鉆桿管體橫向開(kāi)裂失效原因分析與預(yù)防

李艷麗， 王振志， 李曉暉， 王克虎， 和　新， 楊宏偉， 常吉星， 任立坤， 王洪煒， 蘇辰兆

(河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心，石家莊　050080)

鉆桿作為鉆柱系統(tǒng)的重要組成部分，是影響鉆井安全和鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵部件，由于鉆桿在使用過(guò)程中承受拉壓彎扭等復(fù)雜交變載荷的作用，同時(shí)還受環(huán)境介質(zhì)的影響，鉆桿失效事故在鉆柱總失效事故中占比為50%～60%。鉆桿的主要失效有管體刺穿和斷裂、接頭螺紋黏扣、刺漏和斷裂等形式。一旦發(fā)生鉆桿失效，尤其是斷裂，極易引發(fā)嚴(yán)重的鉆井事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。所以針對(duì)鉆桿失效形式進(jìn)行原因分析并采取措施避免，具有重要意義。

1　施工區(qū)地層特征及事故發(fā)生過(guò)程

2015年6月，某鉆井公司在吉林省白山市進(jìn)行地?zé)峋┕?。該區(qū)域?yàn)橹谐瘻?zhǔn)臺(tái)地北緣東段，處于渾江凹陷、褶皺斷層帶上，為單斜構(gòu)造。地層總體走向北東45°，傾向東南，傾角在30～40°。地?zé)峋饕@遇地層為：0～10m，新生界第四系，巖性為砂層、礫石層黏土層；10～695.5m，中生界侏羅-白堊系，巖性為黃綠色、粉色砂巖，夾泥巖； 695.50～1 930m，元古界震旦系橋頭組、萬(wàn)隆組和八道江組，巖性為灰?guī)r、板狀粉砂巖、石英砂巖。

地?zé)峋O(shè)計(jì)井深2 500m，施工目的層為1 200～2 500m的含水層段。施工使用鉆機(jī)為石油30。事故發(fā)生時(shí)井深1 320m，距井底135～140m的一支Φ127 mm×9.19mm，G105 鋼級(jí)鉆桿，提鉆時(shí)發(fā)現(xiàn)管體有橫向裂紋，尚未造成刺漏和折斷，鉆桿管體材質(zhì)為 26CrMo4s/2 鋼，鉆桿開(kāi)裂部位距內(nèi)螺紋接頭端面2.5m處。鉆具配置為Φ215.9 mm鑲齒牙輪鉆頭+Φ178 mm鉆鋌4支+Φ165 mm鉆鋌8支+Φ127 mm鉆桿，鉆進(jìn)過(guò)程中泵壓4.5MPa，鉆壓2～3t，鉆井液pH=7。

為了查明鉆桿管體橫向開(kāi)裂的原因，避免此類失效事故的再次發(fā)生，筆者對(duì)失效樣品進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改善實(shí)施與建議。

2　宏觀觀察與尺寸檢測(cè)

鉆桿管體橫向裂紋清晰可見(jiàn)，裂口平齊銳直，貫穿整個(gè)壁厚，裂紋環(huán)向長(zhǎng)度占周長(zhǎng)的60%，如圖1所示，斷口外側(cè)平坦，顏色較深，靠近斷口內(nèi)側(cè)存在一條圓弧線，線外側(cè)平坦，內(nèi)側(cè)傾斜，判斷該線即為裂紋擴(kuò)展區(qū)與撕裂區(qū)的邊界線。

另外，管體外壁存在較多肉眼可見(jiàn)腐蝕坑，管體內(nèi)壁存在很多小鼓包、凸起，鼓包物質(zhì)疏松、易剝落，清除鼓包后，下面清晰可見(jiàn)大量深淺不一腐蝕坑，形貌如圖2所示。

3　微觀觀察

3.1　內(nèi)外壁形貌

在鉆桿斷口附近取樣，掃描電子顯微鏡下觀察其外壁和內(nèi)壁形貌，如圖3和圖4所示。

圖1　鉆桿管體失效形式Figure 1　Drill rod failure mode

(a)外壁　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)內(nèi)壁圖2　腐蝕形貌Figure 2　Corrosion morphology

圖3　斷口附近外壁形貌Figure 3　Rod external wall morphology near the fracture surface

(a)斷口　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)內(nèi)壁裂紋圖4　擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋Figure 4　Expanding area fatigue striations

從圖3、圖4可以看出，斷口外壁腐蝕較為嚴(yán)重，斷口附近存在環(huán)向裂紋，該裂紋起源于腐蝕坑；斷口擴(kuò)展區(qū)及內(nèi)壁裂紋擴(kuò)展區(qū)均存在疲勞輝紋。

3.2　腐蝕產(chǎn)物的物相分析

分別在管體內(nèi)壁和外壁刮取腐蝕產(chǎn)物，通過(guò)X射線衍射分析物相組成，分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，該鉆桿外壁腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe2O3·H2O，內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe3O4。

4　材質(zhì)分析

4.1　化學(xué)成分分析

對(duì)開(kāi)裂管子取樣，按照ASTM A751《鋼制品化學(xué)分析方法及定義》對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明該鉆桿管體化學(xué)成分符合API SPEC 5DP-2009鉆桿規(guī)范的要求，同時(shí)也符合材料用鋼26CrMo4s/2的成分要求。

