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隨鉆震擊器接頭斷裂分析及改進(jìn)措施

文檔作者：潘志勇宋生印王新虎黃永章朱麗霞李娜文檔來(lái)源： 1．中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 2川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院			點(diǎn) 擊數(shù)：
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第32卷第6期
2010年l1月
石 油 鉆 采 工 藝
OIL DRILLING &amp;amp; PRODUCTION TECHN0L0GY
V01．32 N()．6
NOV．2010
文章編號(hào)：1000 7393(2010)06—0121—04
隨鉆震擊器接頭斷裂分析及改進(jìn)措施
潘志勇 宋生印 王新虎
(1．中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西西安710065；2
黃永章 朱麗霞 李娜
川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，陜西西安710021)
摘要：隨鉆震擊器是一種重要的并下解卡工具，由于其工作環(huán)境惡劣、受力狀態(tài)復(fù)雜，震擊器接頭容易發(fā)生斷裂：為提高
產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)接頭的使用壽命，減少斷裂事故的發(fā)生，需要對(duì)接頭斷裂原因進(jìn)行分析并實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)。針對(duì)一起隨鉆震-2
器上接頭的斷裂事故，采用試驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法進(jìn)行斷裂原因分析。對(duì)接頭進(jìn)行了宏觀分析、尺寸測(cè)量、無(wú)損檢測(cè)、材質(zhì)理
化性能檢驗(yàn)(包括化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織)?對(duì)鉆具組合進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并對(duì)隨鉆震擊g_L接頭和轉(zhuǎn)換接頭的彎曲
強(qiáng)度比選行詳細(xì)計(jì)算 結(jié)果表明隨鉆震擊器上接頭發(fā)生斷裂的原因是由于鉆具組合不合理以及隨鉆震擊器上接頭和轉(zhuǎn)換接頭
的匹配不當(dāng)導(dǎo)致的疲勞斷裂，材料沖擊韌性低進(jìn)一步縮短了疲勞壽命，最后提出了改進(jìn)措施并取得了較好的效果c
關(guān)鍵詞：隨鉆震擊器；接頭；斷裂；疲勞；失效分析；改進(jìn)措施
中圖分類號(hào)：TE 921．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Analysis Oil the fracture of drilling jar’s joint and improvement measures
PAN Zhiy0ng ，SONG Shengyin ，WANG Xinhu ，HUANG Y0ngzhang ，ZHU Lixia ，LI Na
(1．Tubular Goods Research Center ofCNPC，Xi'an 710065，China；
2 CCDC Changqing Engineering Technology Research Institute，Xi'an 710021，China)
Abstract：Drilling jar is a essential stuck freeing device．Fracture may be happens tO drilling jar’s joint because of bad working
conditions and complex load．Study on the fracture of drilling jar’S joint and corresponding improvement measures carried out on joint
can lift joint quality and prolong it’S service life to reduce fracture cases．Fracture failure research was caried through tests and theory
based on a fracture accident of a drilling jar’s top joint．Macroscopic analysis，dimension measurement and nondestructive testing were
done for failure drilling jar’s top joint．The material’S chemical and physical properties(including chemical composition，mechanical
