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随钻震击器接头断裂分析及改进措施

文档作者：潘志勇宋生印王新虎黄永章朱丽霞李娜文档来源： 1．中国石油集团石油管工程技术研究院 2川庆钻探工程有限公司工程技术研究院		点击数：	更新时间： 2022年10月19日
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第32卷第6期
2010年l1月
石 油 钻 采 工 艺
OIL DRILLING &amp;amp; PRODUCTION TECHN0L0GY
V01．32 N()．6
NOV．2010
文章编号：1000 7393(2010)06—0121—04
随钻震击器接头断裂分析及改进措施
潘志勇 宋生印 王新虎
(1．中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安710065；2
黄永章 朱丽霞 李娜
川庆钻探工程有限公司工程技术研究院，陕西西安710021)
摘要：随钻震击器是一种重要的并下解卡工具，由于其工作环境恶劣、受力状态复杂，震击器接头容易发生断裂：为提高
产品质量，延长接头的使用寿命，减少断裂事故的发生，需要对接头断裂原因进行分析并实施相应的改进。针对一起随钻震-2
器上接头的断裂事故，采用试验与理论相结合的方法进行断裂原因分析。对接头进行了宏观分析、尺寸测量、无损检测、材质理
化性能检验(包括化学成分、力学性能和金相组织)?对钻具组合进行了重点分析，并对随钻震击g_L接头和转换接头的弯曲
强度比选行详细计算 结果表明随钻震击器上接头发生断裂的原因是由于钻具组合不合理以及随钻震击器上接头和转换接头
的匹配不当导致的疲劳断裂，材料冲击韧性低进一步缩短了疲劳寿命，最后提出了改进措施并取得了较好的效果c
关键词：随钻震击器；接头；断裂；疲劳；失效分析；改进措施
中图分类号：TE 921．2 文献标识码：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
随钻震击器是简单、迅速处理井下卡钻事故必
不可少的钻井工具。随钻震击器两端通常与钻铤连
接，当出现卡钻事故时，震击器开始。。『 作，其依靠突
然的弹性恢复释放能量来产生震击 ，一般需要多
次甚至几百次的震击才能达到解卡的目的。所以随
钻震击器受力复杂，不仅要承受正常钻进过程中的
拉、压、弯、扭综合交变应力作用，而且在解卡过程中
还要承受很大的振动和冲击 。 。为延长随钻震击
器的使用寿命和避免失效事故的发生，很多学者从
材料、结构和受力等方面进行了研究 ，但油田现
场随钻震击器断裂事故仍时有发生。笔者以油田现
场发生的断裂事故为研究对象，分析随钻震击器失
作者简介：潘志勇，1976年生 、2006年毕业于中国石油大学(北京)并获硕士学位，现主要从事石油管方面的研究工作和技术服务。电话
029-88726009、E—mail：pzy3408@163．com。
l22 石油钻采工艺 2010年11月(第32卷)第6期
效的原因，探讨避免此类事故发生的措施和方法。
1 现场概况
Overview offield
某井在钻至井深5695．74 m时，悬重由2l5 t下
降至202 t，泵压由13 MPa下降至9．5 MPa，起完钻
发现O159 mm随钻震击器内螺纹上接头从螺纹根
部断裂，断裂位置距钻头上方151 m。随钻震击器此
前在其他井使用共计305 d，使用过程中未钻遇 s。
钻井各项参数为：钻压127 kN、转速95 r／min、
泵压13 MPa、排量30 L／s。钻井液参数为：密度
1．26 rdcm 、pH值为9．5、氯离子含量6384 mg／L。该
井钻具组合为：0241_3 mm钻头+630×410接头
+ 177．8 mm无磁钻铤×l+ 177．8 mm螺旋钻铤×
2+0228．6 mm扶正器×1+0177．8 mm螺旋钻铤×
12+411×4A0接头+ 159 llllTI随钻震击器×l+4A1
×410接头+0177．8 mm螺旋钻铤×2+411×NC520
接头+0139．7 mm加重钻杆×12+0139．7 mlTl钻杆。
