后继续旋进造成的 。
Fa ilure Analysis on Tool Joint Expansion of 88. 9 mm ×9. 35 mm G105 Drill Pipe
ZHAO Da2wei1 ,ZHAO Guo2xian1 ,ZHAO Ying2hui2 ,XU E Yan1
(1. Col le ge of M ateri als S cience an d En gi neeri n g , X i’an S hi you U ni versit y , X i’an 710065 , Chi na; 2. X i’an M au rer Pet roleum En gi neeri n g L aboratory , X i’an 710065 , Chi na)
第 38 卷 第 6 期 赵大伟 ,等 : 88. 9 mm ×9. 35 mm G105 钻杆内螺纹接头胀扣失效分析
·59 ·
D —内螺纹外径 ; DF —接头倒角直径 ; QC —镗孔内径 图 5 内螺纹接头台肩受力示意
按照 A PI RP 7 G 标准[7 ] 推荐公式对 Ty / Q 进 行计算 ,则
钻杆内螺纹接头胀大现象在油田钻井作业过程 中经常发生 ,内螺纹接头胀大到一定程度的最终后 果就是脱扣 。目前 ,普遍认为材料性能 、内螺纹接头 台肩面结构 、上扣和工作扭矩是钻杆接头失效的主 要因素 ,但在钻井过程中 ,由于人工操作的影响以及 钻杆在井下复杂的工作条件下 ,造成钻杆内螺纹接 头胀大的原因复杂多样[1] 。钻杆内螺纹接头的胀大 损坏制约了高效钻井以及钻井质量 ,所以有必要对 其失效原因进行分析 ,提出一系列的预防措施 ,避免 此类失效产生的经济损失[224 ] 。本文以 88. 9 mm ×91 35 mm G105 失效钻杆为例 ,从宏观形貌入手
-
( Qc -
E) 2 ]
(6)
E
=
tpr 32
(7)
B =2
H 2
-
S rs
+
tpr 96
(8)
式中 , Ty 为接头屈服扭矩 ,N ·m ; Ym 为材料最小屈
服强度 ,k Pa ; A 为危险截面积 ,mm2 ; C 为螺纹中径
(距密封台肩 151 9 mm 处 , mm) ; H 为不截顶螺纹
中心硬度 / HB 311
≥285
3. 3 金相分析 在钻杆接头内外螺纹分别截取试样 ,记为 1 、2
号试样 ,进行金相分析 ,金相组织形貌如图 3～4 ,其 结果如表 4 ,可见金相组织正常 。
试样 1号 2号
表 4 金相分析结果
显微组织
夹杂物 晶粒度
脆性分散 塑性分散
回火索氏体 8 级
1级
<1级
·57 ·
寸) 牙 轮 钻 头 ( 0. 19 m) + 330 ×310 转 换 接 头 + 120. 65 mm ( 4 ∃/ 英寸) 马达 ( 4. 5 m) + 120. 65 mm (4 ∃/ 英寸) 钻铤 ×9 根 (82. 28 m) + 330 ×310 转
换接头 + 88. 9 mm (3 ∀− 英寸) G105 钻杆 。钻井参 数 : 钻 压 5 kN ; 转 速 75 r/ min ; 泥 浆 密 度 11 02 g/ cm3 ;井下工作时间 2 h 。
内螺纹的受力如图 5 ,其失效的基本过程为 :内 螺纹接头密封台肩面塑性变形下陷导致镗孔内径 ( QC) 缩小 ,镗孔与外螺纹接头大端挤死 ,当外螺纹 接头继续旋进后内螺纹接头向外胀大 。
钻杆接头抗扭强度与管体抗扭强度之比 ( Ty / Q) 是衡量接头抗扭强度的重要指标[6] ,A PI Spec 7 对不同规格钻杆都有相应的抗扭强度比规定 ,这样 才能使得钻杆接头与管体进行合理匹配 。如果抗扭 强度比小于标准规定 ,则可能导致外螺纹接头胀大 甚至破裂 。
2. 1 磁粉探伤 对失效钻杆施加磁粉液 ,然后施加反差增强剂 ,
使用 CJ Z2212 E 型交直流磁轭探伤仪进行磁化 ,观 察被磁化后的检验区 ,结果未发现裂纹 。 2. 2 宏观形貌及尺寸测量
外螺纹接头无明显变形 ,接头内螺纹端面有明 显变形 。对钻杆内螺纹接头进行尺寸测量以及宏观 拍照 ,宏观 形貌 如图 1 , 其 台肩 面 下 陷 0. 9 ～ 2. 0 mm ,镗孔内径产生了塑性变形并且明显缩小 ,根据 宏观形貌推断钻杆接头在胀大时受到很大的扭矩 。
0. 011
0. 003
Cr 1. 18
Mo 0. 31
Ni 0. 12
3. 2 力学性能分析 在钻杆加厚过渡区纵向截取 10 mm ×10 mm ×