properties，metallography)were checked．The drilling strings assembly was analyzed specially and the bending strength ratio between
drillingjar’S topjoint and adapterjoint was calculated detailedly．The results show that the drillingjar’S topjoint is broken by virtue of
fatigue induced by irrational drilling strings assembly and improper matching between drillingjar’S topjoint and adapterjoint．Thejoint’S
fatigue life was reduced further owing tO material’S impact toughness less than standard value．The improvements were m ade at the end
of this passage and good results had been obtained．
Key words：drilling jar；joint；fracture；fatigue；failure analysis；improvement measures
隨鉆震擊器是簡(jiǎn)單、迅速處理井下卡鉆事故必
不可少的鉆井工具。隨鉆震擊器兩端通常與鉆鋌連
接，當(dāng)出現(xiàn)卡鉆事故時(shí)，震擊器開(kāi)始。。『 作，其依靠突
然的彈性恢復(fù)釋放能量來(lái)產(chǎn)生震擊 ，一般需要多
次甚至幾百次的震擊才能達(dá)到解卡的目的。所以隨
鉆震擊器受力復(fù)雜，不僅要承受正常鉆進(jìn)過(guò)程中的
拉、壓、彎、扭綜合交變應(yīng)力作用，而且在解卡過(guò)程中
還要承受很大的振動(dòng)和沖擊 。 。為延長(zhǎng)隨鉆震擊
器的使用壽命和避免失效事故的發(fā)生，很多學(xué)者從
材料、結(jié)構(gòu)和受力等方面進(jìn)行了研究 ，但油田現(xiàn)
場(chǎng)隨鉆震擊器斷裂事故仍時(shí)有發(fā)生。筆者以油田現(xiàn)
場(chǎng)發(fā)生的斷裂事故為研究對(duì)象，分析隨鉆震擊器失
作者簡(jiǎn)介：潘志勇，1976年生 、2006年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)并獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事石油管方面的研究工作和技術(shù)服務(wù)。電話
029-88726009、E—mail：pzy3408@163．com。
l22 石油鉆采工藝 2010年11月(第32卷)第6期
效的原因，探討避免此類事故發(fā)生的措施和方法。
1 現(xiàn)場(chǎng)概況
Overview offield
某井在鉆至井深5695．74 m時(shí)，懸重由2l5 t下
降至202 t，泵壓由13 MPa下降至9．5 MPa，起完鉆
發(fā)現(xiàn)O159 mm隨鉆震擊器內(nèi)螺紋上接頭從螺紋根
部斷裂，斷裂位置距鉆頭上方151 m。隨鉆震擊器此
前在其他井使用共計(jì)305 d，使用過(guò)程中未鉆遇 s。
鉆井各項(xiàng)參數(shù)為：鉆壓127 kN、轉(zhuǎn)速95 r／min、
泵壓13 MPa、排量30 L／s。鉆井液參數(shù)為：密度
1．26 rdcm 、pH值為9．5、氯離子含量6384 mg／L。該
井鉆具組合為：0241_3 mm鉆頭+630×410接頭
+ 177．8 mm無(wú)磁鉆鋌×l+ 177．8 mm螺旋鉆鋌×
2+0228．6 mm扶正器×1+0177．8 mm螺旋鉆鋌×
12+411×4A0接頭+ 159 llllTI隨鉆震擊器×l+4A1
×410接頭+0177．8 mm螺旋鉆鋌×2+411×NC520
接頭+0139．7 mm加重鉆桿×12+0139．7 mlTl鉆桿。
2 尺寸測(cè)量及無(wú)損檢測(cè)
Dimension measurement and nondestructive
testing
隨鉆震擊器上接頭斷裂位置為距內(nèi)螺紋端面95
mm左右處，兩側(cè)斷口較為平整，無(wú)刺漏痕跡，斷口附
近無(wú)可見(jiàn)塑性變形(圖1)，顯示疲勞斷口特征。斷
口有被擠壓和磨損破壞痕跡，局部發(fā)亮。
一 (a)斷口1形貌 (b)斷H2形貌
圖1 兩側(cè)斷口形貌
Fig．1 Macroscopic feature on bilateral fracture
對(duì)隨鉆震擊器上接頭外徑、內(nèi)徑和端部鏜孔直
徑進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)顯示內(nèi)徑測(cè)量值比
SY／T5496．2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基本參數(shù)值大。
