Analysis of the possible causes of failure of good smooth drill pipe

Full Text

Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ) применяются для бурения сверхглубоких и наклонно направленных скважин, а также для подземного и капитального ремонта и геологоразведочного бурения. ЛБТ были созданы для сокращения продолжительности спускоподъемных операций, которая интенсивно возрастает с ростом глубины скважин, и предназначены для турбинного и роторного способов бурения. Отечественной промышленностью ЛБТ изготавливаются из алюминиевых сплавов Д16 (наиболее распространенный), АК4-1Т1 (термостойкий) и 1953Т1 (высокопрочный коррозионно-стойкий) [1]. Главное преимущество их использования в том, что буровая колонна из ЛБТ более чем в 2,5 раза легче, чем колонна из стальных труб. Вместе с тем по износостойкости и прочности эти трубы не уступают стальным и имеют удовлетворительную коррозионную стойкость, в первую очередь трубы из сплава 1953Т1, используемые при бурении морских скважин и скважин с пластовыми флюидами, содержащими растворенные сероводород и диоксид углерода. Кроме того, ЛБТ имеют гладкую внутреннюю поверхность (снижается гидравлическое сопротивление примерно на 20 %), характеризуются диамагнитностью (что позволяет использовать для замеров инклинометры), обладают высокими виброгасящими свойствами (что позволяет избежать резонанса в системе «долото - буровая колонна») [2-5 и др.]. Однако ЛБТ имеют и ряд недостатков: во-первых, они существенно дороже стальных труб; во-вторых, их нельзя эксплуатировать при температурах выше 120-150 °С, так как их прочностные свойства начинают снижаться; и, наконец, они недолговечны в агрессивной кислотной или щелочной среде. В настоящей работе изучали фрагмент разрушенной ЛБТ с целью выявления причин столь катастрофического ее разрушения. Методика исследования Химический состав стали определяли методом спектрального анализа на атомно-эмиссионных спектрометрах с индуктивно-связанной плазмой iCAP 6500 и SA-2000. Испытания на растяжение проводили на разрывной машине Р-10М-авто на 5 мм образцах с продольным расположением волокна в соответствии с ГОСТ 10006-80. Замер твердости производили методом Виккерса на твердомере ПМТ-3 по шкале HV с последующим переводом в шкалу HB. Анализ микроструктуры металла выполняли с использованием оптического микроскопа Leitz ММ6 на микрошлифах с поперечным расположением волокна после травления 10%-м раствором едкого натра. Фотосъемку микроструктуры выполняли на микрорентгеноспектральном анализаторе Jeol Superprobe 733 (Япония). Результаты исследования Результаты анализа химического состава металла трубы (табл. 1) показали, что сплав соответствует марке Д16 (1160) по ГОСТ 4784-97, в том числе по соотношению Fe/Si>1. Таблица 1 Химический состав объекта исследования Объект Содержание элементов, % Cu Mg Mn Fe Si ЛБТ 4,82 1,62 0,68 0,40 0,27 ГОСТ 4784-97 3,8-4,9 1,2-1,8 0,3-0,9 ≤0,50 ≤0,50 Значения механических свойств (табл. 2) соответствуют закаленному и естественно состаренному состоянию сплава Д16 по ГОСТ 23786-79. Разрушение исследуемых образцов после испытаний на одноосное растяжение произошло под углом 45-48о практически без образования шейки, что характерно для вязкого разрушения. Анализ фрактограмм поверхности разрушения выявил следы интенсивного скольжения с образованием грубых полос деформации. Кроме того, были обнаружены небольшие неметаллические включения, предположительно на основе кремния, что, однако, не могло послужить причиной катастрофически быстрого разрушения трубы ввиду их небольшого количества и малого размера. Микроструктура объекта исследования имеет характерную для сплава Д16 основную структурную составляющую - α-твердый раствор на основе алюминия. Неравновесные фазы θ(CuAl2), S(Al2CuMg) эвтектического происхождения имеют расположение, характерное для вырожденной эвтектики, и располагаются по границам дендритных ячеек твердого раствора. Таблица 2 Механические характеристики объекта исследования Объект На одноосное растяжение Твердость, НВ Временное сопротивление,sв, МПа Предел текучести, s0,2, МПа Относительное удлинение d, % Относительное сужение ψ, % ЛБТ 484 283 26 27,2 128 ГОСТ 23786-79 ≥421 ≥274 ≥10 - - Примесь кремния и железа образуют с магнием соединения Mg2Si (силицид магния) и фазы (Mn, Fe) Al6, (Fe, Mn)3Si2Al15 в виде иероглифов или частиц неправильной формы, которые выделяются также по границам дендритных ячеек и зерен твердого раствора на основе алюминия. Визуальный осмотр мест повреждения показал, что кроме продольного разрушения имеют место и поперечные надрывы по концентрическим траекториям (рис. 1, а). Это свидетельствует о том, что уровень приложенных при эксплуатации нагрузок был существенно выше прочностных характеристик трубы. На наружной поверхности имеются следы существенного износа и интенсивной пластической деформации (см. рис. 1, а). Повреждения наружной поверхности связаны с геологическими особенностями разбуриваемой породы и способом бурения. Внутренняя поверхность объекта исследования имеет масштабные повреждения в виде расслоений (рис. 1, б), образовавшихся под воздействием агрессивной среды. а б Рис. 1. Области разрушения ЛБТ, х0,3: а - наружная поверхность; б - внутренняя поверхность Визуальным осмотром было также установлено, что наименьшая толщина стенки трубы в зоне разрушения составляет 1,5 мм. Однако в соответствии с ГОСТ 23786-79 первоначальная толщина стенки основного сечения должна составлять 13±0,9 мм. С учетом степени износа и наработки трубы можно предположить, что по геометрическим параметрам она не соответствовала 3-му классу. Микроструктурным анализом области разрушения установлено: - разрушение имеет вязкий характер; - в зонах разрушения наблюдаются следы вырыва металла; - разрушение происходило в наиболее повреждtнных местах ЛБТ, с максимальной глубиной залегания повреждений; - на внутренней поверхности ЛБТ наблюдаются множественные коррозионные расслоения (рис. 2); - под расслоениями имеются микротрещины, распространяющиеся на достаточно большую глубину; - в резьбовой части ЛБТ, под впадиной резьбы имеются многочисленные трещины коррозионно-усталостного характера (рис. 3). Рис. 2. Коррозионное растрескивание в области повреждения объекта исследования, х1000 Рис. 3. Коррозионно-усталостное растрескивание резьбовой части ЛБТ, х1000 Выводы 1. Металл ЛБТ по химическому составу и механическим свойствам соответствует закаленному и естественно состаренному сплаву Д16, что отвечает требованиям НТД. 2. Металл объекта исследования характеризуется высоким металлургическим качеством и не содержит дефектов и аномалий, видимых при оценочном увеличении, которые могли бы привести к его ускоренному разрушению. 3. Основной причиной разрушения является образование коррозионно-усталостных трещин в резьбовой части ЛБТ вследствие длительного срока эксплуатации. 4. Коррозионные растрескивания и расслоения ускорили выход трубы из строя, чего можно было бы избежать, используя трубы с антикоррозионным покрытием. 5. Причиной предельного износа трубы вследствие воздействия разбуриваемой породы было также несоответствие выбранной толщины стенки требованиям ГОСТ 23786-79.

About the authors

Anastasiya A Suslina

Samara State Technical University

Graduate Student 244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation

Kirill I Koshcheev

Samara State Technical University

Bachelor 244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation

Tatiana M Pugacheva

Samara State Technical University

Tatiana M. Pugacheva 244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files