55 mm 夏比冲击试样 ,在温度为 - 20 ℃进行冲击试 验 ;在钻杆加厚区截取纵向棒状拉伸试样进行试验 ,
棒状拉伸试样规格为 6. 25 mm ×25 mm ;在内螺纹 所在钻杆管体截取高度为 50 mm 硬度环 1 个 ,进行 硬度试验 ,其结果如表 3 。力学性能试验结果表明 , 钻杆接头材料力学性能符合 A PI Spec 7 规定 。
指标 试验结果 A PI Spec7
纵向冲击功 /J
128 116 120
—
抗拉强度 / MPa 1 000
表 3 力学性能试验结果
屈服强度
伸长率
/ MPa
/%
905
19. 5
995 ≥965
895 ≥827
20. 5 ≥13
断面收缩率 /% 65. 5
65. 5 —
表面硬度 / HB
321 321 321 285～321
回火索氏体 8 级
1级
<1级
图 3 1 号试样 (内螺纹接头台肩面凹陷处) 图 4 2 号试样 (外螺纹接头端面处)
综上分析可见 ,该钻杆内螺纹接头台肩面出现 了压陷变形失效 ,经计算 ,外径胀大约 1. 02 % ,镗孔 直径缩小约 2. 25 %。
4 综合分析
通过一系列的宏观分析和理化试验可知 ,该失 效钻杆接头的化学成分 、力学性能均符合 A PI Spec 7 标准要求 ,这说明材料质量合格 。 4. 1 力学分析
2009 年 第 38 卷 石 油 矿 场 机 械 第 6 期 第 56 页 OIL FIELD EQUIPMENT 2009 ,38( 6) :56～60 文章编号 : 100123482 (2009) 0620056205
Abstract : The 88. 9 mm ×9. 35 mm G105 drill pipe t hread joint s swell p heno meno n used in drill2 ing oil p rocess were st udied. The result s showed t hat t he performance of t he drill pipe joint s was in line wit h standard and t he main reaso n was t hat t he making up torque was inadequate. Drill pipe joint s in undergro und unrest rained tightening2up caused t he drill pipe joint s to bear t he ex2 cessive load more t han t heir anti2to rque yield st rengt h. Key words : drill pipe ;expanded t hread ;t hread joint s ;p reventive measures
Ty
=
Ym A 12
P
2π
+
cRotsθf +
Rs
f
(1)
A = min ( Ap ∶A b )
(2)
Rt
C+ [C=
( Lpc -
01 625) 4
Rs
=
1 4
(D +
Qc )
(4)
没有应力减轻槽时
π Ap = 4 [ ( C -
B) 2 -
d2 ]
(5)
Ab
π = 4[
D2
距离内螺 纹端面
44～150 mm
表 1 内螺纹尺寸测量数据 测量次数
1
2
3
4
128. 3
128. 1
128. 1
128. 9
平均值 5
127. 9
128. 3
mm A PI Spec 7
规定
127. 0 ±0. 8
127. 1
127. 0
127. 3
127. 1
127. 2
127. 1
127. 0 ±0. 8
88. 9 mm ×9. 35 mm G105 钻杆内螺纹 接头胀扣失效分析
赵大伟1 ,赵国仙1 ,赵映辉2 , 薛 艳1
(1. 西安石油大学 材料科学与工程学院 ,西安 710065 ;2. 西安摩尔石油工程实验室 ,西安 710065)
摘要 :针对某油田钻井过程中所使用的 88. 9 mm ×9. 35 mm G105 钻杆内螺纹接头胀大现象进行 失效分析 。结果表明 :钻杆接头的各项性能指标均符合标准规定 ,失效的主要原因是上扣扭矩不 足 ,钻杆接头在井下无节制旋紧 ,致使钻杆在井下的自上扣扭矩超过了钻杆接头的实际抗扭屈服 强度 。 关键词 : 钻杆 ;胀扣 ;内螺纹接头 ;预防措施 中图分类号 : TE921. 2 文献标识码 : A