表1 隨鉆震擊器上接頭尺寸檢測(cè)結(jié)果
Table 1 Joint dimension testing results of drilling jar
檢測(cè)值 SY／T 5496一
參量— — 2000規(guī)定的
1 2 3 4 基本參數(shù)
對(duì)試樣用熒光磁粉和超聲波分別進(jìn)行無(wú)損檢
測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋。
3 材質(zhì)分析
M aterial analysis
3．1 化學(xué)成分分析
Chem ical composition analysis
在斷口附近取樣用直讀光譜儀(Baird Spec~ovac
2000)和紅外碳硫分析儀(LECO CS．444)進(jìn)行化學(xué)
成分分析，結(jié)果表明試樣化學(xué)成分符合SY／T 5496—
2000標(biāo)準(zhǔn)要求。
3．2 力學(xué)性能檢測(cè)
M echanical properties examine
沿縱向取標(biāo)距段直徑12．5 mm的圓棒拉伸試樣
在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；取縱向、橫向尺寸規(guī)
格均為10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口
沖擊試樣在室溫條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。表2數(shù)據(jù)顯
示試樣拉伸性能和硬度值均符合SY／T 5496-2000
標(biāo)準(zhǔn)要求，縱向沖擊功低于SY／T 5496-2000標(biāo)準(zhǔn)
規(guī)定值。
3．3 金相分析
M etallography analysis
截取包含斷口和螺紋根部的試樣進(jìn)行金相觀察
表2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果
Table 2 Examine result of mechanical properties
潘志勇等：隨鉆震擊器接頭斷裂分析及改進(jìn)措施 123
和分析，結(jié)果如下：在螺紋根部未發(fā)現(xiàn)裂紋，組織為
回火索氏體(圖2)，組織品粒度為8級(jí)，夾雜物為
A0．5、B1．0、DTiN 1．0。
圖2 顯微組織
Fig．2 M icro—fabric
4 綜合分析
Comprehensive analysis
4．1 材質(zhì)綜合分析
Comprehensive analysis on m aterial
隨鉆震擊器上接頭抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、
斷面收縮率、硬度及化學(xué)成分符合sY／]r 5496--2000
標(biāo)準(zhǔn)要求，金相分析顯示材料組織良好。接頭縱向沖
擊功平均值為38．3 J，不到sY廠r 5496--2000標(biāo)準(zhǔn)要求
最低值(60 J)的三分之二。縱向沖擊功低，則材料抵
抗橫向開(kāi)裂的能力降低，導(dǎo)致接頭的疲勞壽命降低。
4．2 鉆具組合分析
Drilling strings assem bly analysis
簡(jiǎn)化鉆具組合以計(jì)算軸向應(yīng)力零點(diǎn)，簡(jiǎn)化的鉆
具組合為 177．8 mm鉆鋌+13159 mm隨鉆震擊器
+13177．8 mm鉆鋌+ 139．7 mm加重鉆桿+ 139．7
rnm鉆桿，見(jiàn)圖3。
3 鉆具組合示意圖
Fig．3 Sketch map of drilling strings assembly
假定軸向應(yīng)力零點(diǎn)位于鉆桿上，離井底距離為
， 則根據(jù)力的平衡原理可得
G+(Lz-281．54)×qt=pb十廠浮 (1)
式中，G為加重鉆桿及其以下鉆柱總重量，計(jì)算得
6=354420．6 N；g．為鉆桿單位長(zhǎng)度在空氣中的重量，
g1=287．15 N／m；Pb為鉆壓，Pb=127 000 N； 為整個(gè)
鉆柱在鉆井液中的浮力，計(jì)算得廠潭=306 978．28 N。
計(jì)算軸向應(yīng)力零點(diǎn)高度 得
L = b+／ ≠一G)／ql+281．54=558．6 m (2)
所以假定軸向應(yīng)力零點(diǎn)位于鉆桿上正確。
根據(jù)魯賓斯基研究理論，鉆柱上出現(xiàn)二次彎曲
的臨界壓力是
p=4．05Mq (3)
(4)
式中， 為鉆鋌單位長(zhǎng)度在空氣中的重量，
q a=1593 ． 47 N／m ； 為浮力系數(shù)，計(jì)算得 =0． 8385 ；
為無(wú)因次單位的長(zhǎng)度；E為彈性模量，E=2×10”
N／m ；I為截面慣性矩，，=4．78×10 m ；代入式(4)
得M=I9．26m。
則鉆柱上出現(xiàn)二次彎曲的臨界壓力p=4．05
岣 =104．3 kN，小于鉆壓，所以鉆柱在127 kN的鉆
壓下已產(chǎn)生二次彎曲。
4．3 彎曲強(qiáng)度比分析