2 尺寸测量及无损检测
Dimension measurement and nondestructive
testing
随钻震击器上接头断裂位置为距内螺纹端面95
mm左右处，两侧断口较为平整，无刺漏痕迹，断口附
近无可见塑性变形(图1)，显示疲劳断口特征。断
口有被挤压和磨损破坏痕迹，局部发亮。
一 (a)断口1形貌 (b)断H2形貌
图1 两侧断口形貌
Fig．1 Macroscopic feature on bilateral fracture
对随钻震击器上接头外径、内径和端部镗孔直
径进行测量，结果见表1。数据显示内径测量值比
SY／T5496．2000标准规定的基本参数值大。
表1 随钻震击器上接头尺寸检测结果
Table 1 Joint dimension testing results of drilling jar
检测值 SY／T 5496一
参量— — 2000规定的
1 2 3 4 基本参数
对试样用荧光磁粉和超声波分别进行无损检
测，未发现裂纹。
3 材质分析
M aterial analysis
3．1 化学成分分析
Chem ical composition analysis
在断口附近取样用直读光谱仪(Baird Spec~ovac
2000)和红外碳硫分析仪(LECO CS．444)进行化学
成分分析，结果表明试样化学成分符合SY／T 5496—
2000标准要求。
3．2 力学性能检测
M echanical properties examine
沿纵向取标距段直径12．5 mm的圆棒拉伸试样
在室温条件下进行拉伸试验；取纵向、横向尺寸规
格均为10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口
冲击试样在室温条件下进行冲击试验。表2数据显
示试样拉伸性能和硬度值均符合SY／T 5496-2000
标准要求，纵向冲击功低于SY／T 5496-2000标准
规定值。
3．3 金相分析
M etallography analysis
截取包含断口和螺纹根部的试样进行金相观察
表2 力学性能检测结果
Table 2 Examine result of mechanical properties
潘志勇等：随钻震击器接头断裂分析及改进措施 123
和分析，结果如下：在螺纹根部未发现裂纹，组织为
回火索氏体(图2)，组织品粒度为8级，夹杂物为
A0．5、B1．0、DTiN 1．0。
图2 显微组织
Fig．2 M icro—fabric
4 综合分析
Comprehensive analysis
4．1 材质综合分析
Comprehensive analysis on m aterial
随钻震击器上接头抗拉强度、屈服强度、伸长率、
断面收缩率、硬度及化学成分符合sY／]r 5496--2000
标准要求，金相分析显示材料组织良好。接头纵向冲
击功平均值为38．3 J，不到sY厂r 5496--2000标准要求
最低值(60 J)的三分之二。纵向冲击功低，则材料抵
抗横向开裂的能力降低，导致接头的疲劳寿命降低。
4．2 钻具组合分析
Drilling strings assem bly analysis
简化钻具组合以计算轴向应力零点，简化的钻
具组合为 177．8 mm钻铤+13159 mm随钻震击器
+13177．8 mm钻铤+ 139．7 mm加重钻杆+ 139．7
rnm钻杆，见图3。
3 钻具组合示意图
Fig．3 Sketch map of drilling strings assembly
假定轴向应力零点位于钻杆上，离井底距离为
， 则根据力的平衡原理可得
G+(Lz-281．54)×qt=pb十厂浮 (1)
式中，G为加重钻杆及其以下钻柱总重量，计算得
6=354420．6 N；g．为钻杆单位长度在空气中的重量，
g1=287．15 N／m；Pb为钻压，Pb=127 000 N； 为整个
钻柱在钻井液中的浮力，计算得厂潭=306 978．28 N。
计算轴向应力零点高度 得
L = b+／ ≠一G)／ql+281．54=558．6 m (2)
所以假定轴向应力零点位于钻杆上正确。
根据鲁宾斯基研究理论，钻柱上出现二次弯曲
的临界压力是