螺纹检查发现 ,很多内外螺纹牙底及其螺纹牙 侧面均有细小划痕 ,为粘着磨损形貌 。外螺纹接头 台肩面上存在许多擦伤划痕 ,其接头根部第 1 扣螺 纹牙顶表面存在划伤痕迹 ,有即将脱落的金属屑从 表面被拉拽为顺时针方向 。因该螺纹属粗牙型螺 纹 ,上扣拧紧后螺纹牙之间有间隙 ,不会造成擦伤 , 所以推断接头根部的损伤是镗孔缩小与外螺纹大端 挤死后继续旋进造成的 。
Fa ilure Analysis on Tool Joint Expansion of 88. 9 mm ×9. 35 mm G105 Drill Pipe
ZHAO Da2wei1 ,ZHAO Guo2xian1 ,ZHAO Ying2hui2 ,XU E Yan1
(1. Col le ge of M ateri als S cience an d En gi neeri n g , X i’an S hi you U ni versit y , X i’an 710065 , Chi na; 2. X i’an M au rer Pet roleum En gi neeri n g L aboratory , X i’an 710065 , Chi na)
第 38 卷 第 6 期 赵大伟 ,等 : 88. 9 mm ×9. 35 mm G105 钻杆内螺纹接头胀扣失效分析
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D —内螺纹外径 ; DF —接头倒角直径 ; QC —镗孔内径 图 5 内螺纹接头台肩受力示意
按照 A PI RP 7 G 标准[7 ] 推荐公式对 Ty / Q 进 行计算 ,则
钻杆内螺纹接头胀大现象在油田钻井作业过程 中经常发生 ,内螺纹接头胀大到一定程度的最终后 果就是脱扣 。目前 ,普遍认为材料性能 、内螺纹接头 台肩面结构 、上扣和工作扭矩是钻杆接头失效的主 要因素 ,但在钻井过程中 ,由于人工操作的影响以及 钻杆在井下复杂的工作条件下 ,造成钻杆内螺纹接 头胀大的原因复杂多样[1] 。钻杆内螺纹接头的胀大 损坏制约了高效钻井以及钻井质量 ,所以有必要对 其失效原因进行分析 ,提出一系列的预防措施 ,避免 此类失效产生的经济损失[224 ] 。本文以 88. 9 mm ×91 35 mm G105 失效钻杆为例 ,从宏观形貌入手
-
( Qc -
E) 2 ]
(6)
E
=
tpr 32
(7)
B =2
H 2
-
S rs
+
tpr 96
(8)
式中 , Ty 为接头屈服扭矩 ,N ·m ; Ym 为材料最小屈
服强度 ,k Pa ; A 为危险截面积 ,mm2 ; C 为螺纹中径
(距密封台肩 151 9 mm 处 , mm) ; H 为不截顶螺纹
中心硬度 / HB 311
≥285
3. 3 金相分析 在钻杆接头内外螺纹分别截取试样 ,记为 1 、2
号试样 ,进行金相分析 ,金相组织形貌如图 3～4 ,其 结果如表 4 ,可见金相组织正常 。
试样 1号 2号
表 4 金相分析结果
显微组织
夹杂物 晶粒度
脆性分散 塑性分散
回火索氏体 8 级
1级
<1级
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寸) 牙 轮 钻 头 ( 0. 19 m) + 330 ×310 转 换 接 头 + 120. 65 mm ( 4 ∃/ 英寸) 马达 ( 4. 5 m) + 120. 65 mm (4 ∃/ 英寸) 钻铤 ×9 根 (82. 28 m) + 330 ×310 转
换接头 + 88. 9 mm (3 ∀− 英寸) G105 钻杆 。钻井参 数 : 钻 压 5 kN ; 转 速 75 r/ min ; 泥 浆 密 度 11 02 g/ cm3 ;井下工作时间 2 h 。
内螺纹的受力如图 5 ,其失效的基本过程为 :内 螺纹接头密封台肩面塑性变形下陷导致镗孔内径 ( QC) 缩小 ,镗孔与外螺纹接头大端挤死 ,当外螺纹 接头继续旋进后内螺纹接头向外胀大 。
钻杆接头抗扭强度与管体抗扭强度之比 ( Ty / Q) 是衡量接头抗扭强度的重要指标[6] ,A PI Spec 7 对不同规格钻杆都有相应的抗扭强度比规定 ,这样 才能使得钻杆接头与管体进行合理匹配 。如果抗扭 强度比小于标准规定 ,则可能导致外螺纹接头胀大 甚至破裂 。