Bending strength ratio analysis
隨鉆震擊器4A0內(nèi)螺紋上接頭與4A1外螺紋
轉(zhuǎn)換接頭連接，其彎曲強(qiáng)度比為
Bs= Z。
一
(D 一b4)
ZP 一d (5)
式中，B 為彎曲強(qiáng)度比；ZR為隨鉆震擊器內(nèi)螺紋接
頭截面模數(shù)；ZD為外螺紋轉(zhuǎn)換接頭截面模數(shù)；D為
隨鉆震擊器接頭外徑，取實(shí)測(cè)值D=I57．87 mm；d為
轉(zhuǎn)換接頭內(nèi)徑，6／-57 mm；b為轉(zhuǎn)換接頭外螺紋端部
處的震擊器內(nèi)螺紋牙根直徑，計(jì)算得b-100．39 mm；
為距轉(zhuǎn)換接頭臺(tái)肩19．05 mm處的外螺紋牙根直
徑，計(jì)算得R=I17．67 mm。
則彎曲強(qiáng)度比 =2．14，如果取隨鉆震擊器接頭
外徑為名義值D=159 mm，則彎曲強(qiáng)度比 =2．20。
根據(jù)API RP 7G規(guī)范，鉆具組合螺紋連接的彎
曲強(qiáng)度比應(yīng)在3．2：1到1．9：1之間，比值低于2．5：1
時(shí)內(nèi)螺紋為彎曲薄弱部位，比值高于2．5：1時(shí)，外螺
紋為彎曲薄弱部位，SY／T 5369—9 石油鉆具的管
理與使用(方鉆桿、鉆桿、鉆鋌)》規(guī)定鉆鋌的彎曲強(qiáng)
度比一般應(yīng)為(2．25～2．75)：1。而隨鉆震擊器上接
頭與轉(zhuǎn)換接頭的實(shí)際彎曲強(qiáng)度比為2．14：1，所以內(nèi)
螺紋成為薄弱環(huán)節(jié)。
4．4 綜合分析
Comprehensive analysis
隨鉆震擊器上接頭斷裂于螺紋根部，斷口整體
平坦無(wú)可見(jiàn)塑性變形，顯示疲勞的明顯特征。
l24 石油鉆采工藝 2010年11月(第32卷)第6期
與隨鉆震擊器上接頭連接的轉(zhuǎn)換接頭外徑為
168 mill，隨鉆震擊器上部和下部鉆鋌外徑均為177．8
mm，均大于隨鉆震擊器標(biāo)準(zhǔn)外徑159 1Tim，所以加重
鉆桿以下鉆柱組合中隨鉆震擊器外徑最小，強(qiáng)度最
低，是鉆柱薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)計(jì)算，鉆柱已發(fā)生二次彎
曲，所以隨鉆震擊器要經(jīng)受較大的彎曲應(yīng)力。
隨鉆震擊器上接頭與轉(zhuǎn)換接頭的實(shí)際彎曲強(qiáng)度
比為2．14：1，明顯偏低，相比較上接頭處于抗彎強(qiáng)度
弱的一端。隨鉆震擊器內(nèi)螺紋上接頭里端第1個(gè)完
整螺紋根部應(yīng)力集中較大，當(dāng)受到大的彎曲變形時(shí)，
螺紋根部會(huì)產(chǎn)生大的彎曲應(yīng)力。根據(jù)上面的分析，
鉆柱已發(fā)生了二次彎曲，鉆柱在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中上接頭
里端第1個(gè)完整螺紋根部會(huì)承受大的交變彎曲應(yīng)力，
容易萌生疲勞微裂紋。而材料縱向沖擊功低，加速
了疲勞微裂紋的形成及擴(kuò)展。
5 結(jié)論
Conclusions
(1)接頭縱向沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的三分之
二，材料抵抗橫向開(kāi)裂的能力下降，導(dǎo)致接頭的疲勞
壽命降低。接頭內(nèi)徑值大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基本參數(shù)值，
強(qiáng)度受到消弱，接頭容易發(fā)生彎曲和變形。
(2)鉆柱軸向應(yīng)力零點(diǎn)位于鉆桿上，不合理的鉆
具組合致使在正常鉆壓下鉆柱出現(xiàn)二次彎曲。
(3)隨鉆震擊器上接頭與轉(zhuǎn)換接頭的彎曲強(qiáng)度比
明顯偏低，致使上接頭的抗彎能力弱化，匹配不平衡
容易使上接頭里端第1個(gè)螺紋根部萌生疲勞微裂紋。
(4)接頭的斷裂屬于疲勞斷裂，斷裂原因是：處
于鉆柱薄弱環(huán)節(jié)的內(nèi)螺紋接頭在交變彎曲應(yīng)力的作
用下，在最后一牙完整螺紋根部萌生了微裂紋，材料
的沖擊韌性低以及接頭內(nèi)徑值的偏大促進(jìn)了裂紋的
萌生及擴(kuò)展。
(5)優(yōu)化鉆具組合，使鉆柱軸向應(yīng)力零點(diǎn)降低至
鉆鋌上。將鉆具組合中的 159 mlTl隨鉆震擊器更
改為0177．8 mlTl，使上接頭和轉(zhuǎn)換接頭的抗彎強(qiáng)度
比匹配合理。通過(guò)改進(jìn)，使用新的鉆具組合進(jìn)行鉆
井，使用523 d再未發(fā)生此類事故，對(duì)出井后的接頭
螺紋進(jìn)行檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)裂紋。
參考文獻(xiàn)：
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(修改稿收到日期2010—10—12)

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