4.2　力學(xué)性能分析

在斷口附近分別取板狀拉伸試樣和夏比V型缺口縱向沖擊試樣，拉伸試樣規(guī)格為25.4mm，厚為鉆桿壁厚9.19 mm，按照ASTM A370-2010鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義和ASTM E23金屬材料缺口沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出結(jié)果，開(kāi)裂管體的力學(xué)性能完全符合API SPEC 5DP鉆桿規(guī)范》的技術(shù)要求。

(a)外壁　　　　　　　　　　　　　　　　(b)內(nèi)壁圖5　腐蝕產(chǎn)物X射線衍射分析結(jié)果Figure 5　X-ray diffraction analyzed result of corrosion products

項(xiàng)目CSiMnPSCrMo管體實(shí)測(cè)0.260.241.130.0080.0010.910.16APISPEC5DP———≤0.020≤0.015——材質(zhì)要求0.24～0.300.20～0.351.05～1.20≤0.015≤0.0080.80～1.000.15～0.2

表2　開(kāi)裂管體的力學(xué)性能

4.3　金相分析

在鉆桿開(kāi)裂處附近取樣進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)管體內(nèi)壁存在較多裂紋，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫碳和氧化現(xiàn)象。

5　分析及討論

根據(jù)以上分析，開(kāi)裂鉆桿的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合API SPEC 5DP鉆桿規(guī)范的要求。鉆桿內(nèi)外壁受到嚴(yán)重腐蝕，根據(jù)斷口的紋路可以確定該斷口起源于外壁，微觀分析斷口擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋；鉆桿內(nèi)、外壁存在腐蝕凹坑和微裂紋，因此可以確定橫向開(kāi)裂斷口與外壁微裂紋性質(zhì)相同，另外內(nèi)壁裂紋的擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋均為腐蝕疲勞。

鉆桿內(nèi)外壁腐蝕產(chǎn)物X射線物相分析內(nèi)外壁腐蝕產(chǎn)物均為氧腐蝕產(chǎn)物，因此確定該鉆桿內(nèi)外壁腐蝕均屬于氧腐蝕。

鉆井液循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)半敞開(kāi)系統(tǒng)，鉆井過(guò)程中，鉆井液在地面攪拌，在儲(chǔ)罐、振動(dòng)篩、離心泵、除砂器等設(shè)備處通過(guò)，都會(huì)與大氣接觸，導(dǎo)致大氣中的氧進(jìn)入鉆井液中而成為游離態(tài)的氧，由于溶解氧的強(qiáng)去極化作用使得即使是質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低的氧也可以引起鉆桿的腐蝕，造成嚴(yán)重的鉆桿腐蝕損傷；另外受含水層的影響，本起事故案例中鉆井液屬于低pH值的淡水鉆井液，也具有較強(qiáng)的腐蝕性，鉆井液作為鉆桿的工作環(huán)境，必然會(huì)加劇鉆桿的腐蝕；況且由于施工區(qū)域地層復(fù)雜，軟硬互層，石英砂巖硬度較大，可鉆性差、研磨性強(qiáng)，易使鉆具震動(dòng)，極易產(chǎn)生疲勞損傷。在地層條件無(wú)法選擇的情況下，我們只能改善鉆桿與鉆井液接觸的工作環(huán)境，降低腐蝕對(duì)鉆桿的影響。

另外筆者通過(guò)搜集資料，總結(jié)了各類鉆井液的腐蝕性對(duì)比，腐蝕性最強(qiáng)的是充氣海水鉆井液、鉀基聚合物鉆井液、低pH值聚合物鉆井液、H2S污染鉆井液；其次是低pH值天然鉆井液、鹽水鉆井液、淡水鉆井液；再次為高pH值天然鉆井液、石灰鉆井液；再次為高分散性鉆井液、水包油鉆井液、飽和鹽水鉆井液；腐蝕性最弱的是緩蝕劑處理的鉆井液和油基鉆井液。期望這些研究對(duì)施工有所幫助。

6　結(jié)論及建議

6.1　結(jié)論

該鉆桿橫向開(kāi)裂的失效機(jī)理為腐蝕疲勞，主要原因?yàn)殂@桿內(nèi)外壁發(fā)生氧腐蝕產(chǎn)生腐蝕坑，在交變應(yīng)力的作用下，內(nèi)外壁腐蝕坑底部率先產(chǎn)生疲勞裂紋，外壁裂紋擴(kuò)展貫穿壁厚導(dǎo)致鉆桿橫向開(kāi)裂。

6.2　預(yù)防措施及建議

1)改善鉆桿與鉆井液接觸的工作環(huán)境，為消除溶解氧的腐蝕作用，建議對(duì)鉆井液進(jìn)行脫氧處理， 并向鉆井液中添加緩蝕劑、適當(dāng)提高鉆井液pH值，將鉆井液pH值保持在10及以上。

2)推廣應(yīng)用內(nèi)涂層鉆桿，防止內(nèi)表面腐蝕的形成。

3) 重視鉆桿存放期間的維護(hù)管理，如果存放不當(dāng)，也會(huì)在其內(nèi)外表面產(chǎn)生腐蝕坑，導(dǎo)致使用過(guò)程中發(fā)生早期腐蝕疲勞失效，所以盡量避免長(zhǎng)期露天存放，迫不得已露天存放時(shí)應(yīng)采取防腐蝕措施，且存放鉆桿第一層距地面的高度不低于30cm，防止?jié)駳夂湍嗤恋匿P蝕；另外存放前要清除內(nèi)外表面的鉆井液并干燥，尤其進(jìn)行過(guò)鹽井施工，或接觸過(guò)HCl、H2S的鉆桿，一定要先用清水清洗鉆桿后再進(jìn)行存放。

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