某气田一气井在钻探过程中发生井喷,引发火灾,对钻井设备造成了严重损伤。但相对来讲远离火源的井架是否也受到了大火的影响及影响程度如何,钻井队(投保方)与保险公司之间无法达成一致意见,因此使保险理赔工作受阻。受某保险公估有限公司的委托,华南理工大学机电工程系对钻井火灾事故现场进行了全面现场勘查,发现理赔双方争议较大的井架上部没有火烧的迹象,井架下部却有明显的火烧迹象。

但火烧对井架底部(主要是锚头箱大梁和人字架底部)究竟有多大的影响,特别是对强度和刚度有多大影响,很难从宏观肉眼观察中作出准确的判断。而井架等设备在当时的情况下又不允许进行破坏性的取样工作,为此我们采取了非破坏性的现场复膜方法和硬度测定方法,对争议较大的井架底部进行了金相检验和硬度测定,从技术角度对井架状态给出了科学的分析。

1.1　试验对象及材料

试验对象为井架底部的锚头箱大梁及人字架底部,其材质均为16Mn钢。

1.2　试验方法

包括现场复膜金相分析和现场硬度测试。

硬度测定采用德国KB公司生产的MIC10DL便携式硬度计;现场复膜采用机械抛光方法,所用抛光机为丹麦Struers公司生产的Transpol22便携式抛光机。复膜材料为醋酸纤维素软膜,试剂为分析纯丙酮。每一个现场复膜拿回实验室后分别贴在有机玻璃载片上并进行喷金处理,以增加复膜所示显微组织的衬度。

选取井架底部火烧严重部位和未火烧部位进行硬度及组织的对比试验,以判断火烧影响程度。由于人字架与锚头箱大梁是同质材料,因此只选取锚头箱大梁基体(未火烧部位)作为对比试验的参照。

现场复膜和现场硬度测定的位置包括:①锚头箱大梁上未火烧部位;②锚头箱大梁上火烧严重部位;③人字架上火烧严重部位。

2.1　硬度测定结果

锚头箱大梁上未火烧部位硬度为136HV,锚头箱大梁上火烧严重部位硬度为171HV,人字架上火烧严重部位硬度为178HV。

由硬度数据发现,被火严重烧过的锚头箱大梁及人字架底部基体的硬度明显高于火烧前的基体硬度,这与钻井队原来认定的“井架火烧后会发生退火软化”的看法刚好相反。但基体硬度提高必定是火烧使组织发生了某种变化,因此进行了复膜金相组织分析。

2.2　复膜金相分析结果

锚头箱大梁上未火烧部位、火烧严重部位及人字架上火烧严重部位基体的复膜金相组织见图1～3所示。

  图1　锚头箱大梁上未火烧部位基体组织　×100      图2　锚头箱大梁上火烧严重部位基体组织　×100

金相组织观察发现,未被火烧过的锚头箱大梁基体组织为铁素体+珠光体,且晶粒尺寸有些不均匀;被火严重烧过的锚头箱大梁及人字架的基体组织为铁素体+珠光体,其晶粒比火烧前的基体组织的晶粒均匀和细化,且组织有明显的不均匀性,珠光体的含量也有增加。

 

  图3　人字架底部火烧严重部位基体组织　×100

　　根据被火严重烧过的锚头箱大梁及人字架底部的基体组织晶粒均匀细化的特点,可以判断被火严重烧过的锚头箱大梁及人字架曾经到达过略高于Ac3的相变温度,使基体发生了重结晶,导致了晶粒度的变化;而珠光体分布明显不均匀的特点说明:基体在高温重结晶温度停留时间不够长,使奥氏体化时间不充分,导致成分分布的不均匀性;珠光体含量增加说明其冷却速度高于退火状态的冷却速度而导致相变点左移,在相同成分下,相变点左移会导致组织中珠光体含量的增加[1,2]。

上述结果表明:火灾使原来为退火状态的井架底部相当于进行了一次不充分的正火。

在化学成分和相组成相同的条件下,晶粒细化及珠光体含量增加都会导致材料硬度提高,这与上述硬度测定结果是一致的。

综合上述结果,可以判断井架被严重火烤的部位曾被加热到高温相变重结晶区且停留时间不长,并随后进行了正火,使基体室温硬度(及强度)与原来的退火状态相比反而有所提高。但由于井架下部曾在高温区停留(虽然时间不长),在高温区停留时,其高温强度会大幅度下降,此时再加上井架本身较大的受力状态,因此极可能导致井架局部变形,从而引起井架整体刚性的变化,而井架整体刚性是钻井设备安全作业的前提保证。因此判定井架被火严重烧到的下部需更换,局部更换后需对井架作整体安全性测试。

(1)井架被火烧过的底部曾进行过不充分正火,晶粒细化,组织明显不均匀,基体硬度有所提高。

(2)井架被火烧过的底部曾在高温相变区短时停留,对井架的刚性造成很大的影响,因此判定井架底部需更换,局部更换后需对井架作整体安全性测试。