p=4．05Mq (3)
(4)
式中， 为钻铤单位长度在空气中的重量，
q a=1593 ． 47 N／m ； 为浮力系数，计算得 =0． 8385 ；
为无因次单位的长度；E为弹性模量，E=2×10”
N／m ；I为截面惯性矩，，=4．78×10 m ；代入式(4)
得M=I9．26m。
则钻柱上出现二次弯曲的临界压力p=4．05
岣 =104．3 kN，小于钻压，所以钻柱在127 kN的钻
压下已产生二次弯曲。
4．3 弯曲强度比分析
Bending strength ratio analysis
随钻震击器4A0内螺纹上接头与4A1外螺纹
转换接头连接，其弯曲强度比为
Bs= Z。
一
(D 一b4)
ZP 一d (5)
式中，B 为弯曲强度比；ZR为随钻震击器内螺纹接
头截面模数；ZD为外螺纹转换接头截面模数；D为
随钻震击器接头外径，取实测值D=I57．87 mm；d为
转换接头内径，6／-57 mm；b为转换接头外螺纹端部
处的震击器内螺纹牙根直径，计算得b-100．39 mm；
为距转换接头台肩19．05 mm处的外螺纹牙根直
径，计算得R=I17．67 mm。
则弯曲强度比 =2．14，如果取随钻震击器接头
外径为名义值D=159 mm，则弯曲强度比 =2．20。
根据API RP 7G规范，钻具组合螺纹连接的弯
曲强度比应在3．2：1到1．9：1之间，比值低于2．5：1
时内螺纹为弯曲薄弱部位，比值高于2．5：1时，外螺
纹为弯曲薄弱部位，SY／T 5369—9 石油钻具的管
理与使用(方钻杆、钻杆、钻铤)》规定钻铤的弯曲强
度比一般应为(2．25～2．75)：1。而随钻震击器上接
头与转换接头的实际弯曲强度比为2．14：1，所以内
螺纹成为薄弱环节。
4．4 综合分析
Comprehensive analysis
随钻震击器上接头断裂于螺纹根部，断口整体
平坦无可见塑性变形，显示疲劳的明显特征。
l24 石油钻采工艺 2010年11月(第32卷)第6期
与随钻震击器上接头连接的转换接头外径为
168 mill，随钻震击器上部和下部钻铤外径均为177．8
mm，均大于随钻震击器标准外径159 1Tim，所以加重
钻杆以下钻柱组合中随钻震击器外径最小，强度最
低，是钻柱薄弱环节。根据计算，钻柱已发生二次弯
曲，所以随钻震击器要经受较大的弯曲应力。
随钻震击器上接头与转换接头的实际弯曲强度
比为2．14：1，明显偏低，相比较上接头处于抗弯强度
弱的一端。随钻震击器内螺纹上接头里端第1个完
整螺纹根部应力集中较大，当受到大的弯曲变形时，
螺纹根部会产生大的弯曲应力。根据上面的分析，
钻柱已发生了二次弯曲，钻柱在旋转过程中上接头
里端第1个完整螺纹根部会承受大的交变弯曲应力，
容易萌生疲劳微裂纹。而材料纵向冲击功低，加速
了疲劳微裂纹的形成及扩展。
5 结论
Conclusions
(1)接头纵向冲击功低于标准规定值的三分之
二，材料抵抗横向开裂的能力下降，导致接头的疲劳
寿命降低。接头内径值大于标准规定的基本参数值，
强度受到消弱，接头容易发生弯曲和变形。
(2)钻柱轴向应力零点位于钻杆上，不合理的钻
具组合致使在正常钻压下钻柱出现二次弯曲。
(3)随钻震击器上接头与转换接头的弯曲强度比
明显偏低，致使上接头的抗弯能力弱化，匹配不平衡
容易使上接头里端第1个螺纹根部萌生疲劳微裂纹。
(4)接头的断裂属于疲劳断裂，断裂原因是：处
于钻柱薄弱环节的内螺纹接头在交变弯曲应力的作
用下，在最后一牙完整螺纹根部萌生了微裂纹，材料
的冲击韧性低以及接头内径值的偏大促进了裂纹的
萌生及扩展。
(5)优化钻具组合，使钻柱轴向应力零点降低至
钻铤上。将钻具组合中的 159 mlTl随钻震击器更
改为0177．8 mlTl，使上接头和转换接头的抗弯强度
比匹配合理。通过改进，使用新的钻具组合进行钻
井，使用523 d再未发生此类事故，对出井后的接头
螺纹进行检测也未发现裂纹。
参考文献：
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(修改稿收到日期2010—10—12)

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